激光聚变靶丸内球面缺陷共焦-干涉检测方法研究

激光惯性约束核聚变(ICF)是新能源获取、天体物理研究和激光模拟核爆的重要技术手段。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室在Nature Physics和其官网上多次报道指出:靶丸内球面缺陷是制约ICF点火成功的关键因素之一,但目前尚无实现其无损高分辨检测的有效手段。

激光聚变靶丸球度测量与评定

为了解决激光聚变靶丸表面形貌高精度测量与评定的难题,提出一种激光差动共焦靶丸球度测量与评定方法,该方法利用激光差动共焦测量系统的轴向响应曲线的过零点与其物镜焦点位置相对应这一特性实现对靶丸表面的定焦,通过将靶丸在两个正交的方向上分别旋转,测量并获取靶丸表面的数个截面,实现靶丸表面全形貌测量,利用最小区域球度评定算法,建立靶丸球度评定的三维模型,对靶丸表面形貌进行定量评定。搭建实验装置对靶丸表面进行采样测量,评定结果显示,该方法的测量重复性为0.15μm,为靶丸表面形貌测量与评定提供了一种可行方案。

激光聚变靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法

针对激光聚变靶丸表面3D全形貌的高精度测量与评价难题,提出一种基于激光差动共焦原理的靶丸球面经纬迹线优化球度测量方法。该方法采用经纬迹线划分方案提高形貌信息采样覆盖率,实现靶丸球面形貌高效高精度测量。首先,利用差动共焦测量系统对靶丸球面经纬迹线上二维圆周采样点进行精准定焦,获取二维轮廓信息;然后,利用精密三维位姿调整机构和正交回转轴系切换被测截面,获取覆盖靶丸全球面多条经纬迹线处的高度信息;最后依据建立的靶丸球面经纬迹线三维坐标转换模型,采用最小二乘算法对靶丸球度进行高精度评定,并对靶丸表面进行形貌重构。实验结果表明:测量57条迹线,被测靶丸的球度误差为1.946μm。该方法为靶丸表面全形貌高精度测量与评定以及定性观察提供了可行性方案。

激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统的研制

针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求,研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量,并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整;然后,系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转,利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置;最后,对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明,靶丸回转偏心的自动调整时间可达22s,当采样点分别为1 024,2 048及4 096时,靶丸内轮廓测量时间分别可达10,20及40s,且圆度测量标准差可达19nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。

激光聚变靶丸快速筛选方法与技术研究

为了从海量激光聚变靶丸中高效检测出符合激光核聚变试验要求的靶丸,提出一种针对靶丸流水式测量的快速筛选技术。所提技术利用机械臂控制显微镜逐一对待测靶丸放大并通过CCD成像,利用空间矩亚像素细分算法计算出靶丸的亚像素级轮廓信息,进行圆度评定,并根据圆度大小对靶丸进行筛选。通过机械臂和靶丸放置盘之间的三维运动配合,可遍历测量所有待测靶丸。经过理论及实验证明该方法空间分辨力优于0.51μm,可快速、精确地对海量靶丸进行初步筛选。

激光靶丸全表面检测与功率谱特征评价

本工作基于靶丸全球面测量的经纬迹线法,应用由原子力显微镜、精密回转气浮轴系及辅助转位轴系等组成的靶丸表面形貌测量系统,对直径0.34 mm的空心塑料靶丸表面进行了测量实验。实验选择了圆周9条经圆(间隔20°),每个经圆方向上纬圆间隔10μm,最大偏移20μm的方案,获取了靶丸全球面的经纬测量迹线,并对测量结果进行了模数-功率谱特征曲线和表面均方根粗糙度的分析。

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。

基于ICF平面低温冷冻靶系统构想的设计实践

本文通过对ICF平面地冷冻系统设计及性能进行简要介绍,并提出初步设计思想。并研制出平面冷冻靶系统,再对系统的应用进行探讨。利用ICF平面低温冷冻靶系统。获得氩、氢平面的冷冻靶,来观察低温诱导聚变靶丸形变现象。

激光核聚变

受控核聚变是人类未来取之不尽的干净能源。核聚变是太阳及宇宙中恒星的能源。氢弹的主要能量也是来自核聚变能。迄今为止,实现受控核聚变的途径主要有两条:一条是磁约束聚变(MCF);另一条是惯性约束聚变(ICF)。惯性约束聚变是利用高功率的脉冲能束(激光束或粒子束),直接或间接地均匀照射微型聚变靶丸,由靶面物质烧蚀喷溅产生的反冲力,使靶内的聚变燃料(氘氚)受到约束和压缩,迅速达到高密度(为液态氘氚密度的1000倍左右)和高温(1亿度左右),从而产生微型核爆炸,释放出聚变能。利用激光驱动来达到聚变条件。

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。

基于改进YOLO-V5深度学习模型的靶丸快速筛选方法

针对激光惯性约束核聚变实验中海量靶丸筛选效率低的问题,提出一种基于改进YOLO-v5深度学习模型的靶丸快速筛选方法。方法通过控制靶丸在不同的景深处成像,并将图像拼接在一起以获得其清晰图像;同时引入通道注意力机制来增强模型的特征提取能力,建立了SE-YOLOV5s深度学习靶丸表面缺陷识别模型,并对靶丸缺陷按照缺陷种类进行了分类和评估从而实现对海量靶丸的筛选。靶丸表面缺陷检测的准确率为94.4%,每秒可检测到约50张靶丸图像(分辨率3072×4096),为激光惯性约束核聚变试验提供一种快速、准确筛选海量靶丸的方法。

分步加压法测量薄壁空心玻璃微球的耐压能力

根据空心玻璃微球 (HGM)耐内、外压能力与玻璃强度及形状因子的关系 ,用分步加压法测量了直径为 3 5 0～ 5 5 0μm,壁厚小于 1 .1μm的 3种配方 HGM的耐内、外压能力及 HGM玻璃的杨氏模量和拉伸强度 ,并由强度测定值给出了不同直径与壁厚 HGM的耐内、外压能力的计算式 ,分析了测量误差 。

氘气透过高纵横比空心玻璃微球的实验研究

为了测试用于激光聚变实验的高纵横比空心玻璃微球 (HGM)对D2 气保气性能及计算HGM内D2 剩余量 ,对 3种常用配方HGM及其用 0 5MNH4 F +0 1MHNO3 洗液在 90℃下处理后的HGM分别在 5 73K下分三步热扩散充D2 气 ,然后在 2 90K下分别在 0h、72h、144h时用气泡法测量HGM内的D2 气压 ,由此测定了D2 气体透过HGM的充气速率和漏气速率及其表观扩散活化能 ,并给出它们对D2 保气半时间或充气半时间随HGM直径。

低强度空心玻璃微球充氘氚气体工艺研究

采用分步法对低强度空心玻璃微球充氘氚气体。为了充气 ,建立一套高压系统 ,在 1 5MPa下漏率为 3 .7× 1 0 -4 Pa L/s。用铀床和 La Ni5床组合 ,作为充气的高压气源。室温和2 50℃时 ,玻璃微球的最大承受压力为 1 .0 MPa,内外压之比约 0 .51。在 2 50℃时 ,充进微球内的氘氚气体量为 0 .51～ 0 .54MPa,满足了物理实验的要求。

炉内成球技术制备PS-PVA双层球

本工作研究采用炉内成球技术制备惯性约束聚变用靶丸聚苯乙烯-聚乙烯醇（PS-PVA）双层球。以乳液法制备PS微球，利用炉内成球技术在PS微球表面制备PVA层。研究表明，在PVA质量浓度为5%、炉内为空气、炉温473-523 K条件下，可制备出PS-PVA双层球。双层球直径范围250-550μm，PVA层厚度范围1.0-2.4μm，PS-PVA双层球表面光洁度3-10 nm，微球充氩气的最低温度350-360 K，室温条件下对氘气的保气半寿命1-5 h。

载气与玻璃微球间热传递系数的影响因素

为实现干凝胶法制备空心玻璃微球工艺中载气与微球间传热过程的有效控制,建立了载气与微球之间综合热传递系数的计算模型,研究了载气环境参数(组分、温度和压力)和微球几何参数(直径和壁厚)对热传递系数的影响。结果表明:在常用的工艺参数范围内,热传递系数对载气温度、压力以及微球壁厚的变化不敏感,但热传递系数随微球直径的增大显著降低、随载气中氦气含量的提高而显著增加,且这种递减趋势随载气中氦气含量的增加而趋于显著。

国外用于快点火的高能拍瓦激光器研发现状

2015年7月,日本大阪大学对外宣布利用"快点火试验激光装置"(LFEX)实现了脉宽1皮秒(10-12秒),峰值功率2拍瓦(2×1015瓦),能量2千焦耳的激光输出。高能拍瓦脉冲激光器可用于快速加热聚变靶丸燃料芯("快点火"概念),是实现惯性约束聚变点火的重要物理方案之一。全世界只有少数几个实现拍瓦级功率输出的激光器基础设施。这种激光器可提供模拟核聚变的高温高压条件,由于激光脉冲时间只有皮秒级,没有持久性。