[发明专利]激光聚变六孔球腔靶室全物理诊断排布方法及系统

说明书

本发明实施例中公开了一种激光聚变六孔球腔靶室物理诊断排布方法及系统。其中，方法包括：根据六孔球腔的几何特征和激光排布特点，将六孔球腔腔内环境划分为不同种类的特征区域；确定各种类特征区域需要诊断的物理量；根据所要观测的特征区域及其需要诊断的物理量确定所采用的诊断设备及其诊断角度。本发明实施例中的技术方案能够观测六孔球腔内的辐射场环境。

技术领域

本申请涉及能源领域，特别是一种激光聚变六孔球腔靶室全物理诊断排布方法及系统。

背景技术

在间接驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)中，激光通过注入孔被注入到高Z材料黑腔腔壁并被转换成X光，X光辐射驱动并压缩位于黑腔中心的球形氘氚靶丸，靶丸被压缩加热至极高的温度、密度和压力后实现聚变并释放出足够的能量。一般地，ICF点火靶丸约为毫米尺寸，要求被压缩30至40倍、点火热斑的温度达到5keV、物质密度达到300g/cm³、压力达到350Gbar并维持几十ps的时间。为了达到这样极端的条件，通常要求点火靶丸的辐射驱动源温度误差低于2％、辐照不均匀度低于1％，而这样苛刻的要求是对人类科学认知的巨大挑战。

在ICF中，提供具有高辐照均匀度的球对称辐射驱动力是实现聚变点火的首要条件，而激光注入黑腔所产生的辐射场的均匀性则主要取决于黑腔构型和激光排布。在长达近五十年的间接驱动研究中，具有两个激光注入孔(Laser Entrance Hole，LEH) 的柱形黑腔是国际ICF领域中提出最早、研究最多的黑腔构型。现今世界上所有以研究ICF为目的的激光装置都是针对柱腔而建，包括世界上最先进、最大规模的激光装置——美国国家点火装置NIF。但NIF仍未能实现其最重要的点火目标。研究表明， NIF点火失败与其所采用的传统柱形黑腔构型密切相关，柱腔无法提供点火靶丸所需的球对称辐射驱动力，并导致了严重的低阶模不对称性、严重的激光等离子体不稳定性和严重的内爆流体力学不稳定性等三大点火障碍，而用于NIF点火靶设计的数值模拟程序却未能对这些问题进行很好的模拟与预判。

有关ICF的研究，涉及到黑腔环境中的激光传播、激光沉积、激光-X光转换、辐射输运、内爆靶丸表面烧蚀、燃料内爆、减速阻滞、点火燃烧等诸多极其复杂的物理过程，这给理论研究、数值模拟、点火靶设计提出了巨大的挑战。精密诊断则是缩短理论与实验之间的差距、实现具有高置信度的激光聚变全物理数值模拟的关键手段。

有关实验诊断排布设计是需要兼顾激光工程、制靶工程、几十甚至上百种门类诊断设备的一个庞大而复杂的系统工程。在点火装置上有一个靶室，点火靶被安装在靶室中心。在靶室上，开有激光入射法兰孔和诊断孔，所有激光通过这些激光入射法兰孔注入到黑腔腔壁上，所有诊断设备则通过这些诊断孔来观测黑腔内的辐射场特性和聚变靶丸的内爆性能。靶室的建造十分精密、复杂，一旦建成便无法再增设开孔位置。因此，一个靶室上的诊断排布设计必须在靶室建成之前敲定。以美国NIF点火装置为例，其点火黑腔是一个长度为厘米量级的、长度与直径之比约为1.8左右的柱腔，放置于柱腔中心的点火靶丸直径为2毫米左右。相比这么一个小小的点火靶，NIF激光装置可谓庞然大物，其规模约为三个足球场大小。在NIF装置上，点火靶安装在一个直径为10米的球形靶室中心。在这个靶室上，开有72个激光入射法兰孔和上百个诊断孔。这些诊断孔用于安装各种复杂、精密的诊断设备，以满足来自各方面的物理需求。遗憾的是，尽管美国NIF靶室拥有世界上最先进的诊断设备，却仍无法精准提供点火靶丸所需的辐射驱动源。这不仅与NIF装置所采用的柱腔构型及其柱腔中黑腔辐射场的复杂性有关，也与NIF靶室诊断排布的物理设计思想有关系。