ICF点火靶内环激光SRS抑制方法理论研究.pdf

第27卷第5期 强 激 光 与 粒 子 束 V01．27，No．5 2015年5月 HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS May，2015 ICF点火靶内环激光SRS抑制方法理论研究” 李 欣， 郝 亮， 吴畅书， 宋 鹏， 谷建法， 郑无敌， 古培俊 (北京应用物理与计算数学研究所。北京100088) 摘 要： 激光等离子体相互作用(LPI)是制约在美国国家点火装置(NIF)上实现间接驱动惯性约束聚变 的关键问题之一。LPI的激发不仅依赖于激光束功率密度与光束品质，还强烈依赖于光束所经过的等离子体 状态。模拟显示，内环激光通道上靠近腔壁的He等离子体是受激拉曼散射(SRS)产生的主要区域。通过改变 黑腔设计参数(包括构型、尺寸和填充物材料等)可以一定程度优化特定区域的等离子体状态，进而抑制LPI的 产生。据此，提出了使用大黑腔高激光能量和改变填充气体组分两条控制SRS增长的技术路线。线性分析表 明，两条技术路线效果明显，可分别将SRS峰值增益降低70％与63％。 关键词： 间接驱动惯性约束聚变； 激光等离子体相互作用； 等离子体定标关系； 点火黑腔设计 中图分类号： 0532 文献标志码： A doi：10．11884／HPLPB201527．052001 间接驱动惯性约束聚变(ICF)是目前在实验室条件下实现热核聚变的主要手段。高能激光器将多束激光 现热核聚变的辐射场环境。因此，点火黑腔设计是影响点火成败的关键问题之一。黑腔内部一般初始填充一 定量的低Z物质(例如He气)来抑制腔壁等离子体的运动，为激光束顺利到达腔壁高密度区域创造空间。但 是，激光等离子体相互作用(LPI)∞3易于在填充气体(碰撞阻尼弱)中产生与发展，为点火带来不确定风险¨j。 料，降低内爆性能等。美国国家点火装置邛3(NIF)上进行的点火黑腔实验表明大约16％的激光能量背向散射 与发展依赖于激光强度I、通道内电子密度押。和电子温度T。、以及SRS发展的空间尺度△z。改变等离子状态 (例如降低卵。或者提高T。)是一种可能的抑制SRS策略。国外文献提到提高内环通道内电子温度可以通过在 黑腔内气体中掺高Z物质来来实现哺]，或者通过改变黑腔构型(例如椭球腔旧。1。])来实现。外加磁场可以抑制 电子热传导，同样可以提高电子温度¨1I。 本文提出两种在不改变靶丸设计条件下降低内环SRS增益的技术路线：大腔大能量技术路线和CH泡沫 填充黑腔以及He气半填充黑腔技术路线。 l 点火黑腔内环激光SRS线性增益分析以及点火靶等离子体定标关系 6|。其表达式为 线性增益指数G。。。[12-15]常用来作为衡量一个给定的黑腔靶设计SRS的发展水平n G(叫；)一Idz掣Iml格生卑卫l (1) Jpath 4c‘患s Ll十Xe十](一J 式中：叫。和k。(甜。和k，)分别是入射激光(散射激光)的圆频率与波数；co和k代表电子等离子体波的频率和波 数m—c佩，其中f是光速，J是激光功率密度，A。是入射激光波长；x。和)[，分别是电子和离子的介电常数。 用于分析的等离子体状态来自于全过程2D辐射流体模拟。由于等离子体状态空间分布非均匀，增益计算涵 盖了所有可能的散射光频率。G。鹪可以给出SRS发生的最主要区域，并定性给出不同靶设计之问SRS增长的 相对大小n“。降低G。。。是黑腔靶优化设计的目标之一。 8|。黑腔内填充1．5 2013年，我们基于JC程序Ⅲ12D模拟提出了300eV点火靶黑腔设计[1 mg／cm3的He MJ激光能量。峰值驱动温 气，用来抑制腔壁与靶丸膨胀等离子体对内环激光通道的阻碍。该设计共需1．42