黃天晅 吳暢書 陳忠靖 晏驥? 李欣 葛峰峻 張興 蔣煒 鄧博 侯立飛 蒲昱東 董云松 王立鋒

1) (激光聚變研究中心,綿陽 621900)

2) (北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所,北京 100088)

在100 kJ 激光裝置上開展了基于三臺階整形脈沖的間接驅(qū)動慣性約束聚變內(nèi)爆實驗研究.采用傳統(tǒng)充氣直柱金壁黑腔設(shè)計,在激光脈沖作用后期,腔內(nèi)金等離子體運(yùn)動對激光能量沉積和X 光輻射場空間分布產(chǎn)生嚴(yán)重擾動,導(dǎo)致靶丸赤道驅(qū)動偏弱,形成不可接受的扁圓內(nèi)爆.本文采用新型的花生腔設(shè)計,通過調(diào)節(jié)外環(huán)激光光斑及其產(chǎn)生的金泡的初始位置,補(bǔ)償和緩解金等離子體運(yùn)動對黑腔X 光輻射分布產(chǎn)生的擾動影響,獲得球?qū)ΨQ的靶丸輻射驅(qū)動.在靶丸驅(qū)動輻射溫度相同的條件下,由于驅(qū)動對稱性得到顯著改善,實驗觀測到花生腔內(nèi)爆熱斑接近球形,中子產(chǎn)額的測量結(jié)果與內(nèi)爆一維模擬計算結(jié)果的比值(YOS)達(dá)到30%;而直柱腔內(nèi)爆熱斑呈現(xiàn)扁圓形狀,YOS 僅為13%.模擬計算和實驗結(jié)果一致表明,在三臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗中,花生腔設(shè)計可以有效抑制外環(huán)金泡膨脹加劇產(chǎn)生的不利因素,增強(qiáng)輻射驅(qū)動和內(nèi)爆對稱性調(diào)控,并提高內(nèi)爆性能.

1 引言

慣性約束聚變(inertial confinement fusion,ICF)內(nèi)爆實驗研究的主要目的是在實驗室內(nèi)實現(xiàn)熱核聚變點(diǎn)火[1],其中間接驅(qū)動中心點(diǎn)火是當(dāng)今ICF 研究的主要技術(shù)路線,工作原理如下[2,3].首先,將多束整形脈沖激光注入到高原子序數(shù)材料(例如金或鈾)構(gòu)成的黑腔中,將激光能量轉(zhuǎn)換為X 光輻射.然后,X 光輻射燒蝕內(nèi)部填充聚變?nèi)剂系陌型鑋4],產(chǎn)生燒蝕壓驅(qū)動靶丸球?qū)ΨQ內(nèi)爆.在內(nèi)爆阻滯階段,殼層動能轉(zhuǎn)換為燃料內(nèi)能,聚變?nèi)剂媳桓叨葔嚎s,并在其中心形成高溫?zé)岚?當(dāng)中心熱斑達(dá)到物理設(shè)計的高能量密度狀態(tài)后,就會產(chǎn)生足夠的聚變反應(yīng)放能,實現(xiàn)聚變點(diǎn)火.提高燃料壓縮度是降低激光驅(qū)動能量要求與激光裝置規(guī)模的有效途徑,方法是采用持續(xù)時間較長的序列激光脈沖獲得三臺階甚至四臺階整形輻射驅(qū)動脈沖,產(chǎn)生3 個或4 個球形匯聚沖擊波序列,使內(nèi)爆壓縮過程盡量逼近等熵過程,從而把燃料壓縮到滿足點(diǎn)火靶物理設(shè)計要求的高面密度狀態(tài).不過,隨著燃料壓縮度的升高以及驅(qū)動脈沖作用時間的延長,對輻射驅(qū)動和內(nèi)爆對稱性的要求也隨之提高.因此,通過優(yōu)化靶物理設(shè)計與精密化對稱性調(diào)控實驗互相結(jié)合,降低輻射驅(qū)動不對稱性及其產(chǎn)生的內(nèi)爆不對稱性,逼近理想的球?qū)ΨQ內(nèi)爆壓縮,是實現(xiàn)聚變點(diǎn)火目標(biāo)的前提條件之一.

在間接驅(qū)動內(nèi)爆實驗中,靶的構(gòu)型與參數(shù)以及激光排布與波形相互匹配、相互約束.相應(yīng)地,為了逼近理想球?qū)ΨQ內(nèi)爆壓縮,其對稱性調(diào)控方法的選用及其具體適用范圍也與靶物理設(shè)計緊密相關(guān).在中國100 kJ 激光裝置上[5],受限于其固有的激光束幾何布局,通常采用兩端分別開有激光注入孔(laser entrance hole,LEH)的直柱黑腔開展間接驅(qū)動內(nèi)爆實驗研究.黑腔對稱軸與水平面垂直,靶丸、黑腔與承載激光器終端和診斷設(shè)備的球形靶室三者中心重合,上下各有24 束波長為0.35 μm的三倍頻銣玻璃激光經(jīng)過LEH 中心對稱注入黑腔[6].每端入射激光又按照與黑腔對稱軸的夾角分為四組形成錐環(huán),分別是4 束28.5°、4 束35°、8 束49.5°和8 束55°,各個錐環(huán)中的激光束沿方位角方向均勻排布.其中28.5°和35°兩個角度的激光束占總數(shù)的比例為1/3,激光光斑位于黑腔腰部,合稱為內(nèi)環(huán)激光;49.5°和55°兩個角度的激光束占總數(shù)的比例為2/3,激光光斑靠近黑腔兩端,合稱為外環(huán)激光.在上述實驗排布基礎(chǔ)上,通過對激光功率平衡的控制以及黑腔X 光輻射場固有的空間勻滑效應(yīng),靶丸表面的X 光輻照能流能夠獲得很好的環(huán)向?qū)ΨQ性,可忽略其隨方位角變化的漲落.通常把隨極角變化的X 光輻照能流分布,按照勒讓德基函數(shù)展開[2],定義n階模的擾動幅度與平均輻照能流的比值為驅(qū)動不對稱性Pn.在靶丸表面的X 光輻照能流分布中,奇數(shù)階模和高階模的Pn不對稱性較易得到有效控制或被勻滑到可接受水平,因此在實驗中重點(diǎn)關(guān)注以P2 與P4 為代表的低階輻射驅(qū)動不對稱性及由此產(chǎn)生的內(nèi)爆不對稱性[6?9].在采用直柱腔的間接驅(qū)動內(nèi)爆實驗中,通過對黑腔長度與直徑的比例、內(nèi)外環(huán)激光光斑的相對位置等幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,能夠較好控制P4 不對稱性.然而,驅(qū)動不對稱性P2 分量的調(diào)控難度很大,主要原因在于以下幾個方面[2,3]: 激光注入孔導(dǎo)致黑腔內(nèi)X 光輻射泄漏;X 光吸收再發(fā)射使腔壁光斑區(qū)與非光斑區(qū)對黑腔輻射場貢獻(xiàn)的比例隨時間變化;黑腔腔壁和靶丸燒蝕等離子體噴射運(yùn)動,與入射激光相互作用使激光能量沉積分布隨時間發(fā)生變化;以及交叉束能量轉(zhuǎn)移機(jī)制可能導(dǎo)致激光能量不受控制地在不同光束或光環(huán)間轉(zhuǎn)移等.在激光與黑腔等離子體相互作用中需要特別關(guān)注的是,由于外環(huán)激光功率密度較高,對腔壁金材料產(chǎn)生強(qiáng)烈燒蝕,噴射的冕區(qū)等離子體溫度較高、密度較低,一般簡稱為金泡.外環(huán)金泡的膨脹速度很快,給對稱性調(diào)控帶來兩個方面的不利影響,一是直接使外環(huán)光斑位置發(fā)生移動,改變外環(huán)激光能量吸收分布;二是侵入內(nèi)環(huán)激光傳輸通道,吸收一部分內(nèi)環(huán)激光能量,并改變內(nèi)環(huán)激光能量吸收分布.以上兩種因素都會對黑腔輻射場分布產(chǎn)生重大影響,導(dǎo)致靶丸輻射驅(qū)動P2 不對稱性正向增長.

目前,為了在100 kJ 激光裝置上繼續(xù)深入開展三臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗研究,首先需要解決靶丸赤道驅(qū)動偏弱的問題.本文借鑒NIF 實驗的設(shè)計思路,將傳統(tǒng)直柱腔 [7?9]改進(jìn)為花生腔,并開展了花生腔與直柱腔的對比實驗研究.主要目的是在靶丸驅(qū)動輻射溫度相同的條件下,通過花生腔凹槽在黑腔半徑和長度兩個方向改變外環(huán)激光光斑與金泡的初始位置,抑制P2 不對稱性正向增長,增強(qiáng)對稱性調(diào)控能力.值得注意的是,中國100 kJ激光裝置與美國NIF 的對稱性調(diào)控實驗條件和花生腔實驗設(shè)計存在較大差別.具體而言,NIF 花生腔針對點(diǎn)火靶物理實驗設(shè)計,其凹槽深度與黑腔半徑相比較小,主要目的是延緩?fù)猸h(huán)金泡阻擋內(nèi)環(huán)激光傳輸,有效延長整形脈沖驅(qū)動作用時間.在100 kJ激光裝置上,黑腔半徑小于NIF 點(diǎn)火黑腔的一半,但外環(huán)金泡的運(yùn)動速度卻不低于NIF.因此,需要根據(jù)具體的內(nèi)爆實驗設(shè)計,合理選擇花生腔凹槽的位置和尺寸等參數(shù),以滿足內(nèi)爆對稱性調(diào)控需求.顯然,如果凹槽尺寸偏小,達(dá)不到抑制P2 不對稱性增長的目的;如果偏大,就會顯著降低驅(qū)動強(qiáng)度,同時對時變不對稱性調(diào)控產(chǎn)生不利影響.鑒于ICF 間接驅(qū)動內(nèi)爆物理實驗的現(xiàn)象、過程和機(jī)制非常復(fù)雜,本文采用實驗測量與模擬計算互相結(jié)合的方法,檢驗花生腔設(shè)計改善輻射驅(qū)動和內(nèi)爆對稱性,以及提高內(nèi)爆性能的效果.

本文首先介紹基于三臺階整形脈沖驅(qū)動的內(nèi)爆實驗設(shè)計與方法,包括實驗測量和打靶后模擬計算方面的考慮,然后從黑腔等離子體運(yùn)動、X 光輻射特性等方面展示模擬計算與實驗測量結(jié)果,并對直柱腔和花生腔的不同特點(diǎn)進(jìn)行分析和討論.最后從靶丸輻射驅(qū)動與內(nèi)爆對稱性,以及內(nèi)爆主要性能等方面分析花生腔的改進(jìn)效果.

2 內(nèi)爆實驗設(shè)計與方法

近年來,在我國100 kJ 激光裝置上,基于直柱黑腔開展的兩臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗研究已經(jīng)取得較大進(jìn)展[7,8].為了進(jìn)一步提高內(nèi)爆性能,物理設(shè)計要求使用三臺階整形脈沖驅(qū)動開展內(nèi)爆物理實驗研究.前期研究結(jié)果表明[9],在直柱腔結(jié)構(gòu)下采用三臺階整形脈沖驅(qū)動,其P2 不對稱性正向增長幅度很大,導(dǎo)致靶丸赤道驅(qū)動偏弱,最終將形成扁圓的內(nèi)爆熱斑.本文參照直柱腔內(nèi)爆實驗設(shè)計,靶和激光主要參數(shù)不變,僅在上述直柱腔的外環(huán)光斑處增加環(huán)形凹槽,將其改造成花生腔,目的是抑制黑腔等離子體運(yùn)動影響,增強(qiáng)對稱性調(diào)控,實現(xiàn)球形內(nèi)爆.下面詳細(xì)介紹這兩種腔型的對比實驗設(shè)計和實驗方法.

如圖1 所示,48 束激光的打靶方式與前期內(nèi)爆實驗設(shè)計相同[6?9].每束激光脈沖采用相同的參數(shù)設(shè)計,由3 個平頂子脈沖序列構(gòu)成.第1 個子脈沖激光功率為每束0.35 TW,脈寬0.5 ns;間隔1 ns后,第2 個子脈沖的功率為每束0.6 TW,脈寬1.1 ns;再間隔0.5 ns 后,第3 個子脈沖功率為每束0.85 TW,脈寬1 ns.另外,在內(nèi)環(huán)激光脈沖零前1.5 ns 加載每束0.02 TW,脈寬1 ns 的低功率燒膜脈沖,用于提前燒穿LEH 封口膜,為后續(xù)激光脈沖注入黑腔打開通道.所有激光束都采用連續(xù)相位板(CPP)進(jìn)行光束勻滑,在黑腔LEH 所在平面的截面均為直徑500 μm 的圓斑.48 路三倍頻激光總能量約為93 kJ,預(yù)脈沖部分激光能量約為8.4 kJ.基于以上激光參數(shù)設(shè)計打靶,將獲得一種比較特殊的三臺階整形輻射驅(qū)動脈沖,對于內(nèi)爆不穩(wěn)定性增長具有較好的抑制作用,有助于提高內(nèi)爆綜合性能,其具體設(shè)計思路和細(xì)節(jié)可參閱相關(guān)文獻(xiàn)[9].

圖1 花生腔激光打靶示意圖,與直柱腔的區(qū)別是在外環(huán)激光光斑處具有環(huán)形凹槽Fig.1.The I-Raum has recessed pockets for the laser spots of outer cones,slightly different from a cylinder.

實驗所用直柱腔的腔壁材料為金,厚度60 μm,內(nèi)壁直徑2600 μm,長度4680 μm.激光注入孔直徑為1500 μm,封口薄膜材料選用聚酰亞胺(C8H8),厚度0.5 μm,腔內(nèi)填充新戊烷(C5H12)氣體,密度1 mg/cm3.靶丸球殼的材料為摻硅塑料(CH 摻Si,原子比1%),其內(nèi)表面直徑750 μm,球殼厚度60 μm,球內(nèi)燃料為氘氣(D2),常溫壓強(qiáng)10 atm (1 atm=101.3 kPa).為了觀測靶丸內(nèi)爆熱斑等離子體發(fā)光圖像,在黑腔腰部開設(shè)300 μm×300 μm 對穿診斷孔,孔內(nèi)分別用CH 塑料填滿,厚度60 μm.

花生腔的構(gòu)型如圖1 所示,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與直柱腔完全一致,僅僅在外環(huán)激光光斑位置添加環(huán)形凹槽.單個環(huán)形凹槽在徑向的深度為200 μm,在軸向的寬度為1000 μm,其中心位置與黑腔腰部赤道面距離為1340 μm.通過花生腔優(yōu)化驅(qū)動對稱性的基本思路如圖2 所示.花生腔凹槽使外環(huán)激光光斑及金泡的初始位置同時在黑腔半徑方向外移,在軸線方向內(nèi)移.圖2 中,a代表外環(huán)光斑或金泡的初始位置中心在靶丸球坐標(biāo)系中的極角,d代表外環(huán)光斑或金泡的初始位置中心到內(nèi)環(huán)激光通道的距離.花生腔a2比直柱腔a1大約7°,即在花生腔中,靶丸中心到外環(huán)激光光斑中心的視線向靶丸赤道方向偏移了7°.由于黑腔內(nèi)激光光斑區(qū)的X 光發(fā)射比非光斑區(qū)強(qiáng)很多,以上視場變化將使得靶丸赤道附近驅(qū)動得到相對增強(qiáng).由于花生腔d2比直柱腔d1大120 μm,假設(shè)外環(huán)金泡膨脹速度相同,花生腔能夠在更長時間內(nèi)保持內(nèi)環(huán)激光傳輸通道的通暢,從而使得赤道附近的輻射場相對變強(qiáng).上述兩個因素都有利于抑制P2 不對稱性正向增長,相對提升靶丸赤道驅(qū)動強(qiáng)度,改變目前直柱腔條件下兩極強(qiáng)于赤道的現(xiàn)狀.

圖2 直柱腔1 與花生腔2 內(nèi)金泡、內(nèi)外環(huán)激光束與靶丸的幾何關(guān)系圖Fig.2.Schematic illustration for gold bubbles,laser beams and the capsule inside a cylinder 1 or an I-raum 2.

與100 kJ 激光裝置上其他內(nèi)爆實驗診斷排布相同[6?9],實驗中采用多種診斷設(shè)備,分別測量獲得表征黑腔等離子體運(yùn)動、X 光輻射溫度、內(nèi)爆不對稱性、中子發(fā)射峰值時刻和聚變中子產(chǎn)額等關(guān)鍵物理特性的實驗數(shù)據(jù).采用X 光針孔相機(jī)從靠近激光注入孔法線方向測量黑腔等離子體發(fā)射X 光圖像,觀察激光注入和黑腔等離子體運(yùn)動情況[7].使用背向散射光測量系統(tǒng)測量激光背向散射能量和份額,以便對實際打靶激光參數(shù)進(jìn)行修正[9].使用平響應(yīng)X 光探測器(XRD)測量從黑腔LEH 發(fā)射的X 光輻射功率[28],采用黑腔局部輻射溫度Trhoh(單位為eV)等效表示從該診斷視線方向觀測到的黑腔X 光輻射平均發(fā)射能流(單位為W/cm2).另外,采用靶丸驅(qū)動輻射溫度Trcap(單位為eV)等效表示靶丸表面X 光輻射平均照射能流(單位為W/cm2).以上等效輻射溫度與X 光能流的關(guān)系由斯忒藩-玻耳茲曼定律決定[2].使用X 光分幅相機(jī)從黑腔赤道診斷口法線方向測量內(nèi)爆熱斑等離子體發(fā)射X 光圖像,獲得內(nèi)爆不對稱性實驗數(shù)據(jù)[29].使用中子飛行時間譜儀測量中子發(fā)射峰值時刻[30].使用銦活化探測器測量氘氘聚變中子產(chǎn)額[31].

本文采用兩種成熟的模擬工具分步完成黑腔與內(nèi)爆的模擬計算,與實驗測量互相補(bǔ)充,以便更加全面地認(rèn)識和理解花生腔設(shè)計對黑腔與內(nèi)爆物理特性帶來的變化和影響.第一步,采用實際打靶的靶參數(shù)和激光參數(shù),模擬計算黑腔等離子體時空演化與X 光輻射驅(qū)動特性.模擬工具是LARED集成程序[32,33],可進(jìn)行帶靶丸的黑腔二維數(shù)值模擬計算,其物理模型采用柱坐標(biāo)系中的二維拉格朗日網(wǎng)格,并對上述4 種角度的入射激光強(qiáng)度在各自的錐環(huán)內(nèi)部沿方位角方向進(jìn)行平均近似處理.LARED 集成程序主要用于計算激光與黑腔的能量耦合、黑腔等離子體運(yùn)動與X 光輻射場分布、黑腔與靶丸的能量耦合等.第二步,利用模擬計算得到的靶丸表面X 光平均輻照能流,模擬計算靶丸內(nèi)爆中子產(chǎn)額等主要性能.模擬工具是RDMG 內(nèi)爆一維數(shù)值模擬程序[34],其物理模型采用球坐標(biāo)系中的一維拉格朗日網(wǎng)格,在計算靶丸內(nèi)爆動力學(xué)、內(nèi)爆能量耦合等方面具有較高的置信度.由于內(nèi)爆二維模擬計算結(jié)果置信度較低,本文直接使用熱斑發(fā)射X 光圖像的實驗測量結(jié)果作為評估內(nèi)爆對稱性的依據(jù).另外,將實驗測量的聚變中子產(chǎn)額與內(nèi)爆一維模擬計算結(jié)果的比值(即yield over simulation,YOS),作為評估內(nèi)爆綜合性能的依據(jù).

大、中型海島以旅游業(yè)作為支柱產(chǎn)業(yè)，對環(huán)保要求較高，煤炭運(yùn)輸成本高、污染排放大，因此不考慮發(fā)展煤電。為充分利用周邊的油氣資源，降低發(fā)電成本，綜合運(yùn)輸成本及環(huán)保要求等因素，在自建電源方案中，推薦天然氣電廠作為本地的主力電源。

3 黑腔等離子體運(yùn)動與X 光輻射特性

實驗中采用X 光針孔相機(jī)通過激光注入孔測量獲得黑腔等離子體發(fā)射X 光的時間積分圖像[7],通過平面鏡結(jié)合濾片選擇成像能點(diǎn)(約2.5 keV),空間分辨約50 μm.圖3(a),(b)分別是直柱腔和花生腔的測量結(jié)果.X 光針孔相機(jī)的診斷主視線與激光注入孔法線的夾角為20°,在圖中投影為上下方向.根據(jù)幾何投影關(guān)系,可知每個分圖從上到下大體可分為4 個特征區(qū)域: 靶丸陰影區(qū),外環(huán)光斑區(qū),非光斑區(qū),內(nèi)環(huán)光斑區(qū).黑腔內(nèi),激光光斑冕區(qū)等離子體電子溫度達(dá)到2—3 keV,可激發(fā)金M 帶(1.8—4 keV)發(fā)射,在圖中形成亮區(qū);非光斑區(qū)等離子體溫度小于300 eV,在2 keV 以上發(fā)光很弱,在圖中形成暗區(qū).圖中上半部分發(fā)光區(qū)與黑腔遠(yuǎn)端外環(huán)激光光斑對應(yīng),靶丸部分遮擋診斷視野,并在最上面形成類似月缺的陰影區(qū).下半部分發(fā)光區(qū)主要與黑腔腰部內(nèi)環(huán)激光光斑對應(yīng),在激光脈沖作用后期,近端外環(huán)激光等離子體發(fā)光區(qū)在圖中從下至上侵入診斷視野.由于這兩種因素的疊加,使得圖像中下半部分最高發(fā)光強(qiáng)度甚至超過上半部分.由于等離子體堵口影響,黑腔LEH 的輪廓尺寸略小于其初始直徑1500 μm.

圖3 黑腔等離子體發(fā)射X 光圖像 (a)直柱腔;(b)花生腔①靶丸陰影區(qū),②外環(huán)光斑區(qū),③非光斑區(qū),④內(nèi)環(huán)光斑區(qū)Fig.3.X-ray emission images from the hohlraum plasma:(a) Cylinder;(b) I-raum,①capsule shadow,② outer laser spots,③dark region without laser,④ inner laser spots,respectively.

在基本相同的激光參數(shù)條件下,花生腔外環(huán)發(fā)光區(qū)②的位置朝黑腔腰部偏移了150 μm.這個現(xiàn)象說明花生腔內(nèi)輻射場分布向黑腔腰部方向傾斜,意味著靶丸赤道附近驅(qū)動得到相對增強(qiáng),與實驗設(shè)計思路一致.

實驗中,使用背向散射光測量系統(tǒng)抽樣測量部分光束的背向散射光能量和份額[9].從實驗測量結(jié)果來看,直柱腔實驗中各束激光的背散份額在5%—15%之間不等,花生腔實驗中背散份額平均每束低約1%,表明兩種腔型的激光等離子體不穩(wěn)定性行為相差不大.為減少模擬偏差,本文采用激光參數(shù)的實際測量結(jié)果扣除背向散射光份額后作為模擬計算的激光輸入條件.使用LARED 集成程序[32,33]對兩個對比實驗進(jìn)行二維模擬計算,得到黑腔等離子體狀態(tài)參數(shù)、激光能量吸收與X 光輻射等主要物理量的時空演化圖像,可用于分析金等離子體演化及其對X 光輻射場分布的影響.圖4給出在激光加載4 ns 時刻的模擬計算結(jié)果,圖4(a)為直柱腔,圖4(b)為花生腔.在圖4 各分圖中,從第一到第四象限分別用色標(biāo)給出激光能量吸收(單位為erg·(0.1 ns)–1·μm–3)、電子溫度Te(單位為MK)、電子密度Ne(單位為μm–3)和輻射溫度Tr(單位為MK)的空間分布.

圖4 激光能量吸收(第一象限)、電子溫度Te(第二象限)、電子密度Ne(第三象限)和輻射溫度Tr(第三象限)在激光加載4.0 ns 時刻的空間分布 (a)直柱腔;(b)花生腔Fig.4.Distributions of laser energy absorption (1 st quadrant),electron temperature Te (2 nd quadrant),electron density Ne (3 rd quadrant),and radiation temperature Tr (4 th quadrant),respectively,at 4.0 ns: (a) Cylinder;(d) I-raum.

從圖4 可以看到,在激光脈沖作用后期,盡管黑腔內(nèi)部等離子體狀態(tài)分布演化非常復(fù)雜,但靠近黑腔LEH 的外環(huán)金泡清晰可辨(與花生腔凹槽位置對應(yīng),參見圖2).圖4(a)直柱腔中金泡發(fā)展得比較充分,其前端更早進(jìn)入內(nèi)環(huán)激光傳輸通道,使得更多激光能量被黑腔LEH 附近低密度(第三象限)等離子體吸收,導(dǎo)致其溫度(第二象限)明顯升高.圖4(b)花生腔中,環(huán)形凹槽的存在,除了延遲金泡膨脹后前端進(jìn)入內(nèi)環(huán)激光通道的作用外,由于黑腔等離子體填充情況有所緩解,激光能量在激光注入孔附近低密度等離子體區(qū)沉積很少,致使其溫度較直柱腔顯著降低.黑腔等離子體狀態(tài)和激光能量沉積分布(第一象限)的變化,使花生腔內(nèi)輻射場分布(第四象限)發(fā)生了預(yù)期的改變,與直柱腔相比,其外環(huán)熱X 光發(fā)射強(qiáng)區(qū)向黑腔腰部方向發(fā)生了百微米級別的偏移.總體來說,根據(jù)以上分析可以判斷,圖4 模擬計算結(jié)果與圖3 實驗觀測結(jié)果是定性自洽的.

實驗中,使用平響應(yīng)X 光探測器測量從黑腔注入孔發(fā)射的X 光輻射功率[28],并給出黑腔局部輻射溫度Trhoh.探測器診斷視線與黑腔LEH 法線(黑腔中軸線)的夾角為42°,探測器的能譜響應(yīng)范圍是0.1—4.0 keV,輻射溫度的測量不確定度為3%.圖5 說明激光-X 光輻射能量轉(zhuǎn)換情況.圖5(a)給出48 束合計的實際打靶激光脈沖總功率曲線,其中,藍(lán)色短劃線為直柱腔,紅色實線為花生腔.圖5(b)給出黑腔局部輻射溫度Trhoh的模擬計算與實驗測量結(jié)果,其中,藍(lán)色十字為直柱腔計算值,紅色圓圈為花生腔計算值,藍(lán)色短劃線為直柱腔測量值,紅色實線為花生腔測量值.可以看到,根據(jù)實際打靶激光脈沖參數(shù)模擬計算得到的黑腔局部輻射溫度值與實驗測量值基本一致,花生腔與直柱腔的差別也很小,峰值輻射溫度差小于2 eV.

圖5 激光-X 光輻射能量轉(zhuǎn)換 (a)實際打靶激光功率;(b)黑腔局部輻射溫度Trhoh 的模擬計算和實際測量結(jié)果Fig.5.Laser energy converted into X-ray radiation: (a) Laser power measured for cylinder (blue dash) and for I-raum (red solid),respectively;(b) local radiation temperature Trhoh simulated for cylinder (blue cross) and for I-raum (red circle),and measured for cylinder (blue dash) and for I-raum (red solid),respectively.

綜上所述,反映黑腔等離子體運(yùn)動與X 光輻射主要特性的模擬計算與實驗測量符合較好,表明在三臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗中,花生腔能夠按照設(shè)計要求控制黑腔等離子體運(yùn)動的影響,并有效改變黑腔X 光輻射場分布.

4 靶丸輻射驅(qū)動與內(nèi)爆主要特性

本文通過LARED 集成程序計算給出隨時間變化的靶丸驅(qū)動輻射溫度Trcap以及驅(qū)動不對稱性分量(P2 和P4).圖6 展示兩種黑腔條件下的模擬計算結(jié)果,其中,(空心圓圈+)虛線為直柱腔,(實心圓點(diǎn)+)實線為花生腔.從圖6 中可以看到,兩個實驗中靶丸驅(qū)動輻射溫度Trcap的時間波形幾乎完全一致,第一、二和三臺階峰值分別為(139±2) eV,207 eV 和229 eV,僅第一臺階峰值略有偏差.在這兩個實驗中,以下因素都會對靶丸輻照能流產(chǎn)生影響: 與直柱腔相比,因環(huán)形凹槽的存在,花生腔腔壁內(nèi)表面積有一定增大,腔壁能量漏失隨之增加;又因開口面積所占比例相對下降,花生腔開口的能量漏失率相對下降;扣除背向散射光能量份額后,花生腔實驗中實際吸收激光能量略高.幾種因素綜合作用,使兩種腔型的靶丸驅(qū)動輻射溫度高度一致,為隨后分析不對稱性變化對內(nèi)爆性能的影響提供了便利條件.從圖6(a)可以看到,直柱腔驅(qū)動不對稱性P2 分量隨時間增加的起伏變化較大,在輻射驅(qū)動第一、二和三臺階峰值時刻分別為–7%,3%和11%,兩極驅(qū)動明顯偏強(qiáng);花生腔P2 在輻射驅(qū)動第一、二和三臺階峰值時刻分別為–8%,1%和7%,通過抑制P2 不對稱性正向增長,顯著改善了靶丸輻射驅(qū)動對稱性.本文第2 節(jié)提到,花生腔使外環(huán)光斑中心初始位置在靶丸球坐標(biāo)系中的極角a增大7°,金泡初始位置到內(nèi)環(huán)激光束的距離d增大120 μm.前者對P2 的改變是從激光加載時刻就開始,這個補(bǔ)償作用基本不隨時間變化,約在–1%水平;后者的作用是延緩金泡膨脹對內(nèi)環(huán)激光傳播的影響,對P2 的改變隨時間的延長逐漸顯現(xiàn).圖6(a)中P2 不對稱性的變化正是說明了以上實驗設(shè)計的有效性.從圖6(b)可以看到,兩個實驗的P4 不對稱性平均值都在零附近,隨時間的起伏較小(±1%),基本滿足實驗設(shè)計要求.上述結(jié)果表明,P2 不對稱性是目前對稱性調(diào)控的主要矛盾,花生腔能夠有效抑制P2 不對稱性正向增長,大幅度改善輻射驅(qū)動對稱性.

圖6 模擬計算得到的靶丸驅(qū)動輻射溫度Trcap 與驅(qū)動不對稱性 (a) P2;(b) P4Fig.6.Simulated drive temperatures Trcap and asymmetry components on the capsules,respectively: (a) P2;(b) P4.

實驗中采用陣列針孔成像結(jié)合X 光門控分幅相機(jī)測量內(nèi)爆熱斑的自發(fā)射X 光圖像[29],通過相機(jī)能譜響應(yīng)與濾片結(jié)合選擇成像能點(diǎn)(>5 keV),每幅圖像的選通時間寬度為70 ps,空間分辨為15 μm.圖7 顯示兩種黑腔構(gòu)型下的內(nèi)爆熱斑發(fā)射X 光圖像,分別取自內(nèi)爆X 光發(fā)射最強(qiáng)時刻,可用于表征內(nèi)爆阻滯階段的內(nèi)爆不對稱性.其中,圖7(a)為直柱腔,圖7(b)為花生腔.在各分圖中,實際分析數(shù)據(jù)時選取與峰值強(qiáng)度30%對應(yīng)的等高線,得到熱斑輪廓半徑隨極角θ變化的分布函數(shù)r(θ) .然后,將r(θ) 按照勒讓德基函數(shù)展開,計算平均半徑與各階模的擾動幅度.最后,根據(jù)擾動幅度與平均半徑的比值分別得到P2 與P4 等內(nèi)爆不對稱性分量.值得注意的是,此處定義的內(nèi)爆不對稱性與上文定義的驅(qū)動不對稱性存在很大差別,雖然在物理上密切相關(guān),但含義完全不同.當(dāng)驅(qū)動不對稱性P2 分量為正時,將導(dǎo)致內(nèi)爆不對稱性P2 分量為負(fù);反之亦然.另外,雖然在圖7 中使用色標(biāo)表示X 光發(fā)射強(qiáng)度的相對變化,但只能通過各子圖分別進(jìn)行輪廓分析.由于門控分幅相機(jī)微帶增益變化較大,目前缺乏可靠標(biāo)定技術(shù),使得以上分別來自兩發(fā)實驗的圖像數(shù)據(jù)不可直接進(jìn)行強(qiáng)度對比.

從圖7(a)可以看到,直柱腔實驗嚴(yán)重偏向扁圓形內(nèi)爆(P2:–35%,P4:–8%),說明內(nèi)爆過程中輻射驅(qū)動在靶丸兩極方向過強(qiáng).從圖7(b)可知,花生腔實驗非常接近球形內(nèi)爆(P2: 0%,P4:–1%),說明花生腔對輻射驅(qū)動P2 不對稱性的修正有效,顯著改善了輻射驅(qū)動和內(nèi)爆對稱性.這里需要說明,對于圖7(a),其熱斑不僅具有非常強(qiáng)的內(nèi)爆P2 不對稱性,還具有較強(qiáng)的P4 不對稱性.通過對比推測,此處的內(nèi)爆P4 不對稱性應(yīng)當(dāng)不是單純由驅(qū)動P4 不對稱性直接導(dǎo)致的,而是由于多模擾動耦合導(dǎo)致P4 非線性增長的結(jié)果.

總之,在花生腔與直柱腔的對比實驗中,內(nèi)爆不對稱性(圖7)與驅(qū)動不對稱性(圖6)的變化趨勢在物理上是自洽的.直柱腔中靶丸極區(qū)驅(qū)動強(qiáng)于赤道,產(chǎn)生扁圓內(nèi)爆;花生腔修正了P2 不對稱性,使輻射驅(qū)動從靶丸極區(qū)附近向赤道附近傾斜,改善了靶丸輻射驅(qū)動對稱性,產(chǎn)生近球形內(nèi)爆.模擬計算和實驗結(jié)果均表明花生腔確實能夠在補(bǔ)償和緩解黑腔等離子體運(yùn)動影響,調(diào)控輻射驅(qū)動和內(nèi)爆對稱性方面發(fā)揮很大作用.

圖7 最強(qiáng)時刻的內(nèi)爆熱斑發(fā)射X 光圖像,取30%等高線 (a)直柱腔;(b)花生腔Fig.7.X-ray emission images from implosion hotspots at peak time,with a contour at 30% of the maximum intensity,respectively:(a) Cylinder;(b) I-raum.

如圖6 所示,在兩種黑腔構(gòu)型下,靶丸驅(qū)動輻射溫度高度一致,因此采用RDMG 一維內(nèi)爆模擬計算給出的主要結(jié)果基本相同.其中,與內(nèi)爆阻滯時刻密切相關(guān)的中子發(fā)射峰值時刻為4.4 ns,聚變中子產(chǎn)額為2.1×1010.實驗中,使用中子飛行時間譜儀測量中子發(fā)射峰值時刻[30],獲得花生腔和直柱腔的測量值分別為4.2 ns 和4.3 ns,測量不確定度約100 ps,表明其計算值與測量值基本一致.另外,從X 光分幅相機(jī)測量結(jié)果(參見圖7)也可以獲得內(nèi)爆熱斑X 光發(fā)射最強(qiáng)時刻的數(shù)據(jù),其測量值分別滯后中子發(fā)射峰值時刻約300 ps.上述兩個特征時刻的差異主要由兩方面因素導(dǎo)致.一是與內(nèi)爆壓縮物理有關(guān),驅(qū)動能量通過殼層做功傳遞給燃料離子形成熱斑,離子溫度上升后產(chǎn)生熱核聚變反應(yīng),并發(fā)射中子;離子能量通過碰撞傳遞給電子,電子溫度上升后發(fā)射X 光.因此,X 光發(fā)射峰值時刻會略晚于中子發(fā)射峰值時刻.二是與實驗測量方法有關(guān),X 光分幅相機(jī)不僅定時精度較差,而且對熱斑X 光發(fā)射圖像的采樣時刻數(shù)量有限,因此,X 光發(fā)射最強(qiáng)時刻的測量不確定度相對較大.本文主要以實驗測量中子產(chǎn)額與實驗后一維數(shù)值模擬計算給出的中子產(chǎn)額之比(YOS)作為內(nèi)爆綜合性能的評估依據(jù).實驗中,使用銦活化探測器測量氘氘聚變中子產(chǎn)額[31],測量不確定度為7%.在內(nèi)爆阻滯階段,花生腔實驗的內(nèi)爆對稱性非常好,中子產(chǎn)額的測量值為6.3×109,YOS 達(dá)到30%.直柱腔實驗的內(nèi)爆熱斑嚴(yán)重變形,導(dǎo)致內(nèi)爆綜合性能顯著下降,其中子產(chǎn)額為2.7×109,YOS 僅為13%.

盡管已經(jīng)取得內(nèi)爆P2 不對稱性和聚變中子產(chǎn)額YOS 的明顯改善,本文對花生腔的研究還只是處于初步探索階段.為了在靶丸驅(qū)動輻射溫度相同的條件下,進(jìn)行花生腔與直柱腔的對比研究,本文采用的實驗設(shè)計比較簡單,尚未開展更加精密的內(nèi)爆性能調(diào)諧和優(yōu)化設(shè)計工作.例如,目前只是在內(nèi)爆阻滯階段控制住內(nèi)爆P2 不對稱性,輻射驅(qū)動P2 不對稱性隨時間變化的起伏仍然很大,這可能是目前整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆中子產(chǎn)額與一維內(nèi)爆數(shù)值模擬計算偏差較大的主要原因.為了進(jìn)一步提高三臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗的綜合性能,需要在后續(xù)研究中繼續(xù)采用模擬與實驗互相結(jié)合的方法,加強(qiáng)以下幾方面的工作: 首先,在不降低靶丸驅(qū)動輻射溫度的前提下,進(jìn)一步優(yōu)化花生腔凹槽位置和深度等參數(shù),并結(jié)合對激光內(nèi)外環(huán)功率比(特別是在激光脈沖前沿部分)的時間分辨調(diào)節(jié),以控制輻射驅(qū)動不對稱性隨時間變化的漲落幅度,向理想的球?qū)ΨQ輻射驅(qū)動逼近,減少殼層動能轉(zhuǎn)化為熱斑內(nèi)能過程中的能量損耗;然后,還需要對三臺階整形脈沖驅(qū)動產(chǎn)生的3 個內(nèi)爆沖擊波的追趕時序與匯聚位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和實驗調(diào)諧,抑制內(nèi)爆熵增對內(nèi)爆性能的影響;同時,采取有效措施,抑制內(nèi)爆流體力學(xué)不穩(wěn)定性增長與內(nèi)爆混合的不利影響.預(yù)期完成上述研究后,可以顯著縮小模擬計算與實驗測量的偏差,同步提升精密化實驗和模擬能力,為進(jìn)一步開展ICF 內(nèi)爆物理實驗研究提供有力支持.

5 結(jié)論

本文在三臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗中,利用花生腔的環(huán)形凹槽修正外環(huán)激光光斑及金泡的初始位置,有效抑制輻射驅(qū)動P2 不對稱性的正向增長,增強(qiáng)了內(nèi)爆對稱性調(diào)控能力.

本文采取了實驗測量與實驗后模擬計算互相結(jié)合的方法,完成了直柱腔與花生腔的對比研究.第一步,測量獲得的黑腔等離子體發(fā)射X 光圖像與模擬計算給出的黑腔等離子體運(yùn)動與能量分布演化都清楚表明,花生腔內(nèi)與外環(huán)對應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)區(qū)向黑腔腰部偏移,使靶丸赤道附近驅(qū)動得到增強(qiáng).第二步,測量獲得的黑腔局部輻射溫度與根據(jù)模擬計算得到的輻射溫度基本一致,為模擬計算靶丸輻射驅(qū)動特性的可靠性提供了間接檢驗.第三步,測量獲得的內(nèi)爆熱斑不對稱性與模擬計算給出的驅(qū)動不對稱性互相印證,在物理上是自洽的: 直柱腔極區(qū)驅(qū)動偏強(qiáng),產(chǎn)生扁圓內(nèi)爆,花生腔成功修正了P2 不對稱性,實現(xiàn)了近球形內(nèi)爆.第四步,內(nèi)爆中子產(chǎn)額的實驗測量值與一維模擬計算值比較,表明在靶丸驅(qū)動輻射溫度相同的條件下,內(nèi)爆對稱性的改善對實驗綜合性能產(chǎn)生了顯著影響: 直柱腔內(nèi)爆熱斑P2 約為–35%,YOS 僅為13%;花生腔內(nèi)爆熱斑P2 約為0%,YOS 達(dá)到30%.

實驗測量和模擬計算一致表明,在三臺階整形脈沖驅(qū)動內(nèi)爆實驗中,花生腔設(shè)計確實有助于增強(qiáng)P2 不對稱性調(diào)控能力,從扁圓內(nèi)爆改進(jìn)為近球形內(nèi)爆,顯著提高了內(nèi)爆綜合性能.后續(xù)還將從以下幾個方面繼續(xù)開展研究,進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)爆性能.例如,對花生腔凹槽位置和深度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合對激光脈沖前沿部分內(nèi)外環(huán)功率比的調(diào)節(jié)精細(xì)調(diào)控時變驅(qū)動不對稱性,減少靶丸殼層動能的損耗;通過優(yōu)化多個內(nèi)爆沖擊波的追趕時序與匯聚位置控制內(nèi)爆熵增;抑制流體力學(xué)不穩(wěn)定性增長導(dǎo)致的內(nèi)爆混合等.