激光驱动平面R-T流体力学不稳定性实验研究及其图像处理

摘要

“惯性约束聚变”(ICF)是实现可控热核聚变的途径之一，对于科学研究、工业应用和解决能源危机具有重要的意义。它利用内爆产生物质的向心运动来约束热核等离子体产生能量，其中激光惯性约束聚变是直接利用激光或激光与物质相互作用产生的X射线作驱动源，压缩氘氚主燃料层达到每立方厘米几百克质量的极高密度，并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点火条件，在高温度高密度热核燃料飞散之前，进行充分的热核燃烧，放出大量聚变能。
　　瑞利-泰勒流体不稳定性发生在不同密度层之间，当加速度由轻物质指向重物质或者轻物质支撑重物质时，外界给界面处一个小的扰动，瑞利-泰勒不稳定性就会发展起来，在ICF中这种小的扰动通常为激光的平面不均匀性或者球型靶层结构表面的粗糙度。它在时间上主要发生在惯性约束聚变压缩靶丸到芯的加速阶段以及冲击波反向后的减速阶段，空间上发生于球靶的不同层结构之间。比如氘氚球面靶，主要发生在烧蚀层与氘氚冰之间和氘氚冰与氘氚气体之间。由于瑞利-泰勒流体不稳定性随着时间的发展，将会扩大球靶表面的粗糙度，致使球壳烧蚀不均匀甚至于破裂，将严重得影响惯性约束聚变的最终点火，是惯性约束聚变研究中的一个关键性问题。另外，对于瑞利-泰勒流体不稳定性进行实验研究，从实验结果当中读取相应的物理规律，需要建立数据处理的模型，该方法也能对物理实验提出相应的建议。本论文主要围绕激光驱动惯性约束聚变，阐述了瑞利-泰勒流体不稳定性的原理和机制，进行相应的物理实验研究，并对最后的实验数据进行了处理和分析。具体如下:
　　1:针对神光Ⅱ高功率激光装置，获得了瑞利-泰勒流体不稳定的静态和动态图像。其中利用振幅为18微米，周期50微米的Al正弦调制靶，通过点投影的成像方式获得了清晰的X射线透过靶后的静态图像;利用振幅为0.6～0.8微米，周期49.5微米的Al正弦调制靶，通过针孔成像，正向诊断(Face-on)的方式获得了Al靶随时间发展变化的动态图像;利用振幅为2.2～2.75微米，周期75微米的CH正弦调制靶，通过点投影，侧向诊断(Side-on)的方式获得了CH靶随时间发展变化的动态图像。
　　2:在点投影的光路排布下，经过数据处理获得了该成像系统的调制传递函数(MTF)。根据得到的刀口图像，获取其边缘扩展函数(ESF)，利用微分原理得到相应的线扩展函数(LSF)，对LSF曲线进行离散Fourier变换，得到刀口实验图像关于频率的MTF曲线，从而完成了在该成像系统下实验数据的修正。
　　3:根据实验得到的静态图像，建立了静态图像数据处理的模型，对实验图像进行了数据处理和分析。利用快速傅里叶变换去除了高频和杂散信息;通过拟合背光的不均匀性曲线，扣除了背光的不均匀性对数据处理造成的影响，从而为动态实验数据的处理奠定了基础。
　　4:完成了对动态实验图像的数据处理，得到了瑞利-泰勒流体不稳定性随时间演化的部分规律。其中对于在Face-on方式下得到的实验图像，利用傅里叶变换去除了数据中的高频和杂散信息，另外，着重对高斯背光的不均匀性进行了分析和研究，降低了背光不均匀性对数据真实性的影响。通过扣除Al自发光的不均匀性，对数据进行了修正。利用X射线在物质中的传播规律得到了Al靶振幅和光学厚度随时间的演化曲线，并通过傅里叶频谱分析，判断在2.2ns时，瑞利-泰勒流体不稳定性进入到非线性阶段。对于在Side-on方式下得到的实验图像，利用傅里叶变换对强度数据进行了“光滑化”，通过取强度值5％的方法确定图像中明暗部分的边界，从而得出CH靶振幅随时间的演化曲线，利用同样的方法通过拟合靶面随时间演化的加速轨迹，得到靶面的加速度为69.8μ m/(ns)2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 惯性约束聚变(ICF)简介

1．1．1 中心点火和快点火模型

1．1．2 中心点火和快点火所引发的激光等离子体相互作用的研究近况

1．2 界面不稳定性与ICF的关系

1．2．1 靶球模型

1．2．2 界面不稳定性概念及其物理机制

1．3 R-T不稳定性物理实验和数据处理简介

1．4 本文的研究目的及其主要研究结果

第二章 瑞利-泰勒不稳定性

2．1 概述

2．2 瑞利-泰勒不稳定性的线性增长区间

2．2．1 瑞利-泰勒不稳定性的经典增长公式

2．2．2 瑞利-泰勒不稳定性的烧蚀致稳

2．3 瑞利-泰勒不稳定性的非线性增长区间

2．3．1 非线性区间渐进速度的理论推导

2．3．2 饱和振幅

2．4 ICF中靶与激光的优化设计

第三章：激光驱动瑞利-泰勒流体力学不稳定性实验研究

3．1 国外关于瑞利-泰勒实验研究的介绍

3．1．1 Side-on方式下R-T不稳定性物理量的测量和数据处理

3．1．2 Face-on方式下R-T不稳定性物理量的测量和数据处理

3．2 国内瑞利-泰勒不稳定性物理实验方法和结果介绍

3．2．1 实验条件

3．2．2 光路搭建

3．2．3 实验结果及初步分析

第四章 瑞利-泰勒不稳定性实验数据处理

4．1 瑞利-泰勒不稳定性实验诊断系统调制传递函数(MTF)的测量

4．1．1 MTF的介绍

4．1．2 测量MTF的原理

4．1．3 结合实验给出成像系统的MTF

4．1．4 小结

4．2 瑞利-泰勒不稳定实验图像数据的处理

4．2．1 静态实验图像数据的处理

4．2．2 动态图像数据的处理

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文