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ICF黑腔中静电冲击波动理学效应研究

文章来源:《强激光与粒子束》编辑部   时间:2019-12-22

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目前,以世界上最大的激光装置:美国国家点火装置(NIF)为依托的惯性约束聚变(ICF)点火实验已经实现了显著的a粒子自加热,但是自持燃烧点火尚未实现。人们发现基于目前ICF领域最完善的辐射流体程序仍然难以完全预测实验结果,例如实验观测到的面密度rR比流体模拟的面密度低10%~20%,近真空黑腔中热斑芯部低阶模不对称性的实验结果和流体模拟结果出现明显偏差等等。黑腔中等离子体动理学效应是引起这种偏差的因素之一,ICF设计使用的辐射流体模型一般不包含动理学物理过程,这也是近期ICF领域的研究热点。动理学效应一般发生在离子间碰撞平均自由程大于特征空间尺度的区域内,例如等离子体之间存在显著的相互贯穿、扩散混合、界面电磁场、无碰撞冲击波等现象。

动理学效应发生时间短、空间局域性强,实验表征是极为困难的,相关理论模拟研究也非常缺乏。NIC点火失败后,人们逐渐意识到对驱动不对称性和黑腔物理认识的不足是间接驱动ICF没有实现点火的主要原因,而腔壁等离子体与靶丸烧蚀等离子体/填充气体等离子体之间的动理学效应可能与黑腔辐照对称性调控、近真空黑腔内爆靶丸低阶模不对称性异常等过程直接相关,是迫切需要解决的难题

1  利用DD反应中子表征动理学效应

1给出了间接驱动真空黑腔实验示意图,纳秒激光从上下两个注入孔注入Au腔,Au等离子体向外膨胀,同时Au腔驱动的X射线会辐射烧蚀位于中心的靶丸,靶丸等离子体与Au等离子体膨胀方向相反,最终会在中间区域相遇并发生动理学效应。我们在靶丸设计中采用了两个创新性的方法:(1)将普通球壳靶丸改为实心CH球表面涂氘代GDP(简称CD)来表征动理学效应。实心CH材料可以完全排除内爆中子和流体力学不稳定性的干扰,通过CD涂层将D离子引入动理学效应区域,并利用D+D®He3+n(2.45 MeV)反应中子信息来表征动理学过程,由于能量为MeVDD中子穿透能力强,很容易穿过Au腔壁并被中子探测器探测,这就解决了动理学引起的微观效应难以穿过腔壁被探测的难题。(2)改变CD涂层厚度获得DD中子产额与动理学效应的依赖关系。实验中采用辉光放电聚合技术实现了CD涂层厚度跨越两个量级(0.3~20 mm),实验发现中子产额随着CD涂层厚度的增加呈现饱和增长的趋势[2(a)],明显偏离辐射流体RDMG模拟结果,这说明中子产生机理不是热核反应主导。进一步实验发现涂层为19 mm CD + 1 mm CH[2(a)C]中子产额相比涂层为20 mm CD[2(a)A]下降一个量级,证明了起主导作用的是动理学效应导致的DD束靶反应机制,而不是与Au\CD等离子体的离子碰撞加热机制。此外,我们还利用塑料闪烁体大阵列测量了中子能谱[2(b)],半高全宽为282 keV,考虑到实测中子产额的约束条件,如此大的能谱展宽无法用热核反应机制解释,这进一步证明了动理学束靶反应机制的合理性。

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为了解释DD束靶机制的来源,我们首先利用辐射流体模拟给出腔壁Au等离子体和辐射烧蚀的CD等离子体相遇时的初始状态,再利用粒子模拟程序(PIC)计算后续动理学过程。Au\CD等离子体界面存在较高的电子温度梯度和电子密度梯度,最终会在CD等离子体中驱动静电冲击波,静电冲击波会反射界面附近等离子体中的D离子且能量达到几十keV,这就是DD束靶反应中“D束”的来源,同时整个辐射烧蚀的CD等离子体自身提供“D靶”。基于束靶机制,我们细致计算了D离子在CD等离子体中输运、能损,以及发生DD束靶反应的时空分布和中子能谱形状,计算的中子产额和中子能谱分布都与实验结果符合的非常好(见图2中的曲线)

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2  质子照相表征动理学效应

黑腔里的电磁场结构复杂且由于腔壁的阻挡不利于诊断,为了找到静电冲击波存在的直接证据,我们创新性地设计了模拟黑腔的Au/CH平面靶对撞实验,纳秒激光只打Au平面,Au等离子体和辐射烧蚀的CD等离子体在中间区域相遇并驱动静电冲击波,并利用“神光”升级装置的相对论皮秒激光打靶产生的高能质子束成功获得了静电场的时空分布。图3给出了5.6 MeV质子照相的典型结果,可见冲击波区域由于电场效应导致质子明显被朝两侧排开。

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