ICF激光装置的任务可用性模型和分析方法

梳理任务可用度的基本模型,构建装置执行任务的过程类型和时间模型图,体现任务时限和修复时限的要求,以此给出装置单次任务可用性评价模型;选用曲线拟合和拟合优度检验方法,考虑修复对任务影响程度差异及其发生概率,建立装置多次任务可用性评价模型、评价方法及分析步骤,为系统地开展惯性约束聚变激光装置可用性评价提供一般模型和方法。通过对神光-Ⅲ原型装置使用可靠性数据处理和分析,验证提出的模型和分析方法的正确性和经济性。研究成果将直接应用于神光-Ⅲ主机装置的可靠性工程建设中。

ICF激光驱动器间接驱动兼顾直接驱动打靶角度的优化设计

为了增加ICF激光驱动器的灵活性,使其可满足多种聚变点火方式,激光驱动器激光打靶角度的优化设计应以间接驱动为主,同时兼顾直接驱动。以神光Ⅲ主机装置为例,基于已有的间接驱动激光打靶角度设计,用球谐模和三维辐照场方法,完成了兼顾直接驱动打靶角度的优化,结果表明优化设计的打靶角度可实现小于1%的球靶表面辐照均匀性。同时分析了激光参数对辐照性能的影响,并获得了满足直接驱动要求的陡边小焦斑设计。

ICF装置光束定位的结构稳定性设计

激光驱动ICF装置的甚多束激光在打靶过程中需要高精度定位于靶面,这就要求可以改变光束着靶点位置的光学元件满足定位误差指标要求。首先介绍光束定位误差分解方法,在光束对准过程中和打靶前,在多源激励作用下能改变光束着靶点位置的光学元件需要评估其支撑系统的稳定性设计,发展了光学元件稳定性指标分解方法用于其支撑系统的稳定性评估。从基频、环境随机振动、模态阻尼的角度讨论了支撑系统振动稳定性设计思路。光学元件的通用支撑系统采用大而重的钢筋混凝土和钢结构的混合结构,钢筋混凝土保证光学元件稳定性的同时,钢结构提供结构设计的灵活性。采用有限元技术分析光学元件在宽频环境随机振动作用下的响应,评估支撑系统的振动稳定性设计。描述了神光III宽频环境随机振动和光束定位误差的测量,测量结果表明神光III支撑系统满足设计要求,该技术能应用于激光驱动ICF装置支撑系统的设计。

ICF激光装置靶定位系统运动学耦合问题研究

靶定位系统是惯性约束聚变(Ignition confinement fusion,ICF)激光装置靶场系统的重要子系统之一,但在调靶过程中表现出运动学耦合现象。为了解决此问题,建立靶定位系统的运动学模型,给出靶定位系统产生运动学耦合现象的理论解释,提出一种实用的、与靶的类型无关的'增量式'位姿调整方法,给出该调整方法中必需的一个姿态矩阵的辨识方法。考虑实际靶定位系统中靶传感器的测量能力和六自由度并联机械手的定位能力这两个关键方面的约束条件,对姿态矩阵辨识方法和'增量式'位姿调整方法进行仿真验证。仿真结果表明,'增量式'位姿调整方法不仅有效地解决了靶定位系统的运动学耦合问题,而且能够在靶的期望位置增量不超过一定值(如2 mm)时保证很高的位置控制精度。

脉冲激光气相沉积技术及其在ICF薄膜靶制备中的应用

在ICF实验及天体物理的辐射不透明实验中,经常用到多层薄膜靶,激光脉冲气相沉积(PLD)技术是制备多层薄膜靶的较好方法。论述了PLD技术的原理、实验方法和装置的设计,用该方法初步制备了原子级光滑的Cu及Cu Fe薄膜。Cu薄膜的均方根粗糙度为0.2nm,Fe薄膜的均方根粗糙度为0.4nm。

ICF固体激光驱动器前级系统中的脉冲整形

本文就国内外ＩＣＦ固体激光驱动器前级系统脉冲整形方案进行了综述，并报导了我们 实验室关于脉冲整形的最新进展．

利用集成光学调制器实现ICF固体激光驱动器中激光脉冲任意整形 Ⅱ.集成光学调制器

本文利用集成光学和光纤技术制作了集成光学调制器，驱动调制器的电压仅为４伏，配之以高稳定的、ＬＤ泵浦的单纵模振荡源和任意整形电脉冲源，大大提高了ＩＣＦ固体激光驱动器前级整形系统对激光脉冲整形的稳定性和灵活性．

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。

推动激光聚变点火实验研究和关键技术

2021年8月8日,国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)上获得1.3 MJ能量产出,首次达到MJ量级。这一进展使激光聚变研究接近美国国家科学院和国家核安全管理局定义的点火门槛,极大地鼓舞了激光聚变领域的研究人员。此次实验取得的成果取决于过去几年整个NIF研究团队的努力,包括理论和数值模拟、诊断技术、制靶技术、黑腔、靶壳以及填充管相关技术。调研了NIF上聚变点火的发展进程,梳理了美国过去十年为推动惯性聚变研究发展在实验和相关技术方面所作的努力,以期对中国激光聚变研究提供参考。

ICF低温冷冻靶制备技术进展

综述了激光惯性约束聚变研究中的低温冷冻靶的各种制备方法。

利用集成光学调制器实现ICF固体激光驱动器中激光脉冲任意整形 I.任意整形电脉冲发生器

本文利用ＧａＡｓ场效应晶体管电压控制电流和开关特性成功研制了任意整形电脉冲发生器，该整形电脉冲发生器的每个基元电路产生的基元电脉冲形状和宽度与加在栅极的触发信号相同，幅度由加在ＧａＡｓ场效应晶体管上的负偏压决定，各基元电路产生的用于叠加的基元电脉冲相互独立，使计算机控制栅极偏压进而控制整形电脉冲的形状成为可能．

应用于ICF等离子体诊断系统的长焦深光学元件设计

针对惯性约束聚变激光等离子体诊断系统的特殊需求．提出采用对数型轴锥镜来实现长焦深功能，并采用超高斯边缘匀滑、中心切趾及选择合适的器件参数等方法优化了长焦深器件的性能。模拟实验证明，为了得到满足要求的长焦深、小焦斑、小旁瓣和均匀的轴上及横向光场分布的聚焦光束，对数型轴锥镜的焦深应为3～5mm；元件中心须采用切趾，而且切趾半径应为15～60mm；元件边缘宜采用5阶超高斯匀滑。设计出焦深长达3mm、轴上光强均匀、旁瓣峰值小于中心强度的2％且横向光斑较均匀的长焦深器件，可以满足激光等离子体诊断的要求，并用菲涅耳衍射积分对该元件光场的模拟实验验证了该方法的可行性。

ICF同步触发信号传输的可靠性研究

为提高惯性约束聚变(ICF)装置同步触发信号传输可靠性,收集、整理了该传输系统的故障,并将故障模式、影响和危害性分析(FMECA)方法应用到同步触发信号传输系统,故障模式危害度最高的两类故障为同步触发信号时序漂移和同步触发信号受到干扰,并在此基础上提出了相应的改进措施,开展了可靠性验证试验,试验研究结果表明,该方法将原型装置同步触发信号传输的可靠性成功地提高至平均无故障发次大于1 256发,并为ICF激光装置的可靠性研究提供了一种可行、有效的方法。

新一代ICF固体激光驱动器和光束质量研究的进展

本文报道了第三届国际年会上新一代惯性约束聚变固体激光驱动器研究的进展。对于激光光束质量和光束传输有关的重要概念也作了分析。

我国ICF激光装置研制系统方法论解析

按照系统科学观点,ICF激光装置应归类为复杂巨系统,具有一般复杂系统的典型特征;我国ICF激光装置研制符合典型的系统工程实践,包含系统工程方法论的一般应用,以及基于我国宏观系统环境特点的综合集成方法论的独特探索。系统方法论是这个实践的灵魂。基于战略发展需要,应建立我国ICF激光装置系统工程管理框架与规范。

应用于ICF的大动态软X射线扫描相机

软X射线扫描相机是激光聚变研究中不可替代的重要诊断工具.为满足中国激光聚变研究装置的应用需求,本研究研制一台应用于惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)的软X射线扫描相机.相机具备模块化结构,便于安装、拆卸、更换和维修.通过以太网连接内嵌PC104可以实现远程控制功能,相机具备自主监测运行状态、主动报警及自我保护功能.通过电磁屏蔽等技术措施提升了相机抗强电磁辐射的能力.引入外部时标光作为时间基准,相机具备扫速校准功能.测试结果表明,该相机时间分辨率达5 ps,空间分辨率大于20 lp/mm,动态范围达2 237∶1,性能优良,满足现阶段激光聚变研究的应用需求.

惯性约束聚变束靶耦合的监测及精度分析

为了提高惯性约束聚变实验中高功率激光驱动装置束靶耦合的精度,介绍了几种束靶耦合监测方法,包括靶室外直接监测,靶室内直接监测,靶室内基于共轭原理的传感器监测等。分析了各种方法的优缺点,并重点对基于光学共轭原理的传感器的耦合精度进行了研究,分析了图像测量误差,CCD保护玻璃引入的误差,调焦导轨运动时引入的误差及传感器标定装校时引入的误差。实验测试及精度分析表明,共轭式传感器引入的束靶耦合误差为±10μm。采用这种基于光学共轭原理的传感器,可以实现大型激光驱动装置的快速、高精度束靶耦合。

惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展

介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作。综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展。文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长。描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜)。最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术。文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力。

金属化膜脉冲电容器可靠性研究

高储能密度金属化膜脉冲电容器是一种高可靠性、长寿命的器件,在短时间内很难得到它的失效数据,因此无法采用基于失效数据分析的传统可靠性分析方法来研究其可靠性。金属化膜脉冲电容器的失效是退化型失效,根据其失效机理,给出了电容器容值退化失效模型,依据该模型和电容器的容值退化数据,对该型电容器进行了可靠性研究,该型电容器的平均寿命为21165次充放电,其第10000次充放电时的可靠度为0.9454。在工程实践中使用该模型对该型电容器进行可靠性分析可以节约大量的试验成本。

神光Ⅲ主机装置预放系统能量平衡与稳定性分析

基于SG-Ⅲ主机装置预放系统,提出一套预放系统能量平衡方案,实现了对预放系统输出能量的精确控制。装置运行实验结果表明,预放系统的能量平衡控制精度达到5.47%。通过对影响预放系统输出能量平衡各项因素的定量分析,指出影响预放系统能量平衡控制精度的主要因素是1Hz重频能量波动,而提高1Hz重频能量稳定性的关键在于控制前端系统注入偏振能量波动。