激光聚变研究中心聚变靶物理实验和诊断技术研究进展

美国在国家点火攻关计划(NIC)的实施尽管未能实现点火目标,但建立了前所未有的点火靶物理精密实验能力,深化了点火靶物理认识,进一步明确了需要进一步解决的关键问题。激光聚变研究中心利用神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件,围绕黑腔等离子体能量学和内爆动力学开展实验与诊断技术研究,部分关键诊断技术取得突破,精密的实验能力显著增强,进一步丰富的配套实验结果在深化靶物理认识和校验数值模拟程序方面发挥了重要作用。

大科学工程项目管理信息化建设研究

立足新发展阶段,适应新时代要求,大力推进信息化建设是提高大科学工程项目管理水平和促进管理转型的有效抓手和必由之路,是实现项目管理向科学化、规范化、精细化转型的有效途径。实践分析认为,大科学工程项目管理信息化建设必须按照系统工程理念,强化总体统筹、多方协调、突出重点、全面推进,才能顺应当前的信息化建设总体趋势,有效破解信息化建设困局,提升项目管理信息化建设效果。

大规模激光相干合成主动相位控制技术研究进展

大规模激光相干合成是突破单口径激光特性极限、获得超高峰值/平均功率、超大脉冲能量、超高空/谱亮度等极端特性激光的有效技术路径之一,而大规模激光相干合成的关键是主动相位控制。主动相位控制技术可以对各路光束相位进行主动控制,补偿相位噪声引起的相干特性退化、合成效率下降,获得高品质的合成激光。自相干合成技术提出以来,研究人员开发了多种主动相位控制方法用于相干合成相位校正,其中适用于大规模激光相干合成的主动相位控制方法也得到了飞速发展。系统梳理了大规模激光相干合成的主动相位控制方法,深入分析了不同方法的原理、特点、适用场景和扩展能力,介绍了不同方法取得的相干合成研究最新进展及标志性成果,报道了19通道闭环上升时间仅6μs的相干合成锁相控制突破性结果,最后总结和展望了主动相位控制方法的发展趋势。

中红外可调谐量子级联激光器研究进展

量子级联激光器(QCL)是中红外波段重要的激光光源,其中,可调谐中红外量子级联激光器具有单纵模、频率可调谐的优点,成为目前研究的热点。可调谐中红外量子级联激光器主要通过分布反馈(DFB)光栅、分布布拉格反射(DBR)光栅、外腔衍射光栅等方法实现。本文介绍了中红外量子级联激光器的基本原理,分别归纳、总结了近年来DFB、DBR可调谐量子级联激光器以及外腔可调谐量子级联激光器的研究进展,讨论了各种可调谐方法的优缺点。最后,对可调谐量子级联激光器的发展趋势进行了展望。

BIM桩长预估在群桩工程中的精确计量研究与应用

本文通过BIM技术建立桩基模型和三维地质模型,叠合形成桩底与岩层的碰撞曲线,应用软件提取桩底标高,修正形成更趋近于真实岩层环境的BIM桩长预估值,用于指导现场施工和计量收方,为建设单位在群桩工程管理过程中提供科学有效的数据支撑。

激光聚变研究中心激光技术研究进展

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。

激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。

基于圆弧刀补偿加工的平面调制切削技术研究

针对尖刀加工的平面调制微结构表面质量差以及尖刀顶部尖角易磨损的现象,本文系统分析了尖刀在加工平面调制结构时轮廓误差的形成机理,发现了尖刀加工调制表面的轮廓误差大且存在难以补偿的特性,调制结构的轮廓误差与刀尖宽度成正比,与调制的周幅比值(λ/a)成反比.为此,本文提出了采用圆弧刀具结合刀具半径补偿方法以降低平面调制样品轮廓误差的技术方案.实验结果表明,采用圆弧刀结合刀具补偿方法对平面调制结构的轮廓精度提升具有显著作用,相比于尖刀切削,圆弧刀补偿加工的一维调制样品获得了更高的表面质量和轮廓精度.针对幅值a=4μm,周期λ=60μm的平面调制样品,采用圆弧刀补偿加工方案,调制样品的表面粗糙度Ra值由59.66 nm降至21 nm,轮廓误差精度提高了约20%.

熔石英元件磁性复合流体抛光去除特性研究

基于磁性复合流体(Magnetic Compound Fluid,MCF)抛光技术开展了熔石英元件抛光工艺研究,对比了传统MCF和超声辅助MCF(以下简称UMCF)抛光对熔石英材料去除特性的影响,探究了不同抛光时间下MCF和UMCF抛光对熔石英材料去除量/去除率和表面粗糙度的影响,并构建了与抛光应力和抛光时间有关的材料去除率模型。研究结果表明,相较于传统MCF,UMCF在提高材料去除率和降低表面粗糙度方面均有优势。两种抛光方式下材料去除机制均为弹塑性去除,UMCF抛光获得的表面粗糙度相比于MCF抛光优化了68.88%。由于流体动压力和超声振动压力的联合作用,UMCF抛光材料去除率最高可达5.74×10^(-3)mm^(3)/min,相比于MCF抛光提升了4.04倍。MCF和UMCF抛光材料去除率与抛光应力和抛光时间均呈现幂函数相关性,且在UMCF抛光中抛光应力对去除率的影响权重大于MCF抛光。

高功率固体激光装置负载问题研究进展

高功率固体激光装置的负载问题是制约装置建设与运行的瓶颈问题。在高通量紫外纳秒激光辐照下,熔石英后表面的损伤不断产生和增长,严重限制了装置的负载能力。在提升熔石英抗损伤性能的基础上修复既有损伤,循环使用光学元件,是现阶段提升装置负载能力的主要手段。主要介绍了国内外近年来在熔石英损伤的规律与机制、光学元件循环处理的支撑技术以及提升负载能力的新材料与新技术方面所取得的重要进展。

高功率激光装置实现CBET研究所需的四色光输出

2021年8月美国NIF实现了1.3 MJ聚变放能的里程碑,其中,交叉光束能量转移(CBET)是实现该放能的关键要素之一。利用CBET可补偿黑腔腰部驱动、缓解外环背散压力,从而改善黑腔内的驱动对称性,因此掌握和应用CBET技术具有重要意义。国际上目前仅美国开展了CBET所需的四色激光打靶技术研究,国内尚未开展实验研究。在高功率固体激光装置上实现四色光打靶需要解决四色激光产生、传输、放大、幅频效应抑制和高效三倍频等问题。近期,中物院激光聚变研究中心激光技术研究团队通过重构前端系统架构、抑制多色激光工作下的幅频效应、改进主放宽光谱下的增益模型、对三倍频晶体匹配角进行波长跟随等实现了激光装置四色光输出。形成的四色光打靶能力已成功应用于交叉光束能量转移实验研究。

激光-等离子体相互作用正电子发射研究进展

介绍了激光-等离子体相互作用产生正电子的相关实验和数值模拟研究进展。简要回顾了激光-等离子体相互作用正电子的发现过程及激光-等离子体作用产生正电子的三种物理机制;详细地叙述了激光与物质相互作用产生正电子的两类典型实验方式(即直接方式和间接方式)及相关的实验和数值模拟结果;对激光-等离子体相互作用产生正电子的研究进行了评述。从现有研究进展来看,目前理论研究和实验研究所获结论差异较大,还需要从激光设备、实验方案设计以及理论和模拟研究方面做大量细致的工作。

强激光加载下金属材料微喷诊断实验研究进展

强激光加载下金属材料产生的微喷射现象及其内在的机理分析是冲击压缩科学与工程领域研究的前沿问题,相关研究对于认识材料在极端载荷条件下的动力学行为具有重要意义。近年来国内外科学家们基于各大激光装置开展了大量微喷射诊断实验研究,在喷射物性质、金属界面不稳定性增长以及微喷混合问题等方面取得了一系列重要进展。通过回顾微喷静态和动态诊断实验的研究历程,对微喷诊断实验研究方法的重要应用作了详细介绍,同时对微喷产生的主要作用机制、影响因素以及微喷混合等问题进行回顾、梳理和总结。根据当前国内外微喷诊断实验发展趋势,归纳总结目前微喷诊断实验研究结果中仍存在的不足,并对微喷射实验研究未来发展方向进行展望。

激光聚变物理中电磁脉冲辐射特性研究

激光聚变物理过程中会产生大量的电磁脉冲辐射,该电磁脉冲频谱宽,强度大,会对各诊断设备的正常运行以及精密测量造成不同程度的影响。为了研究该电磁脉冲的特性,为其产生机制研究和优化防护措施提供依据,对本次实验,在神光Ⅲ主机装置上进行。并在靶室内外搭建天线诊断系统,对电磁脉冲信号进行采集。本文讨论分析了靶室内小盘锥和矩形全向天线所采集的信号,并且两款天线所测时域信号值在特征峰位置吻合得相当好,所测频谱也最大范围的囊括了示波器的频域值,图像清晰的显示了激光与黑腔靶相互作用过程的4个电磁脉冲产生机制。

基于X射线荧光光谱的温稠密物质离化分布实验方法研究

受温度及密度等环境效应影响,温稠密物质的电子结构发生显著变化,其理论描述非常复杂,精密实验测量亦极其困难.本文发展了基于X射线荧光光谱研究温稠密物质离化分布的实验方法,结合理论研究有助于深入理解温稠密物质的电子结构变化.在万焦耳激光装置上,设计特殊构型黑腔复合加载产生数十eV、近固体密度的稠密Ti物质,利用激光辐照V产生的热发射线泵浦Ti的荧光,并采用晶体谱仪诊断样品的X射线荧光光谱.实验中获得冷样品和加载样品的荧光光谱,观测到加载样品K_(α)及K_(β)荧光谱线相对于冷样品光谱在高能侧的显著变化,结合理论计算解释了加载样品荧光谱线的变化主要来源于其温度上升后离化分布的改变,建立了基于X射线荧光光谱的温稠密物质离化分布实验研究能力.

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法(FDTD)对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔(线)阵列结构靶中孔洞(纳米线)直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。

高带宽压电片变形镜的动力学仿真与优化方法研究

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度,对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先,基于压电片变形镜的参数化有限元模型,提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后,通过正交遍历多维设计参数(光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等),探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后,优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案,并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明,所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期,验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性,这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。

激光惯性约束聚变研究中高时空诊断技术研究进展

对国内激光惯性约束聚变(ICF)领域高时空分辨技术的最新进展进行了比较全面的介绍。针对热斑诊断时间分辨优于10 ps、空间分辨优于10μm、能区10~30 keV的需求,从光学、X射线、核诊断和计算成像几个角度,比较系统地介绍了最新的进展。光学领域主要介绍基于泵浦探测技术的全光扫描和全光分幅技术。全光扫描技术的时间分辨可以达到200 fs,全光分幅的时间分辨可以达到5 ps,空间分辨可以达到5μm。该系统的主要部件为光学器件,在ICF未来的强电磁、强电离环境下有很好的应用前景。X射线系统主要介绍最近几年发展的高分辨KB显微镜,其采用STTS构型,可将空间分辨提高到3μm,满足当前高分辨的需求。漂移管技术的时间分辨可以达到10 ps,作为一种正在发展的技术,对此进行了较为全面的分析。中子成像系统主要介绍了高空间分辨的记录系统以及对应的瞄准技术的进展,其空间分辨可以达到20~25μm。计算成像作为一个全新的分支,最近引起了ICF领域的广泛关注。着重介绍了三维光场技术和在高时空分辨领域有很好应用前景的压缩感知超快成像(CUP)技术,对其可能在ICF领域中的应用提出了设想。

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。

压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

激光驱动惯性约束聚变(ICF)研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域,它以高能激光作为驱动源,在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层,最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50~100μm,其持续时间为100~200 ps,离子温度达到5 keV,压力可达4.0×10^(16) Pa。因此,发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法,第一种是基于数字微镜阵列(DMD)进行编码的反射式可见光压缩感知技术,这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪(VISAR)与压缩超快成像(CUP)系统相结合,有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术,将诊断维度从一维扩展至二维,同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点,有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段,无法用于紫外与X光波段,为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码,可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测,有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外,针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足,还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路,有望实现高时间分辨的同时,实现高空间分辨的二维新型诊断技术。