激光間接驅動慣性約束聚變中受激散射過程的理論和實驗研究.pdf

1、激光在等離子體中的受激散射過程，包括受激布里淵散射(SBS)和受激拉曼散射(SRS)，是間接驅動慣性約束聚變(ICF)研究中最重要的課題之一。它會從三個方面對聚變“點火”過程產(chǎn)生不利:損失激光能量，從而降低黑腔內部的X光輻射溫度;改變激光強度在黑腔內壁上的空間分布，從而破壞腔內X光輻射場的對稱性;產(chǎn)生超熱電子，預熱聚變材料，從而影響聚變增益。正是因為這些因素，對受激散射過程進行細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動I

2、CF研究中亟待解決的問題。然而受激散射是一個極其復雜并且對等離子體狀態(tài)參數(shù)十分敏感的物理過程，因此需要從解析理論、數(shù)值模擬以及實驗診斷等多個角度對其進行全面系統(tǒng)的研究。
　　本論文的工作就是針對激光間接驅動ICF中的受激散射過程，從理論和實驗兩個方面對其進行系統(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稱位型的三波耦合理論模型，并用它們對受激散射過程中的基本物理機制進行了分析。為了開展關于受激散射過程

3、的實驗研究，我們在國內最主要的研究平臺一神光Ⅲ原型裝置上搭建了一套Thomson散射診斷系統(tǒng)，用來獲取高精度、高時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)，我們在神光Ⅲ原型裝置的充氣腔靶位型下，開展了一輪系統(tǒng)的物理實驗，并對實驗中與受激散射相關的物理量進行了全面的診斷。實驗中獲得的豐富數(shù)據(jù)，既加深了人們對腔內物理過程的理解，也為輻射流體程序的校核提供了基準。
　　至于具體的工作，我們總結如下。
　　第一，我們發(fā)展了一套

4、更為完善的處理受激散射過程的一維理論模型。該模型所具備的能力包括以下幾個方面:1）考慮了泵波衰竭效應;2）考慮了激光和散射光的逆軔致吸收過程;3）能夠同時處理不同頻率的散射光;4）同時考慮了等離子體中的軔致輻射和激光的Thomson散射對散射光體噪聲源的貢獻，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對散射光的份額造成嚴重的影響。SBS與SRS通過泵波衰竭效

5、應而發(fā)生的相互競爭，可能是導致兩者在實驗上呈反關聯(lián)現(xiàn)象的主要原因。光場非均勻性引起的等離子體狀態(tài)參數(shù)的變化基本不會對散射光的份額造成影響。磁場的引入能夠有效地抑制受激散射過程，10 T左右的磁場就可能明顯地降低散射光的份額。
　　第二，我們發(fā)展了一套二維柱對稱位型下的理論模型，用來研究光束的衍射和自聚焦效應對受激散射過程的影響，以及對散射光的橫向分布進行分析。文中對靜電波的密度擾動、有質動力作用下背景密度的表達式、散射光光強的遠場

6、分布、模型的數(shù)值計算方法等進行了詳細介紹。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。結果顯示，對散射光份額起決定性作用的是激光的Rayleigh長度而非等離子體長度，自聚焦效應能讓散射光的遠場分布具有更小的發(fā)散角，逆軔致吸收基本不會影響散射光的遠場分布。此外，非均勻的等離子體參數(shù)分布會造成受激散射過程的耦合失諧，從而影響散射光在近場和遠場的橫向分布。
　　第三，我們在神光Ⅲ原型裝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)可以實現(xiàn)對四倍頻探針光Thomson散射信號中離子譜雙峰和電子譜紅峰的同時診斷。我們對收光系統(tǒng)的光學元件進行了精心設計，以滿足Thomson散射診斷的實驗需求。標定的結果表明，對于神光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，兩個支路的成像分辨率都優(yōu)于5μm，完全達到物理實驗的需求。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。這一方面驗證了這套診斷系統(tǒng)的可靠性，另一方面也為物理機制的探索和分析提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。
　　第四，我們在神光Ⅲ原型裝置上開展了一輪關于充氣腔靶位型下受激散射過程的物理實驗。實驗中使用了7類診斷設備，對激光與充氣腔靶的相互作用過程進行了全面的探測，獲得了豐富的數(shù)據(jù)。Thomson散射診斷的結果顯示，對于加熱束激光通道內的CH區(qū)域，標準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