PDF《激光脉冲参数对冲击点火的影响鄢》

物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园苑 M圆园员员 中国物理学会 悦澡蚤灶藻泽藻 孕澡赠泽蚤糟葬造 杂燥糟蚤藻贼赠 摇 澡贼贼责院辕 辕 憎怎造蚤曾遭援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶 园源缘圆园苑鄄员 摇摇摇摇激光脉冲参数对冲击点火的影响鄢 袁摇 强员冤圆冤 摇 胡东霞圆冤 摇 张摇 鑫圆冤 摇 赵军普圆冤 摇 胡思得员冤 摇 黄文会员冤 摇 魏晓峰圆冤L 员冤渊清华大学工程物理系袁北京摇 员园园园愿源冤 圆冤渊中国工程物理研究院激光聚变研究中心袁绵阳摇 远圆员怨园园冤 渊圆园员园 年缘月员怨 日收到曰圆园员园 年远月员苑 日收到修改稿冤 摇摇针对激光脉冲参数对冲击点火的影响进行理论分析和数值模拟援 首先从冲击波的产生和碰撞过程出发袁理论 分析冲击脉冲峰值功率尧脉宽和上升沿时间对点火的影响曰然后通过数值模拟袁以点火时间窗口作为评价标准袁验 证理论分析结果援 研究表明院冲击脉冲峰值功率是点火成败的关键因素之一袁脉冲宽度则需达到百皮秒以提供足够 的点火能量袁上升沿时间在小于 远园园 责泽 的情况下不会对点火造成明显影响援 关键词院 冲击点火袁激光冲击脉冲袁点火时间窗口 孕粤悦杂院 缘圆援 缘苑援原 扎袁 圆愿援 缘圆援原 泽 鄢国家高技术研究发展计划渊批准号院圆园园怨粤粤愿园源源园圆源冤 和国家自然科学基金渊批准号院员园怨园源员猿圆冤资助的课题援 L 通讯联系人援 耘鄄皂葬蚤造院 曾枣憎藻蚤岳 糟葬藻责援 葬糟援 糟灶 员郾 引言冲击点火是 月藻贼贼蚤 等人在 圆园园苑 年提出的一种新 型惯性约束聚变渊陨悦云冤 点火方案咱员暂 援 该点火方案将 压缩与点火分开袁主要可分为两个物理过程援 首先袁 聚变燃料在内爆速度较低渊圆园园要猿园园 噪皂窑泽 原员冤的条 件下袁由长激光脉冲压缩靶丸曰然后袁在压缩的最后 阶段袁将一个强脉冲耦合到压缩脉冲的后沿袁形成 强的冲击波袁与靶中心区返回的冲击波在内壳层附 近对碰袁碰撞将极大的提高内壳层附近的燃料密 度袁碰撞产生的强冲击波继续向中心区传播袁提高 中心区的温度和压强袁达到点火条件袁实现点火援 冲击点火不仅具有快点火咱圆要缘暂 高增益尧低能量 阈值和好的流体力学稳定性等优点袁还具有中心点 火咱远袁 苑暂 结构简单尧无需拍瓦激光装置的特点援 该方案 一经提出便引起了广泛的关注袁是当前激光聚变领 域研究的热点和前沿咱愿要员远暂 援 然而冲击点火概念新颖 和物理过程复杂袁还有很多问题未进行深入的分析 和研究援 本文研究激光脉冲参数对点火的影响还未 见有综合分析的报道曰已有研究的一些定性分析观 点也存在问题袁如 孕藻则噪蚤灶泽 等人咱怨暂 认为院冲击脉冲上 升沿时间需小于 员园园 责泽 才能满足冲击点火的要求袁 但本文研究发现上升沿时间在小于 远园园 责泽 的情况 下并不会对点火造成明显的影响援 本文主要针对激 光脉冲参数对冲击点火的影响进行理论分析和数 值模拟援 首先从冲击波的产生和碰撞过程出发袁理 论分析冲击脉冲峰值功率尧脉宽和上升沿时间对点 火的影响曰然后通过数值模拟袁以点火时间窗口作 为评价标准袁验证理论分析结果援 圆郾 理论分析 摇摇冲击波对碰是实现冲击点火的关键所在袁它主 要在两方面对聚变过程产生了影响院第一袁在燃料 停滞之前通过碰撞增加了壳层的密度曰第二袁通过 碰撞增压及碰撞产生冲击波的传播袁增加热斑压 强袁降低了点火能量援 其影响的大小由点火冲击波 的加载时间和驱动能量决定袁而点火冲击波又和激 光冲击脉冲直接相关援 下面将以冲击波的产生出 发袁理论分析冲击脉冲峰值功率尧脉宽和上升沿时 间对点火的影响援 激光辐照靶物质时袁在靶面上形成等离子体袁 电子密度低于临界密度的区域称为电晕区援 在这一 区域中袁通过逆轫致吸收等过程袁入射激光的能量 被等离子体吸收袁电子温度高达几百电子伏特援 这 些电子做热运动时袁一部分迎着激光入射方向朝真 空飞散袁一部分沿着激光入射方向穿过临界密度面 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园苑 园源缘圆园苑鄄圆 摇摇摇摇与固体靶物质相互作用袁使靶物质熔化尧电离袁形成 烧蚀区援 靶物质一旦被烧蚀袁又向真空高速飞散袁由 于动量守衡袁在烧蚀面上产生一系列指向靶内的压 缩波援 在入射激光持续时间内袁这些指向靶内的压 缩波不断追逐尧叠加和增强袁形成冲击波援 不难理 解袁冲击波压强与辐射烧蚀的压强是直接相关的袁 而烧蚀压又与激光吸收功率密度尧波长以及靶材料 相关援 假定激光加热的主要机理是逆轫致吸收袁激光 能量沉积在临界面曰对于高 在 介质袁电子烧蚀深度 为 滋皂 量级袁可作定态假定援 于是电子烧蚀区的流体 力学方程组可以写为 鄣 鄣曾 籽怎 越 园袁 渊员冤 鄣 鄣曾 渊籽怎圆 垣 孕冤 越 园袁 渊圆冤 鄣 鄣曾 猿圆祝籽栽怎 垣员圆籽怎猿 垣 孕怎 原 运栽缘 辕圆鄣栽 鄣曾 ( ) 越 园援 渊猿冤 其中袁 籽袁怎袁孕袁栽袁运 分别是密度尧速度尧压强尧温度和 热传导系数援 祝越渊在忆 垣 员冤砸 辕 滋袁 其中 砸袁滋 和 在忆 分别 表示气体普适常数尧克原子量和物质的平均离化 度援 利用临界面条件袁对渊员冤和渊圆冤式积分可得 籽怎 越 籽糟 怎糟 袁 渊源冤 籽怎圆 垣孕越籽糟 怎圆 糟垣孕糟 袁 渊缘冤 下标 糟 表示的是临界面上的值援 临界密度为 籽糟 越 员园怨 在忆灶蚤 员 姿蕴 ( ) 圆袁渊远冤 其中袁 灶蚤 和 姿蕴 分别表示单位质量的离子数密度渊以 员园员圆 早原员为单位冤和激光波长渊以 滋皂 为单位冤援 假设 在离化介质中袁理想气体方程状态方程仍然适用袁 于是压强可以用等温声速 悦 来表示 孕越祝籽栽 越 籽悦圆 援 渊苑冤 摇摇根据渊缘冤式可以看出袁要知道烧蚀压袁必须得到 临界面的速度和温度袁以及烧蚀面的速度和密度援 下面来确定临界面的速度和温度袁由渊员冤袁渊圆冤 和 渊苑冤式可以得到如下方程院 鄣怎 鄣曾 越原祝怎员原祝栽 怎圆 ( ) 鄣栽 鄣曾 袁 渊愿冤 酝越员圆怎糟 垣 祝栽糟 怎糟 祝栽 依 怎糟 垣 祝栽糟 怎糟 祝栽 ? ? ? ? ? ? 圆原源????????袁渊怨冤 这里的 酝越怎辕 祝栽 是等温马赫数援 方程渊愿冤表明袁 当马赫数 酝越员时袁流变成奇异的袁声点不能跨越定 态烧蚀区援 电晕区的物质流速度都是超声速的袁定 态烧蚀区的物质 流是亚 声速的援 显然只有 怎糟 越 祝栽糟 才能使等温稀疏波在临界面与定态烧蚀流光 滑连接援 根据渊怨冤式又可得袁随着温度的降低袁马赫数 也减小袁接近固体边界时袁流速趋于零袁温度也趋于 零袁所以烧蚀面的物质流速可近似认为为零援 临界面 的速度可以通过临界面的温度来确定袁而温度仍然需 要通过能量守恒来确定援 为了确定 栽糟 袁 需要考察热流 在临界密度附近的行为援 忽略有质动力袁密度和速度 通过临界面时是连续的袁另外由于热传导很大袁所以 温度通过临界面也是连续的援 只有温度梯度是间断 的袁因为在临界面上有激光能量的沉积袁并在此反射袁 临界面处有如下流守恒条件咱员苑暂 院 运栽缘 辕圆糟鄣栽 鄣曾 曾原糟原鄣栽 鄣曾 曾垣糟()越陨葬 越 源籽糟 悦猿 袁 渊员园冤 其中 陨葬 是吸收的激光功率密度援 根据渊远冤和渊员园冤式 便可确定临界面的温度 栽糟 越 陨葬 源籽糟 ? ? ? ? ? ? 圆辕猿员祝越陨葬 姿圆 灶蚤 在忆 源伊员园怨 ? ? ? ? ? ? 圆辕猿员祝援渊员员冤 摇摇临界面温度定标已知袁由方程渊缘冤 便可确定烧 蚀压的定标关系 孕粤 越 圆籽糟 悦圆 越 圆籽糟 陨葬 姿圆 灶蚤 在忆 源伊员园怨 ? ? ? ? ? ? 圆辕猿越圆伊员园猿 渊灶蚤 在忆冤 原员辕 猿 陨葬 源姿 ? ? ? ? ? ? 圆辕 猿援渊员圆冤 摇摇冲击波的波后压强等于烧蚀压袁由上定标关系 可以看出袁在驱动激光波长一定的情况下袁要产生 强的冲击波与返回冲击波对碰袁以提高燃料密度和 中心区的温度袁点火脉冲峰值功率是关键因素援 冲 击脉冲峰值功率越高袁产生的冲击波压强越高袁碰 撞将更加有效袁更有利于点火的实现援 另外激光直 接驱动的冲击波会历经增强尧大体保持稳定和衰减 三个阶段袁冲击波的传播速度相应地呈现加速尧基 本稳定和减速三种状态援 为了使冲击波保持一定的 时间袁冲击脉冲必需具有一定的宽度袁否则点火冲 击波将很快衰减袁以致耦合到中心区的能量不足以 点燃靶丸袁所以冲击脉冲宽度也是冲击点火成功的 关键之一援 上升沿时间的变化袁将影响冲击波的形 成袁冲击波的将经历不断追逐尧叠加和增强的过程袁 如果上升沿时间不是太长袁只要合理控制冲击脉冲 的加载时间袁在碰撞前使点火冲击波压强达到峰值 功率对应的烧蚀压袁则不会影响点火的实现曰但上 升沿时间过长袁过渡时间也将很长袁如果在返回冲 击波到达内壳层时袁点火冲击波还不能有效的形成 并传播到内壳层袁碰撞效应将减弱袁则会对点火造 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园苑 园源缘圆园苑鄄猿 摇摇摇摇成较大的影响袁有可能无法点燃靶丸援 猿郾 模拟结果与分析 摇摇冲击脉冲参数对点火的影响较上述理论推倒 要复杂得多袁必须通过辐射流体力学模拟对该物理 过程进行更加深入的研究援 模拟利用辐射流体力学 程序 酝怎造贼蚤 进行袁酝怎造贼蚤 是一个基于 蕴蚤灶怎曾 操作系统 的辐射流体力学程序袁由 砸葬皂蚤泽 等人开发完成袁可以 进行 员 维和 圆 维的流体力学模拟咱员愿袁 员怨暂 援图员为数值模.

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