激光慣性約束核聚變中直接驅(qū)動(dòng)方式光束排布優(yōu)化研究.pdf

1、激光慣性約束聚變(ICF)有兩種常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式，分別是多束激光從各個(gè)方向直接照射聚變?nèi)剂系闹苯域?qū)動(dòng)方式，以及激光照射黑腔壁產(chǎn)生X射線來(lái)驅(qū)動(dòng)聚變?nèi)剂系拈g接驅(qū)動(dòng)方式。間接驅(qū)動(dòng)方式的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，黑腔輻射有利于均勻輻照，降低了對(duì)激光光束的均勻性以及光學(xué)系統(tǒng)精度的要求，另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于間接驅(qū)動(dòng)方式壓縮靶丸的物理過(guò)程不依賴(lài)驅(qū)動(dòng)源的種類(lèi)，因而可以較為方便地將其擴(kuò)展到對(duì)基于其他驅(qū)動(dòng)源的聚變研究上。直接驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)勢(shì)在于其具有較高的能量利用率，對(duì)聚變能

2、的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)這是至關(guān)重要的。
　　球形內(nèi)爆物理要求兩種驅(qū)動(dòng)方式提供極高的內(nèi)爆對(duì)稱(chēng)性以及穩(wěn)定性。穩(wěn)定性問(wèn)題涉及短波長(zhǎng)的擾動(dòng)，主要來(lái)自于輻照光束內(nèi)部小尺度的不均勻性以及制靶過(guò)程中的微小缺陷。而對(duì)稱(chēng)性問(wèn)題涉及長(zhǎng)波長(zhǎng)擾動(dòng)，主要來(lái)自于有限的光束束數(shù)，光束的排布方式，以及光學(xué)系統(tǒng)中不可避免的誤差如束間功率和能量不均衡，指向誤差等。在直接驅(qū)動(dòng)聚變中，一般認(rèn)為對(duì)短波長(zhǎng)擾動(dòng)的控制在脈沖輻照初期至關(guān)重要，因?yàn)榇藭r(shí)等離子體的熱勻滑效應(yīng)并不顯著。長(zhǎng)波長(zhǎng)的擾

3、動(dòng)由于不能被等離子體的熱效應(yīng)勻滑，會(huì)被“印記”在靶上。如果各種擾動(dòng)的總和超過(guò)了一定限度，最終會(huì)使絕熱壓縮無(wú)法實(shí)現(xiàn)或者直接使靶丸殼層破裂。通過(guò)增加光束數(shù)目的方法可以改善靶面的輻照均勻性，但是同時(shí)會(huì)使系統(tǒng)的復(fù)雜程度和造價(jià)大大增加。如何在給定束數(shù)的條件下設(shè)計(jì)更為合理的光束排布是本文研究的重點(diǎn)。我們對(duì)先前的光束排布方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了一些新的優(yōu)化方案。
　　本文研究?jī)?nèi)容和取得的成果:
　　1.系統(tǒng)地研究了直接驅(qū)動(dòng)方式的輻照均

4、勻性。分析了輻照不均勻度的高階和低階項(xiàng)對(duì)聚變內(nèi)爆對(duì)稱(chēng)性的影響，梳理了輻照不均勻度的主要來(lái)源并給出了對(duì)應(yīng)的改善方案。系統(tǒng)地分析了早期光束排布方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　2.對(duì)基于電子排斥力模型的光束排布方案進(jìn)行了詳細(xì)地分析，對(duì)應(yīng)的光束排布如M20，M24和M48，具有較高的幾何對(duì)稱(chēng)特性，可以很好的改善靶面輻照均勻性。對(duì)基于電子排斥力模型的研究表明，最低的球面電子系統(tǒng)勢(shì)能對(duì)應(yīng)著所有幾何因子項(xiàng)平方和的最小值，因而基于電子排斥力模型的方案可以得到

5、具有高度對(duì)稱(chēng)性的排布結(jié)構(gòu)。我們將這個(gè)方案推廣到了任意勢(shì)能的粒子系統(tǒng)，并首次證明了最低的靶面輻照不均勻度對(duì)應(yīng)著粒子系統(tǒng)勢(shì)能的最低值。通過(guò)這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系提出了基于構(gòu)建梯度力的排布優(yōu)化方案，對(duì)于給定的光束強(qiáng)度分布和光束數(shù)目，獲得的光束排布對(duì)應(yīng)著極小的輻照不均勻度。
　　3.首次給出了幾何因子項(xiàng)Gl≤t=0的一般條件:∑Nk=1Ylm（→Ωk）/N=0，-l≤m≤l;1≤l≤t。該條件在數(shù)學(xué)上等效于spherical t-design的定義

6、。我們首次將spherical t-design運(yùn)用于光束排布設(shè)計(jì)之中，發(fā)現(xiàn)了一些排布可以有效地改善靶面的輻照均勻性，這些排布簡(jiǎn)記為:T724，T732，P732，T948，T954，T1060，T1172。我們系統(tǒng)地這些排布的幾何對(duì)稱(chēng)特性以及均勻輻照特性進(jìn)行了研究。
　　4.系統(tǒng)地研究了基于光纖激光的ICF中光纖非相干組束的問(wèn)題，首先分析了光纖的模式特性，其次設(shè)計(jì)了一種基于擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的光纖陣列耦合方案，最后討論了光纖束間距，望

7、遠(yuǎn)系統(tǒng)放大率，離焦距離等對(duì)聚焦平面光束強(qiáng)度輪廓的影響。
　　5.提出了一種針對(duì)甚多光束激光驅(qū)動(dòng)ICF的光束排布方案，我們證明了在光束數(shù)目充足的條件下，均勻輻照等效于光束均勻排布。給出了一種基于球面等面積分割的排布優(yōu)化方案，獲得了近似均勻的排布結(jié)構(gòu)。該方案具有簡(jiǎn)單，計(jì)算量小的特點(diǎn)，避免了求解超大規(guī)模非線性方程組的困難。
　　本文創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　1.給出了基于電子排斥力模型排布優(yōu)化方案的理論支持，從理論上證明了最低的球面

8、電子系統(tǒng)勢(shì)能等效于所有幾何因子項(xiàng)平方和的最小值。
　　2.提出了基于粒子構(gòu)建梯度力的優(yōu)化排布方案，并首次證明了最低的靶面輻照不均勻度對(duì)應(yīng)著粒子系統(tǒng)勢(shì)能的最小值。該方案針對(duì)給定的光束光強(qiáng)輪廓和光束束數(shù)對(duì)光束排布進(jìn)行優(yōu)化，相比電子排斥力模型，該方案可以將輻照不均勻度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。該方案的意義在于，對(duì)光束排布的優(yōu)化而言，它是一種普適的數(shù)值方案。
　　3.首次給出了獲得幾何因子項(xiàng)Gl≤t=0的一般條件:∑Nk=1Ylm（→Ωk）/