我国激光惯性约束聚变实验研究进展

介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变（inertial confrnementfusion,ICF）实验研究进展,主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光III原型装置上的实验作简要介绍。在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究,进行了系列综合和分解实验,获得的主要实验技术指标为：黑腔峰值辐射温度超过二百万度;辐射驱动DT聚变中子产额达10^8和辐射驱动压缩DD燃料密度超过10倍液氘密度;辐射不透明的样品温度接近100eV。在神光Ⅱ装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步。随着神光Ⅲ原型装置建造的完成,2007年在该装置上进行了首轮物理实验,开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验,首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力。     

神光装置实验和诊断技术进展专题·编者按

正目前,随着以神光Ⅲ装置——这个世界上输出能力第二的大型激光装置的建成,我国已具备了研究极端条件下高能量密度物理领域前沿问题的条件.中国工程物理研究院(中物院)激光聚变研究中心已经在神光Ⅲ、神光Ⅲ原型以及神光II装置上开展了多年的激光惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)研究,取得了大量具有国际先进水平的研究结果,并发展了一系列达到国际先进技术水平的诊断技术.本专题将选取部分有代表性的神光     

用于神光II激光装置的X光针孔相机

研制了用于神光II激光装置的X光针孔相机。在神光II激光装置上,作为主要设备的X光针孔相机发挥了重要作用。对神光II激光装置惯性约束聚变(ICF)进行研究的X光针孔相机及利用该相机在ICF相关研究中获得典型的实验结果做了介绍。     

基于神光Ⅲ装置的光学诊断系统介绍

光学诊断系统在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)研究中具有重要的作用,可以较为直观地诊断聚变过程中的一些关键物理量和参数.本文介绍了神光Ⅲ原型和主机装置上配备的比较典型的三种光学诊断系统,包括成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)、惯性约束聚变反应速率测量系统以及背向散射光测量系统.VISAR可用于测量自由面速度和透明介质中的冲击波速度,是冲击波调速、材料压缩特性以及辐射测温研究的重要诊断技术;惯性约束聚变反应速率测量系统用于测量聚变反应的时间演化过程,是研究内爆动力学、理解混合效应的关键诊断技术;背向散射测量系统用于测量激光等离子体相互作用引起的背向散射光份额,为惯性约束物理实验激光能量与靶耦合效率参数提供了重要的数据支撑.     

用于神光Ⅱ激光装置的X光针孔相机

研制了用于神光Ⅱ激光装置的X光针孔相机。在神光Ⅱ激光装置上，作为主要设备的X光针孔相机发挥了重要作用。对神光Ⅱ激光装置惯性约束聚变（ICF）进行研究的X光针孔相机及利用该相机在ICF相关研究中获得典型的实验结果做了介绍。     

激光间接驱动聚变内爆流体不稳定性研究

激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)内爆过程多层靶球各个界面发生的流体力学不稳定性是影响聚变点火成功的关键因素.为深入了解内爆过程这样不稳定性的发生、发展和它对聚变点火的影响,研制成了研究内爆多介质辐射流体力学过程的高精度二维(局部三维)大型LARED-S程序,并在长期研究实践中不断发展和改善.该程序模拟结果与不稳定性线性和弱非线性解析结果,以及非线性激波管实验结果都很好符合.应用这一程序,进行了大量数值模拟研究,结合理论模型分析,获得了大量流体力学不稳定性发展和演化的重要结果和物理规律认识.获得了具有不同密度、速度、磁场分布的Rayleigh-Taylor(RT)和Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性的线性增长率,以及它们在不可压缩条件下的弱非线性发展的解析解,表明了两者在不同Froude数、密度过渡层厚度、速度剪切层下的竞争关系;通过数值模拟,发现弱预热条件下烧蚀RT不稳定性二次谐波非线性发展导致不稳定增长尖钉(Spike)断裂的重要过程;数值模拟进一步揭露了强预热条件下,烧蚀RT不稳定性非线性发展导致不稳定增长尖钉出现射流状结构,气泡发生加速;还发现强烈的电子热传导使初始单模扰动的KH不稳定性大大削弱,然而却可能使两模扰动非线性发展增大混合尺度.在神光II激光装置上开展了一系列烧蚀RT不稳定性实验.平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响.实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像.通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据.模拟结果与实验结果相符合.神光II激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算.在上述理论和实验认识基础上,进行了ICF聚变点火靶物理研究.主要研究靶丸内外表面单球谐模扰动、辐射不对称性、内爆热斑界面不稳定性、黑腔辐射M带以及氘氚(DT)主燃料低阶模面密度不均匀性等物理过程对ICF内爆流体不稳定性的影响.对于ICF间接驱动初始烧蚀层外表面和DT冰内表面的单模粗糙度扰动和辐射驱动不对称性扰动,获得了不稳定性增长规律,提高了热斑界面扰动增长对点火影响和黑腔M带X射线能谱对内爆稳定性影响的物理认识.模拟研究表明DT主燃料面密度不均匀严重影响内爆动能转换为燃料内能的效率和内爆惯性约束时间.研究结果不仅对研究ICF内爆点火有重要参考价值,而且对发生在天体和自然界中流体不稳定性的物理本质理解会有帮助.     

辐射在低密度介质中传输的实验

利用激光能量为 2000 J、脉宽为 1 ns、三倍频的8束的神光Ⅱ激光装置, 将8束激光注入金柱腔, 产生峰值辐射温度约140 eV的辐射场, 用来驱动密度为50 mg/cm³的CH泡沫(C₆H₁₂)和掺铜CH泡沫(铜原子比为2.14%, C₆H₁₂Cu_0.394)样品柱, 研究辐射在泡沫中的超声速传输问题. 利用三色谱仪在同一发实验中获得了双能道(210 和 840 eV)光子在泡沫中的传输时间, 采用透射光栅谱仪测量辐射穿过泡沫材料的透过谱, 由透过谱能得到光学厚度. 实验结果表明, 不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同, CH泡沫中的 210 eV能道的光子快于 840 eV能道光子传出泡沫样品, 而在掺铜CH泡沫中则相反. 在CH泡沫中的光学厚度小于1, 在CH泡沫中掺少量铜掺使光学厚度超过1.     

大尺寸磷酸盐激光钕玻璃批量制备技术研发及应用

为满足神光装置发展和未来国家专项工程对大尺寸激光玻璃的大量需求,上海光学精密机械研究所研发了以磷酸盐激光钕玻璃连续熔炼技术为核心的大尺寸激光钕玻璃批量制备技术.大尺寸磷酸盐激光钕玻璃批量制备技术是全新的工艺技术,先后攻克了除杂质、动态除羟基、除铂颗粒、小流量大尺寸成型、隧道窑退火过程玻璃易炸裂以及包边和性能检测等一系列关键单元技术,激光玻璃的所有指标包括荧光寿命、光学损耗、光学均匀性、包边剩余反射率等均达到神光装置的使用要求.使中国成为继美国之后第二个拥有大尺寸激光钕玻璃批量制造能力的国家.采用该技术已成功研制了一千多片米级尺寸N31型激光钕玻璃,并且应用于我国的神光系列装置,在中国工程物理研究院实现了1 053 nm激光波长5 ns脉冲宽度单束能量19.6 kJ激光输出.采用本技术研制的激光钕玻璃在国防、强场激光科技前沿、激光加工和医疗领域都得到推广应用.     

腔外调谐双频(塞曼)激光器荣获国家发明奖

基础课物理教研组研制成功的“腔外调谐双频(塞曼)激光器”,于1981年7月经国家科委发明评选委员会讨论通过,获得国家发明奖四等奖。 双频激光器是精密量测仪器──双频激光干涉仪的核心部件。它是利用塞曼效应产生频率不同的左、右旋圆偏振光,供双频激光干涉仪作为相干光源使用。与单频激光干涉仪比较,使用双频激光的干涉仪具有多功能、抗干扰、不需予热、电子运算装置简化等优点。双频(塞曼)激光器包括激光器本身、横向铌酸锂电光调制器、双频稳频器及双频激光接收装置四部分。 物理教研组研制成功的腔外调谐(塞曼)激光器在结构上有自己的…     

125I辐射场能量分布的Monte Carlo模拟计算分析

介绍了γ射线辐射场能量分布的MonteCarlo模拟计算方法,模拟实验装置,模拟计算模型及计算软件．模拟了粒子在生物组织中的输运过程,并对125I辐射源在宏观介质中辐射场能量分布进行了模拟计算。研究了125I辐射源的几何特性以及介质的均匀性对辐射场分布的影响．     

AlCl3水溶液的激光诱导击穿光谱特性研究

利用自建的液相射流单脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)实验装置,系统地研究了激光能量、ICCD探测延时和ICCD门宽等实验参数对AlCl_3水溶液LIBS特性的影响,确定了将LIBS用于AlCl_3水溶液中Al元素定量分析时的最佳实验条件.     

1.5μm连续内腔单共振光学参量振荡器运转特性的实验研究

通过内腔单共振光学参量振荡器(SRO),获得了连续单频的1.5μm激光光源.实验采用PPLN晶体为非线性晶体,通过优化设计Nd:YVO4激光器的参数和SRO腔的参数,在LD泵浦功率为18W时,获得了300mW的连续单频1.5μm激光输出.实验与理论相结合,详细分析了SRO的运转特性,并提出了进一步优化SRO的方法.     

不锈钢管小群孔激光加工技术

采用理论与实验优化相结合的方法,研究了不同的激光能量和不同的脉冲宽度、脉冲频率对1Cr18N i9Ti不锈钢管小群孔激光加工精度的影响,结果表明:经使用优化后的激光参数所钻出的孔其孔径和孔深基本能达到设计要求。钻孔效率较常规的机械加工提高十倍以上,通过此类激光钻孔实验可优化激光钻不锈钢管的相关激光参数,积累实验数据。     

原子分子物理实验中的符合测量技术

原子分子物理的研究对象是原子或者数个原子组成的小分子.因为研究对象结构简单,所以要求研究的实验手段能够尽可能全面的从多个角度测量研究对象的新特性,最好能够实时跟踪这些特性的演化.这种科学需求让我们不停地提升仪器的技术指标和灵活性.本文回顾了常常使用的几种符合测量装置,它们分别基于:源区无场电子飞行谱仪、电子能量分析器、磁瓶谱仪、反应谱仪、速度成像谱仪,它们用于基于超快激光、自由电子激光和同步辐射的原子分子实验.在此我们介绍它们的原理,比较它们之间的异同,重点描述最近的科学需求和技术突破点,并展望未来的发展方向.     

X射线在Au等离子体中的散射截面测量

阐述了X射线在等离子体中的散射截面研究的潜在价值及对惯性约束聚变 (ICF)研究的重要意义 ,介绍了神光Ⅱ装置上的实验方案及诊断设备靶场排布。给出了该项研究的实验结果 ,并对实验结果作了初步的分析 ;给出了实验误差的主要来源 ,从获得的结果表明有望发展一种新的等离子体状态参数诊断技术。     

染料激光倍频产生的可调谐模紫外激光

本文报道了一种可调谐紫外激光的实验装置,给出了实验装置上所得实验结果。用N_2激光泵浦染料激光。经KDP晶体倍频,获得了287.5至292.5nm的连续可调紫外激光。对提高输出能量和增强稳定性方面进行了讨论。     

激光焦斑分析系统

介绍了激光焦斑图象的二维微机分析方法与系统。根据CCD的特性建立了焦斑图象的灰度与胶片上黑密度之间的转换关系;并根据胶片的物理特性及成象系统对激光能量的衰减系数,推导出计算产生焦斑的激光能量的计算式以及胶片反差系数的计算公式。并详细地讨论了利用各种焦斑图象构成一具有完整激光能量信息的图象(即焦斑嵌套)的意义和方法。文中还对胶片本底灰雾的影响进行了讨论并给出了解决办法。     

可见光垂直腔面发射激光器的性能模拟

采用有限差分光束传播方法(FD-BPM)对氧化型可见光垂直腔面发射激光器进行了模拟计算.在计算中,考虑了电流密度分布、自热效应、量子阱内载流子的横向扩散和光场的分布等主要物理过程,并对各种物理过程进行了自洽式计算;得到了氧化型可见光垂直腔面发射激光器的电流密度分布、温度分布、量子阱内载流子密度的分布,同时计算了阈值电流、光场的横向分布及电流-光功率输出特性.计算结果表明,使用该模型计算出在氧化孔半径为6 μm时阈值电流为0.67 mA,光输出功率最高可达4.5 mW.     

我国第一台正电子湮没辐射一维角关联实验装置通过院级技术鉴定

在中国科学院数理学部主持下,我国第一台正电子湮没辐射一维角关联实验装置于5月23日在中国科技大学通过鉴定。该装置是正电子湮没谱学的基本实验手段之一,属于大型精密的实验设备。它主要用于测量金属、合金中的费米面,研究各种固体材料的电子动量分布和固体缺陷,也是正电子和正电子素物理和化学以及辐射化学、高分子物理和生物物理等研究的重要手段之一。本装置自1980年7月开始研制。由中科院固体所(筹)主持下与高能所、沈阳科仪厂协作共同研制。1983年后转由中国科技大学主持,继续与高能所、沈阳科仪厂和金属所共同研     

125I微型源在水模体中能量分布的蒙特卡罗模拟

介绍了γ射线辐射场能量分布的蒙特卡罗模拟计算方法;以立方体水为介质模型,利用EGS4软件模拟了γ光子在三维水模体中的输运过程,并对微型源125I在水模体中的辐射场能量分布进行了模拟计算;研究了125I源的排列方式、几何特性以及介质的均匀性对辐射场分布的影响.