隔离及量化OMEGA和国家点火装置上直接驱动内爆中的交叉束能量传递

发布时间: 2016-06-20 13:56:14   作者:本站编辑   来源: Physics of Plasm   浏览次数:

  

   

  直接驱动的惯性约束聚变(ICF)中,激光束直接辐照球形靶丸来驱动内爆。靶丸压缩的同时,其向内收缩的动能传递到燃料的内能中激发稠密热核中的聚变反应。为了驱动内爆,激光能量在等离子中被吸收并由电子传递到烧蚀前端,使壳层获得烧蚀和加速。在等离子体中激光束的交叉将驱动布里渊散射(SBS)不稳定性,这将造成部分显著的入射能量从等离子体中流失。交叉束能量转移(CBET)是由等离子体中两个电磁场波振动形成的离子声波驱动受激布里渊散射造成。能量从其中一个电磁波转移到另一个电磁波中,其转移量取决于驱动的离子声波的强度。在直接驱动的聚变实验中,向外传播的激光束在靶丸周围反射或被散射,并与向内传播的激光束交叉,使得部分显著的能量在被等离子体吸收前流失。

  在间接驱动的惯性约束核聚变中,等离子体状态的不确定以及单束高强度的激光束将引起较大振幅的离子声波从而令建立交叉束能量转移的准确预测模型较为困难。此外,实验中发现交叉束能量转移还将造成激光束极化方向的偏转。因此,在对多束交叉束能量转移的区域建模时,激光束极化方向的偏转也需要被考虑。在直接驱动实验中则是利用散射光谱以及壳层轨迹的测量来证实和测量交叉束能量转移。

  本文通过比较在同一内爆反应中,分别在低和高交叉束能量转移区域的质量烧蚀率以及烧蚀前端轨迹,测量了交叉束能量转移对激光能量耦合到烧蚀前端的影响。利用极化直接驱动位形,即环绕赤道的激光束沉积到靶丸上,而其余的激光束重新指向赤道,这样将令两极处的不利交叉束能量转移影响降低,而在赤道处增强。结合同一内爆过程中高和低交叉束能量转移状态可以测定交叉束能量转移的流体动力学耦合。与此同时通过提供靶丸的瞬时质量和烧蚀前端速度能够测量角向质量烧蚀率以及壳层的轨迹从而测定内爆的动能。

  OMEGA上的实验利用40351nm的相同能量激光束,按极化直接驱动的位形置放,靶丸外壳两极分别有三圈激光束。两极处两个内环的激光束以5°、外环激光束以20°倾角指向靶丸的赤道。在靶丸上的能量在8.1±0.2kJI7×1014W/cm2),以及11.8±0.1kJI10×1014W/cm2)和16.0±0.1kJI14×1014W/cm2)间。靶丸为19.6±0.3μm厚的CH壳层。其外裹有2.4±0.2,1.6±0.2和。0.6±0.2μm的硅。

  为了测量交叉束能量转移在OMEGA直接驱动实验中的影响,激光位形采用环绕靶丸赤道的激光束关闭而余下的激光束重新瞄准赤道的方式(图1(b))。这种位形限制了背向靶丸的反射光与入射方向极化光的相互作用,显著降低了交叉束能量转移在两极处的影响。而重新瞄准则增强了未被吸收激光在赤道附近的等离子体中的束流,因而增强了赤道附近的交叉束能量转移影响。由于在内爆设计采用的是均匀驱动而未考虑交叉束能量转移,故测量到的两极与赤道处的驱动差异是来源于交叉束能量转移。

 

  1 (a)对称的直接驱动激光位形 (b)极化直接驱动的激光位形 (c)2-D DRACO分别在包含和不包含交叉束能量转移的烧蚀压强模拟结果

      2展示了利用烧蚀前端以及Si/CH交界面的轨迹来确定硅的烧穿时间。硅的烧穿时间由轨迹对的分离时刻决定,其值在赤道和两极处分别为0.59±0.04ns0.52±0.04ns。测得的烧蚀前端半径在赤道和两极处分别为140±2μm111±2μm,这表明在赤道处的平均烧蚀压强要低于两极处,因而赤道处的有更慢的烧蚀速度。

  2 Si/CH交界面(蓝色圆圈)以及烧蚀前端(蓝色方块)在(a)两极和(b)赤道处的轨迹

  2中在两极处的轨迹测量值与未考虑交叉束能量转移的DRACO模拟结果能很好的吻合。这表明耦合物理机制可以较好的模拟交叉束能量转移影响较小时的情形。通过计算得出的赤道轨迹与两极相近似,因此未考虑交叉束能量转移时的内爆具有对称性。然而实际测量的赤道轨迹烧穿时间推迟,并且最终半径大于计算值,说明交叉束能量转移显著降低了该处的驱动。在DRACO中加入基于射线的3维模型,从图2中可以看出,改进的模拟结果与测量值更为接近。

  本文利用同步2维硅质量烧蚀率以及烧蚀前端轨迹的测量来分析间接驱动内爆中的交叉束能量转移物理。利用极化直接驱动位形,压缩两极处的不利交叉束能量转移,同时增加其在赤道处的影响。在未考虑交叉束能量转移时的模拟内爆轨迹与测量的两极轨迹较为一致。这表明其他耦合机制能较好模拟在交叉束能量转移较小时的情形。进一步加入基于射线的3维交叉束能量转移模,计算结果在两极与赤道处都与实验结果相当一致。该结果在OMEGA以及国家点火装置上对更大范围的参数都进行了实验。

摘译自: Isolating and quantifying cross-beam energy transfer in direct-drive implosions on OMEGA and the National Ignition Facility, Physics of Plasma 23,056306 (2016)

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