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ICF黑腔中靜電沖擊波動理學效應研究

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2019-12-22 訪問數:

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目前,以世界上最大的激光裝置:美國國家點火裝置(NIF)為依托的慣性約束聚變(ICF)點火實驗已經實現了顯著的a粒子自加熱,但是自持燃燒點火尚未實現。人們發現基于目前ICF領域最完善的輻射流體程序仍然難以完全預測實驗結果,例如實驗觀測到的面密度rR比流體模擬的面密度低10%~20%,近真空黑腔中熱斑芯部低階模不對稱性的實驗結果和流體模擬結果出現明顯偏差等等。黑腔中等離子體動理學效應是引起這種偏差的因素之一,ICF設計使用的輻射流體模型一般不包含動理學物理過程,這也是近期ICF領域的研究熱點。動理學效應一般發生在離子間碰撞平均自由程大于特征空間尺度的區域內,例如等離子體之間存在顯著的相互貫穿、擴散混合、界面電磁場、無碰撞沖擊波等現象。

動理學效應發生時間短、空間局域性強,實驗表征是極為困難的,相關理論模擬研究也非常缺乏。NIC點火失敗后,人們逐漸意識到對驅動不對稱性和黑腔物理認識的不足是間接驅動ICF沒有實現點火的主要原因,而腔壁等離子體與靶丸燒蝕等離子體/填充氣體等離子體之間的動理學效應可能與黑腔輻照對稱性調控、近真空黑腔內爆靶丸低階模不對稱性異常等過程直接相關,是迫切需要解決的難題。

1  利用DD反應中子表征動理學效應

1給出了間接驅動真空黑腔實驗示意圖,納秒激光從上下兩個注入孔注入Au腔,Au等離子體向外膨脹,同時Au腔驅動的X射線會輻射燒蝕位于中心的靶丸,靶丸等離子體與Au等離子體膨脹方向相反,最終會在中間區域相遇并發生動理學效應。我們在靶丸設計中采用了兩個創新性的方法:(1)將普通球殼靶丸改為實心CH球表面涂氘代GDP(簡稱CD)來表征動理學效應。實心CH材料可以完全排除內爆中子和流體力學不穩定性的干擾,通過CD涂層將D離子引入動理學效應區域,并利用D+D®He3+n(2.45 MeV)反應中子信息來表征動理學過程,由于能量為MeVDD中子穿透能力強,很容易穿過Au腔壁并被中子探測器探測,這就解決了動理學引起的微觀效應難以穿過腔壁被探測的難題。(2)改變CD涂層厚度獲得DD中子產額與動理學效應的依賴關系。實驗中采用輝光放電聚合技術實現了CD涂層厚度跨越兩個量級(0.3~20 mm),實驗發現中子產額隨著CD涂層厚度的增加呈現飽和增長的趨勢[2(a)],明顯偏離輻射流體RDMG模擬結果,這說明中子產生機理不是熱核反應主導。進一步實驗發現涂層為19 mm CD + 1 mm CH[2(a)C]中子產額相比涂層為20 mm CD[2(a)A]下降一個量級,證明了起主導作用的是動理學效應導致的DD束靶反應機制,而不是與Au\CD等離子體的離子碰撞加熱機制。此外,我們還利用塑料閃爍體大陣列測量了中子能譜[2(b)],半高全寬為282 keV,考慮到實測中子產額的約束條件,如此大的能譜展寬無法用熱核反應機制解釋,這進一步證明了動理學束靶反應機制的合理性。

ICF黑腔中靜電沖擊波動理學效應研究

為了解釋DD束靶機制的來源,我們首先利用輻射流體模擬給出腔壁Au等離子體和輻射燒蝕的CD等離子體相遇時的初始狀態,再利用粒子模擬程序(PIC)計算后續動理學過程。Au\CD等離子體界面存在較高的電子溫度梯度和電子密度梯度,最終會在CD等離子體中驅動靜電沖擊波,靜電沖擊波會反射界面附近等離子體中的D離子且能量達到幾十keV,這就是DD束靶反應中“D束”的來源,同時整個輻射燒蝕的CD等離子體自身提供“D靶”?;谑袡C制,我們細致計算了D離子在CD等離子體中輸運、能損,以及發生DD束靶反應的時空分布和中子能譜形狀,計算的中子產額和中子能譜分布都與實驗結果符合的非常好(見圖2中的曲線)。

ICF黑腔中靜電沖擊波動理學效應研究

2  質子照相表征動理學效應

黑腔里的電磁場結構復雜且由于腔壁的阻擋不利于診斷,為了找到靜電沖擊波存在的直接證據,我們創新性地設計了模擬黑腔的Au/CH平面靶對撞實驗,納秒激光只打Au平面,Au等離子體和輻射燒蝕的CD等離子體在中間區域相遇并驅動靜電沖擊波,并利用“神光”升級裝置的相對論皮秒激光打靶產生的高能質子束成功獲得了靜電場的時空分布。圖3給出了5.6 MeV質子照相的典型結果,可見沖擊波區域由于電場效應導致質子明顯被朝兩側排開。

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