基于光纤光源的积分球内氘氘冰层红外均化设计

惯性约束聚变实验要求低温靶的冰层均匀性小于1μm。针对高均匀全固态氘氘冰层均化时缺乏β衰变热的问题,提出了基于光纤光源照明的积分球红外光均化方案。采用光线追迹耦合温度场的仿真技术,数值研究了光源位置以及入射角度对低温靶温度场的影响规律。研究结果表明,当红外光源功率为2.25 mW,入射位置Z=-7.3 mm,水平旋转角度为157.5°,冰层平均体加热率为24000 W/m3时,能够使冰层内表面最大温差满足0.1 mK的要求,满足冰层均化所需的温度场要求。本研究为后续进行基于积分球系统的红外均化低温靶制备实验提供了理论指导。

ICF平面低温冷冻靶系统的初步设计及应用

利用Gifford-McMahon(G-M)制冷机提供低温源,研制了平面低温冷冻靶系统。该系统最低温度可以达到10 K,制冷功率随温度降低而降低,制冷速率可控。其中,在18.6 K其制冷功率可以达到6.5 W;在14 K其制冷功率为3 W。利用该系统,初步开展了氩、氢的冷冻实验,并研究了温度对激光惯性约束聚变靶丸结构的影响。获得了氩、氢平面低温冷冻靶,并观察到了低温诱导聚变靶丸形变现象。

ICF冷冻靶燃料冰层原位表征技术

背光阴影成像是表征ICF冷冻靶燃料冰层的有效方法。基于背光阴影成像技术,冷冻靶燃料冰层原位表征技术能原位实时监测靶丸内燃料气体相变与冰层均化过程,得到打靶零前时刻燃料冰层厚度和粗糙度信息,为物理实验提供准确参数。在冷冻靶制备实验中,根据背光阴影成像的光线追迹模型和实验测得的阴影图像中的亮环位置,计算得到了均化后冷冻靶中燃料冰层的厚度以及内表面粗糙度。

燃料均化过程中红外光体加热率控制模拟

通过光线追迹程序对红外光在黑腔中的传播进行模拟,得到红外光聚焦位置不同时靶壳和燃料的体加热率。模拟结果表明:当燃料冰层实现均化时,相比靶壳,燃料吸收了少部分红外光能量。靶壳和燃料的体加热率随着红外光在黑腔上的聚焦位置而改变,聚焦位置偏移量的增加,靶壳的红外光加热率峰值对应的高度角逐渐变大,而燃料的红外光体加热率逐渐变小。因此,通过改变红外光的聚焦位置对靶丸以特定的体积热率加热,从而达到燃料均化所需的温度场。

红外光热效应在球形冷冻靶燃料冰层均化中的应用

基于激光惯性约束聚变对冷冻靶燃料冰层质量的要求和红外光热效应原理,研究了红外光对球形冷冻靶燃料冰层结构和空间分布的影响。研究结果表明:在波长为3140nm,输出功率为100μW的红外光辐射加热作用下,冷冻靶燃料冰层在结构上逐渐由多晶向准单晶转变,在空间分布上逐渐变得均匀,其光学图像上的表现为出现了背光亮环。通过对亮环的分析计算,获得了其冰层的均方根粗糙度值。

定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响

惯性约束核聚变成功的关键之一在于靶丸内要形成均匀的燃料冰层,靶丸外表面温度特性对惯性约束聚变低温靶内形成均匀的燃料冰层有着决定性的影响.为使得靶丸外表面温度场尽可能均匀,需采用定向红外的方式对靶丸外表面温度进行局部调控.采用全三维低温靶物理模型,建立定向红外光路追踪与温度场计算耦合计算的光热耦合数值模型,研究了定向红外条件下光纤布置形式及光源参数对低温靶温度场的影响规律.结果表明:在光纤总功率不变的前提下,光纤数量越多,靶丸外表面温度场均匀性越好.光纤数量小于等于2时,靶丸外表面温度场无法得到明显改善;光纤数量大于2时,靶丸外表面最大温差和加权温差降低幅值极限为61.94%和76.33%.光纤投射的光斑向南北两极适量偏移可以改善靶丸外表面温度场均匀性,其他的偏移方式会恶化温度场均匀性.

冷冻靶系统中半腔式与全腔式TMP的温控特性数值研究

在惯性约束核聚变实验中,为了保证良好的温控效果,TMP套筒上的温度分布需要良好地映射至金腔表面。本文分别对半腔式和全腔式TMP进行数值仿真,研究了氦气压力、凸环宽度和加热带功率等因素对TMP温控效果的影响。结果表明:在相同热边界载荷下,相比于全腔式TMP,半腔式TMP可以实现更大的温度调控范围,具有更好的温控效果;增加腔内氦气压力在一定程度上可以改善TMP的温控效果,但改善程度很小;增设凸环可以明显改善TMP温控效果,且随着凸环宽度的增大,TMP的温控效果随之增强;随着加热带功率的增大,半腔式和全腔式TMP内的金腔内表面最大温差的增速分别为0.38、0.25 K/W,表明半腔式TMP对加热带功率变化更加敏感,具有更好的温控效果。

液氢平面低温冷冻靶的红外吸收谱

利用自主研制的平面低温冷冻靶系统和低温红外光谱测量系统,测量低温条件下液态氢的红外吸收谱,得出基频Q1(0)吸收峰位在4237.3cm-1处,随着温度从19.75K降到16.75K,吸收峰位几乎没有发生移动,而吸收增强.基于量子力学的非简谐近似,研究了氢分子的振动频率,得出H2的红外吸收频率与实验结果值一致.

红外光诱导氘氘固体再分布的研究

研究了红外光辐射诱导氘氘(DD)固体空间分布变化的内在机理,探讨了红外光波长和辐射时间对固体冰层空间分布变化和结构的影响.研究表明:在特定波长红外光的辐射加热作用下,DD固体冰层的结构呈现出由多晶向单晶变化的趋势,其空间分布变得均匀、透明.有效的红外光加热波长为3140 nm,在其输出功率为100μW时,DD固体的再分布时间约为18 min.