黑腔x射线预热现象研究

摘要

激光在与黑腔作用过程中，将能量高效地转化为x射线辐射场。利用该辐射场，人们可以在实验室环境中产生高压冲击波以致力于聚变点火过程以及对高能量密度物质的研究。然而黑腔辐射场中往往存在较高能的x射线，当这部分射线与样品相互作用时，会产生预热现象，即样品在冲击波到来之前被提前加热，同时引发相应的流体运动与状态改变。这种预热效应可破坏内爆靶丸低熵压缩要求，降低冲击波的调速精度与靶丸压缩度，从而导致点火失败。同时，预热效应可能影响目前聚变过程中非常关心的材料混合以及流体力学不稳定性等方面问题。因此，开展对预热问题的研究讨论是非常有必要的。目前国外开展了相对多的间接驱动预热实验，取得了丰富的实验结果，同时结合流体模拟校验，逐步建立起高精度的诊断系统与比较可靠的预热评估能力。而国内对预热的研究目前基本仍是空白，诊断技术不完善，缺乏相关的实验研究及数据分析。
　　本论文涉及的工作主要是利用不同诊断技术研究预热所带来的诸多效应，并通过理论分析建立不同现象之间的关联，发展一套比较完备的预热诊断体系，获得体系各方面自洽的预热诊断结果。主要内容分为以下两个部分:1）.实验上利用主动诊断技术探测样品自由面的预热性质和行为演化，提出了一种预热源特性反演方法，可以更直接地反映腔内x射线辐射场的光谱演化特性，同时结合数值模拟对预热现象进行定量评估和研究;2）.发展了样品亮度温度被动式测量平台，设计了系统光谱响应的相对标定路线。该路线有效降低了辐射高温计系统的标定难度，并从实验上验证了针对预热及冲击波温度、具有高时空分辨的测量技术。
　　1.样品自由面预热运动的实验及模拟研究
　　预热过程是驱动源与样品相互作用的结果，是一个复杂的次级过程。黑腔内驱动源特性的演化将从很大程度上影响材料的预热现象。目前针对腔内驱动源的诊断往往是直接测量诊断孔发射的x射线辐射。这种方法会受到观测角度、等离子体吸收、诊断孔缩孔的影响，导致测量的辐射源与样品感受到的辐射源之间存在较大差异。
　　结合主动式诊断系统的实验结果，我们设计了一种全新的辐射源特性研究路线，即通过样品的预热现象反演驱动源光谱演化特性。结果表明，对于铝样品而言，影响预热的x光能量主要分布在1.5keV附近和3keV以上，通过合理调节驱动源在这两部分的时间演化行为，可以获得与实验诊断结果相同的自由面运动历史，该方法能够更直接反映样品感受到的实际辐射源强度。进一步地，通过选择合适的样品材料及靶型设计，有可能利用预热现象从实验上对腔内特定能带的x射线发射进行同时定量评估，这是一种潜在的观测腔内辐射源的特性的诊断方法。同时，模拟研究可以给出样品自由面卸载状态的时间演化和空间分布，结合Drude模型可以计算样品表面反射率的时间演化。与VISAR诊断的反射率数据相比，二者具有比较一致的时间行为。模拟计算的结果同时符合了样品自由面运动和反射率演化的自治性。
　　2.温度诊断系统的标定与实验研究
　　为了与模拟的温度直接关联，实验上需要发展直接测温技术，而温度诊断一直是冲击波诊断中不确定度较大的部分，同时高温计系统的标定具有较大难度。在激光聚变过程中，我们针对预热现象和冲击波所达到的温度区间，在国内率先进行了辐射高温计系统信号通道的优化，给出了系统设计的参考依据，同时设计了一种相对简单的标定方法，该方法首先对系统进行相对响应标定，避免了标定光路与实验光路之间存在差异而导致的测量误差，然后利用标准材料作为光源对系统进行绝对定标。这种方法有效地降低了标定难度。实验利用该系统首次对激光加载冲击波开展了温度测量，获得了符合预期的实验结果。通过数据后处理，初步给出了系统测温的精度大约为9％～15％。
　　通过上面的研究，我们对黑腔中的预热效应有了一个初步的认识，针对其在不同方面所产生的影响，实验中运用了不同的诊断技术。结合流体力学模拟和目前建立的诊断平台，我们可以对部分预热现象进行半定量的实验研究，获得比较自洽的理论解释。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 惯性约束聚变研究发展现状

1．2 惯性约束聚变面临的问题以及预热研究的必要性

1．3 预热产生机制与研究概述

1．4 论文结构安排

参考文献

第2章 预热研究的发展与现状

2．1 驱动源特性的研究进展

2．1．1 腔内x射线能谱与辐射流测量

2．1．2 腔内M带x射线通量测量与超热电子测量

2．1．3 腔内M带x射线发射份额测量新方法

2．2 样品预热效应的诊断与实验进展

2．2．1 样品预热的半定量实验规律研究

2．2．2 样品预热控制及对靶丸增益的影响

2．2．3 烧蚀材料预热效应研究

2．2．4 冷冻靶实验的预热研究

参考文献

第3章 预热效应的理论与模拟计算

3．1 辐射输运与扩散近似

3．1．1 辐射输运原理

3．1．2 扩散近似与不透明度

3．2 辐射输运的数值计算

3．2．1 灰体近似与多群计算

3．2．2 多群计算中的能量分配

3．3 材料流体力学和热力学性质演化

3．3．1 材料力学性质演化

3．3．2 材料热力学性质演化

参考文献

第4章 样品自由面特性诊断与预热源反演

4．1 预热实验设计与诊断排布

4．2 诊断设备原理介绍

2．4．1 诊断设备介绍——光学条纹相机

2．4．2 诊断平台介绍——VISAR

4．3 预热实验结果与分析

4．3．1 驱动源特性及重复性分析

4．3．2 自由面运动测量与预热源分析

4．4 样品反射率测量及预热模拟评估

4．4．1 VISAR信号反射率测量

4．4．2 样品表面反射率的计算

4．4．3 介电函数的计算模型

4．4．4 材料状态及计算结果

参考文献

第5章 辐射高温计系统与温度被动诊断

5．1 温度测量原理与研究现状

5．2．1 激波温度测量原理

5．1．2 温度诊断发展及现状

5．2 诊断平台构造及测温通道设计

5．2．1 诊断平台构造与原理

5．2．2 系统测温通道设计优化

5．3 相对光谱响应的标定方法介绍

5．3．1 标定光路

5．3．2 标定光路重复性检验

5．3．3 系统增益标定结果

5．3．4 相机光谱响应的相对标定

5．4 温度标定实验设计与结果

5．4．1 实验设计与排布

5．4．2 温度标定实验结果

5．4．3 数据不确定度分析

参考文献

第6章 总结及展望

6．1 工作总结

6．2 经验总结

6．3 前景展望

附录 基于SOP技术的预热抑制对比实验

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果