利用NIF的三冲击波绝热整形脉冲驱动源进行的辐射驱动分层DT靶内爆实验

发布时间: 2015-12-08 11:14:40   作者:本站编辑   来源: PHYSICS OF PLASMAS   浏览次数:

 

   

  在辐射驱动的分层DT塑料靶内爆实验中使用了国家点火装置上的三冲击波绝热整形驱动源。使用绝热整形的目的在于利用最先到达的比较强的冲击波减小烧蚀材料中的流体动力学不稳定性的增长率。这一冲击波在到达DT燃料之前会逐渐的衰减,从而使DT燃料处在较低的绝热,这样就允许更高的燃料压缩。利用这一驱动源得到的燃料面密度相比相似情况下的高脚内爆提高了大约25%,而中子产额相比于在相同压缩率和内爆速度下的底脚内爆驱动源提高了4倍多。

  利用绝热整形的方法为间接驱动建立了三冲击波驱动源(和HF中使用的相似)以及四冲击波驱动源(类似LF)。四冲击波驱动源的设计主要是为了通过增加篱笆激光的强度来优化在低绝热下的底脚驱动源的RM相,而三冲击波则通过降低激光的低谷来维持和高脚脉冲在低绝热下相同的RMRT特性。这里主要对利用新的三冲击波绝热整形驱动源进行的实验的第一手结果进行介绍,这些实验包括流体动力学增长率和分层DT靶实验。在这些试验中,相比于高脚内爆燃料的压缩率增加了,同时中子产额相比于底脚内爆有所增加,流体动力学不稳定性的增长率维持在和高脚内爆相似的水平。

  1列出了用于分层DT靶内爆实验的三冲击波绝热整形脉冲(shot N150115,以及在相似的内爆参数下的高脚驱动源(shot N130812)和底脚驱动源(shot N120321)。

  如图一所示,底脚驱动源和三冲击波绝热整形驱动源有相同强度的篱笆樁(有利于烧蚀前端的稳定性抑制),而在绝热整形脉冲中,低谷部位的强度相对于高脚脉冲减小了四倍。这样对于绝热整形驱动源,初始脉冲后部的推动更少,因此在向靶壳内部传播的过程中会逐渐的衰减,相对于高脚内爆的设计减少了燃料的绝热。与此同时,对于绝热整形驱动源,稍低的第二脉冲也是得到比预计低的绝热(预计α~2.1)的原因之一,一般情况下比高脚内爆要低~10%。作为比较,底脚驱动源有小的“篱笆樁”和低的“低谷”,使燃料的绝热α~1.5,这对于抑制烧蚀前端的不稳定性没有益处。图二展示了在峰值速度下烧蚀前端不稳定性的增长因子与legendre模数之间的关系图,他们分别对应高脚驱动源,底脚驱动源,和三冲击波绝热整形驱动源。高脚驱动源和绝热整形驱动源有相同的不稳定性增长因子,与底脚驱动源相比减少很多。

  1.底脚脉冲、高脚脉冲、三冲击波绝热整形脉冲的激光功率-时间示意图

  

  2. 预计的振幅调制增长率与调制legendre模数之间的关系,分别对应在峰值速度下的底脚驱动源、高脚驱动源和三冲击波绝热整形驱动源

  绝热整形驱动源和高脚驱动源有相似的不稳定性增长率这一事实已经通过利用HGR平台进行的一个实验得以验证。在这一实验中,初始设定扰动的增长率通过x射线背光进行测量。图3比较了光学深度振幅在不同的半径的变化情况,两个图分别对应图2中增长率曲线峰值模式附近(模6090)的结果。测量(点图)以及模拟的振幅(带状图)表明,两个模式都随着半径的减小而增加,高脚驱动源和绝热整形驱动源在穿越数倍半径的距离后,增长率处在相似的水平,这一水平低于底脚内爆的增长率。

  

  3. 光学深度调制振幅-靶丸半径图线。对应两种模数6090,三种驱动源。以及模拟结果。

  4中给出了绝热整形脉冲N150115作用下的中子增益,同时与之前的底脚内爆和高脚内爆进行了比较,其他的试验参数列在表1中。燃料的压缩率通过散射到1012MeV能量范围内中子的下散射率得到,这相对于中子的主能量范围为1315MeV。处在低能端的中子(决定下散射率)主要是由DT燃料的散射造成的,在模拟中,下散射率和面密度有关系式:DSR即下散射率)。

图4. 测得的DT燃料中子增益随下散射率(下散射中子10-12MeV,主中子在14-17MeV)在三种驱动源下的变化。虚线为计算得到的由alpha加热引起的增益变化曲线

 

  从图4和表1中可以看出,相对于底脚内爆(包括在相同的内爆速度、相同的靶丸厚度、相同的压缩率(~5%由下散射率得到)下进行的内爆),三冲击波绝热整形脉冲作用下内爆的中子产额增加了四倍。这说明低脚内爆的结果被烧蚀前端的流体动力学不稳定性减弱,因为低脚内爆的流体动力学不稳定性的增长率要高很多,如图3所示。在绝热整形脉冲试验中使用的支撑薄膜的厚度减小到了33nm,在低脚内爆中经常使用110nm厚的薄膜。

  1 三类驱动源下的主要实验结果

  

  综上所述,利用NIF的三冲击波绝热整形驱动源进行了分层的DT塑料靶内爆实验,这是第一次利用x射线进行的类似实验。绝热整形驱动源保持了高脚驱动源地RMRT增长率的特性,同时减少了燃料的绝热,有利于燃料的进一步压缩。燃料的面密度相比于相似的高脚提高了25%,达到了~0.1g/cm2。总的中子产额达到了~3.8×1015,相比于同样压缩率和内爆速度的“低脚”内爆增加了四倍。利用这一新的驱动源进行的实验对于未来研究造成内爆恶化的不稳定性高模式增长、低模式外形不对称性以及热电子预加热有所帮助。

  田野摘译自:First results of radiation-driven, layered deuterium-tritium implosions with a 3-shock adiabat-shaped drive at the National Ignition Facility, V. A. Smalyuk et.al., PHYSICS OF PLASMAS 22, 080703 (2015)

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