双锥对撞点火实验中的交叉束能量转移与背向受激布里渊散射

在直接驱动激光聚变研究中,激光辐照靶丸会激励起受激布里渊散射(SBS)和交叉束能量传递(CBET)等过程,降低激光与靶丸的能量耦合效率以及激光辐照均匀性,导致靶丸内爆品质下降.本文使用一套基于光纤收集信号的背向散射诊断系统,诊断了双锥对撞点火(DCI)实验中波长在351 nm附近的时间分辨背向散射光谱.通过对比不同激光辐照条件下散射光谱的特征,结合光谱强度与入射激光能量以及激光偏振态的相关性分析,确认背向散射信号中包含了分别来自CBET和背向SBS过程的散射成分,确认镜像激光束之间的偏振夹角对CBET的影响.实验结果表明,在当前DCI实验中,在351 nm附近的背向反射率不高于3%,显著低于球对称辐照直接驱动中心点火方案的实验结果.

超音速高密度喷流对撞过程中的高效能量转移

在双锥对撞点火激光核聚变方案中,两个锥口相距约100μm放置的金锥内氘氚球冠靶在高功率纳秒激光烧蚀驱动下,获得沿金锥的球对称压缩和加速,形成沿着金锥轴向的超音速高密度喷流,出射喷流在两个金锥的几何中心发生对撞减速并形成聚变密度等离子体.在对撞过程中,高速运动喷流的动能转化为内能,实现对等离子体的预加热,与此同时,皮秒拍瓦激光产生的高能快电子从垂直方向入射并加热高密度等离子体,使其快速升温达到聚变温度,实现聚变点火.2020年在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光联合实验室神光Ⅱ升级激光装置上,我们利用总能量为10 kJ的八路纳秒激光进行了两轮实验.实验利用包括X射线汤姆逊散射、硬X射线单色背光成像、X射线条纹和分幅成像等多种主动、被动诊断方法对超音速高密度喷流对撞过程进行了高时空分辨研究,实验测量发现,在单锥口形成的超音速等离子体喷流密度为5.5—8 g/cm^(3);在对撞过程中形成了阻滞时间约200 ps的高密度等离子体,中心密度达到了(46±24)g/cm3.通过对等离子的温度、速度的分析发现,对撞过程中动能到内能的转换效率高达89.5%.

高密度等离子体喷流高速对撞的二维辐射流体模拟研究

等离子体喷流对撞是天体物理和激光等离子体物理中常见的流体力学现象.构建对撞等离子体状态和喷流初始条件的流体定标关系,对于相关实验的物理设计和数据分析具有重要意义.本文采用最新升级的二维自由拉格朗日辐射流体模拟程序MULTI-2D,研究了高速(≥100 km/s)、高密度(≥10 g/cm^(3))条件下的喷流对撞过程.基于不同条件下等离子体喷流高速对撞过程的模拟数据,通过机器学习中的贝叶斯推断方法构建了描述等离子体喷流对撞过程的流体定标规律.研究结果表明:锥形等离子体喷流对撞易于形成等容分布的高密度等离子体;提高喷流的初始密度和速度,有利于提高对撞等离子体的密度和温度;提高喷流的初始温度,有利于提高对撞后的温度,但会降低对撞后的等离子体密度.当等离子体喷流的初始密度、温度和速度分别设定为15 g/cm^(3), 30 eV和300 km/s时,对撞后的等离子体密度可以达到300 g/cm^(3)以上,这对于双锥对撞点火方案中的快电子加热过程非常重要.

神光-ⅡU装置的SBS背向散射角分辨诊断系统

针对双锥对撞点火方案实验中的受激布里渊散射过程,发展了一套门控角分辨全口径背向散射诊断系统。设计了光纤阵列,对神光-ⅡU装置打靶伺服反射镜上的散射信号进行收集,利用其时间特性,通过相对测量的方式,获得了角分辨的背向受激布里渊散射能量份额,发现其角分布敏感依赖于激光在球壳表面的辐照模式,为深入研究双锥对撞点火方案中的受激布里渊散射过程提供了可靠的实验结果。