激光間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變中受激散射過(guò)程的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、激光在等離子體中的受激散射過(guò)程，包括受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)，是間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變(ICF)研究中最重要的課題之一。它會(huì)從三個(gè)方面對(duì)聚變“點(diǎn)火”過(guò)程產(chǎn)生不利:損失激光能量，從而降低黑腔內(nèi)部的X光輻射溫度;改變激光強(qiáng)度在黑腔內(nèi)壁上的空間分布，從而破壞腔內(nèi)X光輻射場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性;產(chǎn)生超熱電子，預(yù)熱聚變材料，從而影響聚變?cè)鲆妗Ｕ且驗(yàn)檫@些因素，對(duì)受激散射過(guò)程進(jìn)行細(xì)致分析并找到抑制其發(fā)展的有效方法，成為了目前激光間接驅(qū)動(dòng)I

2、CF研究中亟待解決的問(wèn)題。然而受激散射是一個(gè)極其復(fù)雜并且對(duì)等離子體狀態(tài)參數(shù)十分敏感的物理過(guò)程，因此需要從解析理論、數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)診斷等多個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行全面系統(tǒng)的研究。
　　本論文的工作就是針對(duì)激光間接驅(qū)動(dòng)ICF中的受激散射過(guò)程，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。我們基于一維線性理論，發(fā)展了一套完善的一維平板位型和一套二維柱對(duì)稱(chēng)位型的三波耦合理論模型，并用它們對(duì)受激散射過(guò)程中的基本物理機(jī)制進(jìn)行了分析。為了開(kāi)展關(guān)于受激散射過(guò)程

3、的實(shí)驗(yàn)研究，我們?cè)趪?guó)內(nèi)最主要的研究平臺(tái)一神光Ⅲ原型裝置上搭建了一套Thomson散射診斷系統(tǒng)，用來(lái)獲取高精度、高時(shí)空分辨的等離子體狀態(tài)參數(shù)信息。利用這套診斷系統(tǒng)，我們?cè)谏窆猗笤脱b置的充氣腔靶位型下，開(kāi)展了一輪系統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)中與受激散射相關(guān)的物理量進(jìn)行了全面的診斷。實(shí)驗(yàn)中獲得的豐富數(shù)據(jù)，既加深了人們對(duì)腔內(nèi)物理過(guò)程的理解，也為輻射流體程序的校核提供了基準(zhǔn)。
　　至于具體的工作，我們總結(jié)如下。
　　第一，我們發(fā)展了一套

4、更為完善的處理受激散射過(guò)程的一維理論模型。該模型所具備的能力包括以下幾個(gè)方面:1）考慮了泵波衰竭效應(yīng);2）考慮了激光和散射光的逆軔致吸收過(guò)程;3）能夠同時(shí)處理不同頻率的散射光;4）同時(shí)考慮了等離子體中的軔致輻射和激光的Thomson散射對(duì)散射光體噪聲源的貢獻(xiàn)，以及有可能存在的邊界噪聲源。由該模型可以發(fā)現(xiàn)，在充氣腔靶位型下，腔壁高Z等離子體的軔致輻射和入射激光在臨界密度面的反射光會(huì)對(duì)散射光的份額造成嚴(yán)重的影響。SBS與SRS通過(guò)泵波衰竭效

5、應(yīng)而發(fā)生的相互競(jìng)爭(zhēng)，可能是導(dǎo)致兩者在實(shí)驗(yàn)上呈反關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的主要原因。光場(chǎng)非均勻性引起的等離子體狀態(tài)參數(shù)的變化基本不會(huì)對(duì)散射光的份額造成影響。磁場(chǎng)的引入能夠有效地抑制受激散射過(guò)程，10 T左右的磁場(chǎng)就可能明顯地降低散射光的份額。
　　第二，我們發(fā)展了一套二維柱對(duì)稱(chēng)位型下的理論模型，用來(lái)研究光束的衍射和自聚焦效應(yīng)對(duì)受激散射過(guò)程的影響，以及對(duì)散射光的橫向分布進(jìn)行分析。文中對(duì)靜電波的密度擾動(dòng)、有質(zhì)動(dòng)力作用下背景密度的表達(dá)式、散射光光強(qiáng)的遠(yuǎn)場(chǎng)

6、分布、模型的數(shù)值計(jì)算方法等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。在二維模型中，我們討論了一些有別于一維模型的基本物理規(guī)律。結(jié)果顯示，對(duì)散射光份額起決定性作用的是激光的Rayleigh長(zhǎng)度而非等離子體長(zhǎng)度，自聚焦效應(yīng)能讓散射光的遠(yuǎn)場(chǎng)分布具有更小的發(fā)散角，逆軔致吸收基本不會(huì)影響散射光的遠(yuǎn)場(chǎng)分布。此外，非均勻的等離子體參數(shù)分布會(huì)造成受激散射過(guò)程的耦合失諧，從而影響散射光在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的橫向分布。
　　第三，我們?cè)谏窆猗笤脱b置上搭建了一套透射式、雙支路的Tho

7、mson散射診斷系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)四倍頻探針光Thomson散射信號(hào)中離子譜雙峰和電子譜紅峰的同時(shí)診斷。我們對(duì)收光系統(tǒng)的光學(xué)元件進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，以滿足Thomson散射診斷的實(shí)驗(yàn)需求。標(biāo)定的結(jié)果表明，對(duì)于神光Ⅲ原型裝置上等離子體的典型參數(shù)，電子譜支路完全能夠分辨Thomson散射電子譜紅峰的峰位。另一方面，兩個(gè)支路的成像分辨率都優(yōu)于5μm，完全達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)的需求。利用這套診斷系統(tǒng)，我們獲得了神光Ⅲ原型裝置上不同靶型、不同空間位置的

8、等離子體狀態(tài)參數(shù)信息。這一方面驗(yàn)證了這套診斷系統(tǒng)的可靠性，另一方面也為物理機(jī)制的探索和分析提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。
　　第四，我們?cè)谏窆猗笤脱b置上開(kāi)展了一輪關(guān)于充氣腔靶位型下受激散射過(guò)程的物理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中使用了7類(lèi)診斷設(shè)備，對(duì)激光與充氣腔靶的相互作用過(guò)程進(jìn)行了全面的探測(cè)，獲得了豐富的數(shù)據(jù)。Thomson散射診斷的結(jié)果顯示，對(duì)于加熱束激光通道內(nèi)的CH區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)腔和直筒腔兩種位型下的電子溫度分別在1.0 keV和0.9 keV左右。由