激光驱动强流电子束产生和控制
摘要：在惯性约束聚变（ICF）电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因：预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法：（1）双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;（2）输运丝产生环向磁场准直强流电子束;（3）外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;（4）抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。可压缩湍流研究进展
摘要：高马赫数可压缩湍流的运动是一个多尺度多过程的物理现象。采用了多过程分解的方法,将可压缩湍流分解为剪切和胀压过程,分析其统计行为和动力学行为。发展了一种新的紧致差分和WENO格式相结合的混合型数值格式,准确模拟了可压缩湍流场;研究了其多尺度多过程行为和对粒子的输运影响;研究了激波结构对湍流场的影响;在高雷诺数可压缩湍流中,证明存在惯性区,其中流运动和压力做功引起的动能流通量都是常数;证明可压缩湍流中存在从大尺度到小尺度的动能级串过程;证明动能流通量的剪切部分和胀压部分在惯性区都为常数;分析亚格子应力项和亚格子质量流动项对动能级串的影响。远场几何光路追踪唯象模型
摘要：在激光靶耦合流体模拟程序中,相对于传统几何光路追踪方法,Wigner分布函数光路追踪方法可以描述激光衍射效应;但Wigner分布函数方法需要大量的激光光线来刻画激光能量在相空间的分布,降低了流体计算效率。基于Wigner分布函数方法提出了一个唯象模型,可以用较少的光线刻画宏观特征。该模型将Wigner分布函数分解成坐标空间与相空间两部分函数的乘积,并假定相空间分布函数具有特定的形式。该模型适用于空间相干度较低的实际光束,成功描述了OMEGA激光器光束,并且可以描述经过连续相位板匀滑后的实际光束。黑腔等离子体中SRS与SBS过程的散射光谱分析
摘要：针对惯性约束聚变中激光通过等离子体时,在光路上激发的受激Raman散射（SRS）与受激Brillouin散射（SBS）过程进行了研究。介绍了用于分析两种不稳定性过程背向散射光谱特征的程序模型,数值模拟了不同等离子体状态参数条件下的SRS与SBS过程,讨论了黑腔内等离子体参数条件对两种不稳定性过程及其散射光谱特征的影响,提出了有益于抑制两种不稳定过程的等离子体参数条件。激光聚变冲击波点火的热斑形成机制
摘要：通过对冲击波点火内爆过程的数值模拟分析点火热斑压缩及形成机制。分析了传统中心点火的内爆过程,热斑主要经历冲击波压缩和惯性压缩过程,点火主要通过惯性压缩来实现。并仔细分析了冲击波点火的内爆压缩过程,从内爆角度来看冲击波点火并不是压缩和点火分开的两步过程,点火冲击波实际参与压缩过程,点火冲击波对热斑的直接影响很有限,热斑仍然主要通过壳层的惯性压缩实现点火。利用惯性压缩的定标关系及冲击波碰撞对壳层影响规律分析了热斑增压的物理机制,冲击波点火是通过点火冲击波与回冲击波的碰撞来提高壳层的密度,从而实现热斑压力的提升。间接驱动冷冻双壳层点火靶的设计和分析
摘要：双壳层靶中,由于燃料被高Z壳层包裹,其点火方式要求燃料整体点火,不同于单壳层中心热斑点火。结合点火条件和对于其中物理过程的认识,设计了间接驱动的冷冻双壳层点火靶。利用冷冻的氘氚（DT）燃料,可适当提高双壳层靶的燃料装量,获得和NIF装置条件下中心热斑点火靶相当的放能。间接驱动下,X射线烧蚀并驱动外壳层碰撞内壳层,把能量传递给内壳层,进而压缩和点燃冷冻的DT燃料。壳层碰撞过程是能量传递的关键,通过调整内外壳层的质量比,提高了碰撞效率,相应地降低了靶丸点火的能量需求。一维数值模拟分析了该点火靶的内爆过程及定性分析了其中的流体力学不稳定性。同时,也指出了泡沫中形成的辐射冲击波对内壳层的预热效应,即辐射冲击波的致稳效应,能够很好地抑制内壳层外界面处的不稳定性发展,进而会减弱高Z内壳层和燃料的混合。激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序
摘要：介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。氢及其同位素宽区状态方程的核量子效应
摘要：应用大规模第一性原理分子动力学数值模拟方法,系统研究了氢及其同位素在极端条件下的分子解离规律及状态方程,并给出了参数化的解函数拟合公式。结合分子、原子流体量子振动的一阶修正,揭示了氢及其同位素的核量子效应,解析获得了氢、氘分子在温稠密区域分子解离规律的差别。由第一性原理状态方程给出了雨贡纽曲线,与气炮、化学炸药、磁驱动、高能激光等实验数据相符合,并详细讨论了由核量子效应导致的氢、氘雨贡纽曲线的同位素效应。神光Ⅱ装置上间接驱动烧蚀瑞利-泰勒不稳定性实验分析
摘要：在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor（RT）不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据,模拟结果与实验结果相符合。神光Ⅱ激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。快点火中相对论电子束能量沉积的动理学研究
摘要：针对相对论快电子束在高密度压缩芯区等离子体中的能量沉积过程开展物理建模、程序研制和数值模拟研究。从等离子体粒子碰撞的基本物理出发,综合考虑了高能电子与背景等离子体之间的短程两体碰撞过程和长程集体效应,建立了相对论Fokker-Planck动理学模型,通过采用球谐展开的方法,推导得到了适于数值求解的方程形式并根据方程特点开展相应的数值算法研究及程序研制并完成了物理考核,对快点火能量沉积的典型物理算例进行了模拟研究,并针对即将在神光Ⅱ升级装置上开展的快点火物理实验进行了初步的物理分析。激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布
摘要：通过理论分析和LARED多群辐射输运模拟研究了激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布特点。研究发现,黑腔辐射温度角分布主要决定于光斑区与非光斑区的对比度、视野中光斑区的面积比例,以及体发射的份额。激光二维光环排布下黑腔辐射温度角分布与二维LARED模拟结果非常一致。研究还发现,二维的LARED模拟能够有效地用于研究神光Ⅲ原型黑腔实验中三维光斑排布下的辐射温度角分布。通过缩小FXRD测量面积能够有效地提高黑腔辐射温度随角度的变化,从而降低辐射流测量误差对辐射温度角分布的影响。ICF点火靶定标关系与稳定性优化设计研究
摘要：激光等离子体相互作用（LPI）和瑞利-泰勒流体不稳定性（RTI）是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系,提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计,为LPI和RTI提供需要的裕量空间,是点火阈值因子（ITF）的补充。X射线高空间分辨多色显微成像系统研制及应用
摘要：在激光间接驱动惯性约束聚变（ICF）领域中,获得具有极高空间分辨率（优于5μm）的X射线辐射图像,是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez（KB）显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备,目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究,在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展,研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中,为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究
摘要：总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流（1.6-4.4keV）份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究
摘要：激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。神光Ⅱ装置上辐射驱动瑞利-泰勒不稳定性实验
摘要：在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验,获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像,特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像,观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程,二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库,对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究
摘要：与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30g/cm3和50mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。兼容多波长及多脉宽输出的频率转换系统设计
摘要：通过对多种频率转换方案的深入对比分析,设计了一套兼容多波长及多脉宽高效输出的频率转换系统。采用＂Ⅱ＋Ⅱ＂类双晶体级联的方式,可以实现＂偏振失配＂三倍频和Ⅱ类双晶体正交级联二倍频两种模式间的快速切换。通过数值模拟程序优化了晶体构型,结果表明,当两块晶体厚度均为10mm时,可以兼顾低功率长脉冲和高功率短脉冲对效率和稳定性的需求。
