激光辐照碳纤维温度均匀性仿真分析

为解决激光辐照碳纤维温度不均匀引起的石墨化不均匀、模量差别大的问题,利用COMSOL软件建立了高斯与平顶激光辐照碳纤维热传导-热对流-热辐射的仿真模型,对比分析了高斯光强和平顶光强激光辐照碳纤维的升温特性以及温度分布,研究了不同激光辐照下,碳纤维的表面、截面温度分布以及达到烧蚀温度后碳纤维的烧蚀情况。实验结果表明:平顶激光辐照碳纤维的表面、截面温度分布较高斯激光更均匀,整体温差更小;不同激光辐照碳纤维的烧蚀深度呈线性变化,并且平顶激光辐照碳纤维的烧蚀速率更小。因此,平顶激光相较于高斯激光可控性更高,辐照碳纤维的温差更小,使其石墨化程度更均匀。

实验室研究等离子体鞘套测量方法和干预技术

航天飞行器再入大气层时,由于激波加热和热化学防护材料的烧蚀等原因,会在飞行器表面形成致密的等离子体鞘套,从而造成无线电通信信号中断。因此,减轻和消除黑障对飞行器测控安全至关重要。为了解决该难题,本文针对性地发展了适用于等离子体鞘套测量的探针设备和主动干预的技术,并利用实验室等离子体进行了验证。首先,提出了一种静电-微波复合探针,基于探针和飞行器表面曲面共形的优势,可以实时、有效地探测黑障高温流场中的电子密度;进一步,发展了亲电子物质释放实验主动干预方法,地面模拟实验表明该方法可以有效地降低流场等离子体中的电子密度。

利用掺杂层研究磁化靶中的能斯特效应

双层磁化套筒靶在内层采用高原子序数(Z)材料,减少了因能斯特效应导致的磁通损失并降低点火要求,为磁化靶聚变提供了一种备选方案。然而,添加高Z材料也可能增加由于物质混合而产生的辐射损失。通过在金属套筒中使用带有塑料掺杂的锗作为高Z替代物,初步分析了磁场能斯特输运和物质混合对磁化套筒惯性聚变的影响。与单层套筒相比,双层套筒靶展示出温度和磁通的显著增加,从而使聚变产额提高了154%。将碳氢掺杂剂添加到最内层的锗中,模拟了物质混合对聚变产额的影响。研究结果表明,锗与CH混合,保持较低的混合比例,能够显著提高聚变产额。

扫描电镜原位激光加热与高温成像研究

扫描电子显微镜(SEM)原位研究材料高温组织与力学性能是近年来材料领域关注的一个重要方向,在扫描电子显微镜内进行原位加热实验可以直接揭示材料微观组织、力学性能与温度之间的关系。然而传统的电流加热方式在样品温度超过800℃时金属材料会释放出大量热电子,无法获得高质量图像。本研究开发了一种与SEM联用的激光加热台,该加热台使用激光作为加热源,可以对材料进行快速加热以及高分辨原位结构表征。本文详细介绍了激光加热台的设计原理并对加热台温度场进行有限元仿真模拟及分析,以镍基单晶高温合金为例,实现了1370℃原位高温成像,验证了该装置的主要功能。

共轴双脉冲激光诱导击穿光谱等离子体辐射信号的增强机制

双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)在痕量元素的高灵敏探测中发挥着重要作用,有关其信号增强机制已存在有诸多解释,但有必要进一步从等离子体辐射荧光特性、等离子体温度和数密度的空间分布等方面开展深入探讨。构建了基于激光热烧蚀和二维轴对称流体动力学的理论模型,并用它模拟了单脉冲LIBS和共轴双脉冲DP-LIBS激发条件下激光烧蚀铝镁合金产生等离子体及其辐照度的时空演化过程,对比了不同脉冲间隔下谱线强度的增强效果,分析了等离子体温度、各类粒子数密度的空间分布结构以及等离子体的屏蔽效应,并由此阐释了DP-LIBS的光谱信号增强机制。结果表明,共轴DP-LIBS诱导等离子体辐射信号的增强主要源于第二束激光增加了粒子数密度和等离子体温度,而等离子体的屏蔽效应主要出现在靶材表面的羽流层。这一研究为DP-LIBS实验研究和信号增强溯源提供了重要的理论基础,也能够帮助科研人员快速准确地优化DP-LIBS实验装置参数。

稠密等离子体焦点二维模拟

为了探究稠密等离子体焦点装置内等离子体层的运动规律以及相关设计参数的影响,利用自主开发的FOI程序对Mather型放电室结构下的等离子体层加速过程、焦点形成过程进行二维磁流体力学仿真,得到了与美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室可见光实验图像相似的结果。同时,研究了装置的不同充气气压、电流幅值、阳极半径和阴阳极间隙对等离子体层轴向加速过程和箍缩效果的影响。计算结果表明,等离子体层会以一定的弧度沿径向压缩气体,这是引起腊肠不稳定现象的原因之一;等离子体层的轴向运动速度与装置充气压力的平方根成反比,与施加的电流成正比,与装置的阳极半径成反比;增大电流的同时需要延长装置阳极的长度,使箍缩发生在电流达到峰值的时刻;阴阳极间隙的大小对阳极附近等离子体层的轴向运动过程影响不大。

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序(MARED)的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加。

快Z箍缩钨丝阵内爆物理研究

通过理论和实验研究了快Z箍缩电磁内爆动力学物理过程及其辐射特性,完成了1维和2维辐射磁流体动力学数值模拟程序。利用阳加速器、强光一号脉冲功率装置、S-300装置和Angara-5-1装置,开展了实验研究,发展了一系列观察Z箍缩等离子体辐射的诊断系统。研制了单层、双层钨丝阵及单层丝阵加聚氘乙烯芯等负载。重点研究了能量耦合和内爆动力学规律。

大气压射流等离子体中O及OH自由基的发射光谱在线诊断

OH自由基及氧原子在大气化学、表面处理及化学污染物分解等方面有着重要的作用。利用发射光谱技术在线测量了大气压射流等离子体中OH自由基紫外波段与O自由基777,844 nm波段的发射光谱。研究了OH自由基与氧原子光谱强度随放电功率及放电体系中所加入的氧浓度的变化。将实验测得的OH自由基光谱图与用Lifbase数据库模拟光谱图进行比较,估算了OH自由基的转动温度。结果表明:OH自由基的转动温度随放电功率的增加而增加,随工作气体流速的增加而减小。

激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展

在实验室实现聚变反应释放的能量大于点燃聚变反应所需能量的阈值是当今世界ICF研究的主要目标,实现这一目标仍需要深入研究一系列的关键物理问题。在ICF研究中,制靶能力的发展与提升至关重要,靶的质量是实验成功的核心要素之一。本文介绍了国际ICF靶制备工作近年来在新型烧蚀层材料靶丸、新型靶丸支撑技术、优化黑腔材料与构型以及减小燃料填充管直径等方面取得的一系列进展,并结合ICF物理需求,简要阐述了ICF靶的发展趋势。

ICF靶材料和靶制备技术研究进展

主要介绍了中国工程物理研究院ICF靶材料科学与靶制备技术在材料研究、靶丸制备技术、薄膜制备技术、精密微工艺及靶参数测量等方面的主要研究进展。在靶材料研究方面,近年相继研制成功全氘代聚苯乙烯(D-PS)有机材料、微靶掺杂和激光吸收与X射线转换金属纳米或团簇材料;探索了新型有机气凝胶储氢材料,开展了金属小团簇理论研究和纳米金属复合材料的研究工作。在靶制备技术与工艺方面,完成了PS单层、双层和三层塑料空心微球的研制工作;利用低温等离子体聚合涂层技术,建立了微球表面沉积纯CH薄膜以及金属掺杂CH薄膜的工艺和技术;在玻璃微球充氩技术研究中,开展了原子力扫描显微镜对玻璃球壳钻孔工艺研究以及粒子辐照改性充气技术研究,等等。

激光辐照金(Au)圆盘靶的二维数值模拟

简要描述了激光在等离子体中传播的三维光路方程的追踪解法 ,同时对电子热传导中的热流以及非平衡束缚电子占据概率速率方程组给出了一种简便解法 .应用这些方法和新近发展的LARED H程序 ,对激光辐照金(Au)圆盘和圆环靶进行了二维模拟 ,给出了靶等离子体的合理的二维行为特征 .

高气压强电场电离过程中的离子浓度分布规律

研究了高气压强电场电离区域的离子浓度分布的连续性方程,对电离区域的电离物的产生、消失和输运进行了研究。通过采用电离放电增加了输入能量密度、G值、电离占空比等,从而提高了离子产生率。通过外加电场和离子“雪崩”头部的本征电场的叠加作用,离子被束缚在放电通道中。对离子施加垂直电场方向的作用力,就能把电场中的等离子体成束输送出去。已经能够做到有效体积仅为1cm3的等离子体源,输运等离子体率达到1012cm-3.s-1。

HVAF和HVOF喷涂WC-CoCr涂层的组织性能对比

WC-CoCr涂层的组织结构和抗冲蚀性能主要取决于喷涂工艺。采用活化燃烧-超音速火焰喷涂(HVAF)和传统超音速火焰喷涂(HVOF)2种工艺喷涂WC-CoCr涂层,并对这2种WC-CoCr涂层的组织结构和抗冲蚀性能进行对比。结果表明:HVAF涂层孔隙率为0.2%,而HVOF涂层孔隙率为2.3%,与HVOF相比,HVAF涂层具有较低的孔隙率及表面粗糙度,涂层组织结构更均匀;HVAF过程中,WC颗粒在沉积过程中破碎,WC颗粒细小,HVAF焰流中WC的分解程度弱于在HVOF焰流中的分解程度;HVAF涂层平均硬度达到1 450HV0.3,在15°攻角下,其抗冲蚀阻力比HVOF涂层提高了59.4%,比0Cr13Ni5Mo基体提高了104.1%;90°攻角下,HVAF涂层的抗冲蚀阻力比HVOF涂层提高了16%。

激光打靶过程中的电磁脉冲特性

为诊断激光打靶产生的电磁脉冲信号分布,选取环天线作为主要电磁脉冲信号采集装置,对靶室内外信号同时进行测试。从天线设计制作到天线标定,描述了脉冲诊断系统的搭建。通过对信号进行采集及处理,对比分析了靶室外、法兰口及靶室内脉冲信号的频域特性和强度。得出靶室内受到电磁脉冲辐射强度最大且频谱分布最广,其次是法兰口,靶室外电磁脉冲信号最弱。总结多次激光打靶电磁脉冲信号频域分布,可看出波峰主要出现在0.5,1.2,3GHz。电磁脉冲时域结果规律性展示出脉冲持续约100ns,因靶室内回波振荡,电磁脉冲信号于几ns处及几十ns处有较明显峰值蔟。

强光一号Z箍缩产生keV级特征X射线初步研究

分析了高功率Z箍缩产生keV级特征X射线辐射的物理机理和用于计算等离子体K层辐射二能级模型,给出了采用二能级模型进行数值模拟的结果,描述了强光一号装置驱动Z箍缩负载的脉冲功率源特性参数,介绍了所设计研制的双层喷Ne气和双层铝丝阵两类Z箍缩负载的结构与参数,并对下一步拟开展的实验研究工作进行了说明。利用特制真空X射线二极管测量了强光一号双层喷氖气Z箍缩实验产生的X射线波形,实验结果表明,当气室内初始气压在0.8 MPa时,喷Ne气Z箍缩可获得较好的keV量级的X射线辐射。

ICF内爆压缩X光成像过程数值模拟

基于定态局域热动平衡辐射输运方程求解和光线追踪方法,编制了X光成像后处理程序,能够数值再现ICF内爆压缩X光成像过程。将该程序用于神光Ⅱ装置间接驱动内爆物理的理论设计和实验数据分析。模拟结果表明:燃料区压缩后的尺寸、燃料区掺Ar和内壳层涂S两元素特征谱线发光时序及发光持续时间等过程,后处理方法结果与诊断测量数据基本符合。

同轴相对论返波管中波束作用过程

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型,采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关,而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计,利用500 keV,4.0 kA电子束流,微波起振时间为7 ns,输出效率大于38%,与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到,与空心相对论返波管相比,同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

在拉格朗日坐标系下,建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组,并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟,得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。