發(fā)布時間：2020-06-13 15:39

【摘要】：大型高功率激光裝置的負載能力是利用慣性約束聚變原理解決人類未來能源危機的核心技術指標。熔石英元件的損傷閾值大小直接制約著點火裝置的激光能量密度的進一步提高。金屬雜質(zhì)是降低熔石英元件損傷閾值的一個主要原因,通過分析和模擬金屬雜質(zhì)誘導熔石英元件輻照損傷及修復的物理過程來認識其溫度場和應力場的變化規(guī)律。為了盡可能延長熔石英元件的使用壽命,保證大型高功率激光裝置的穩(wěn)定運行,一方面要根據(jù)輻照損傷特性提高熔石英元件的損傷閾值,另一方面要利用損傷修復技術抑制熔石英元件的損傷增長。使用有限元分析軟件COMSOL進行仿真建模,金屬雜質(zhì)誘導熔石英元件輻照損傷及修復的物理過程得到了數(shù)值模擬。論文的研究和結(jié)論如下:(1)通過分析金屬雜質(zhì)誘導熔石英元件輻照損傷的溫度場分布,熔石英元件的寬度為20mm,厚度為10mm,橢球狀金屬雜質(zhì)長半軸為30μm,短半軸為10μm,金屬雜質(zhì)選用材料庫中的Cu,受到250W的高功率激光(光斑半徑為2.5mm)輻照作用后金屬雜質(zhì)的溫度變化非常大,t=0.05s時,金屬雜質(zhì)的溫度已達到2000K。t=0.45s時,金屬雜質(zhì)的溫度已高達4000K,遠超過熔石英的熔點,熔石英元件的表面構型開始被破壞。(2)通過分析金屬雜質(zhì)誘導熔石英元件輻照損傷的應力場分布,熔融流速的最大值出現(xiàn)在距離光斑中心600μm的徑向上,流速最大值為9.88×10~(-4)m/s,應力壓強的最大值出現(xiàn)在熔融流速的最大值處,壓強的最大值為748Pa。最后得出圓球狀和橢球狀金屬雜質(zhì)誘導損傷的特性非常相似,而薄膜狀金屬雜質(zhì)導致的損傷坑深度最小。(3)通過分析CO_2激光輻照熔石英元件損傷修復的溫度場分布,在CO_2激光功率為50W,光斑尺寸為0.02mm,損傷坑寬度為3μm,深度為0.4μm的條件下,t=4.5s時,熔石英元件的不規(guī)則的損傷坑結(jié)構已被修復為平滑的高斯型結(jié)構。(4)通過分析CO_2激光輻照熔石英元件損傷修復的應力場分布,熔融流速的最大值出現(xiàn)在距離光斑中心6μm的徑向上,流速的最大值為2.07×10~(-6)m/s,應力壓強的最大值出現(xiàn)在熔融流速的最大值處,壓強的最大值為4320Pa。最后得出輻照時間和激光功率的特性非常相似,而光斑半徑對損傷坑的修復深度影響最明顯。
【圖文】：

.1 大型高功率激光裝置的負載能力隨著 20 世紀 60 年代第一臺紅寶石晶體激光器的成功研制，激光技術在民等方面取得了快速發(fā)展和大量使用，并對人類社會的生產(chǎn)生活起到了積作用。由于現(xiàn)代社會的生產(chǎn)力不斷發(fā)展，人類對能源的需求量急劇增長。通過不斷分析太陽產(chǎn)生能量的核聚變過程，即高溫高壓下，一個氘核和一生聚變反應產(chǎn)生一個氦核和一個中子并劇烈釋放出一百萬倍化學反應能，希望能實現(xiàn)可控核聚變，，從而為人類掌握恒星級能量的技術開辟道路。陽的核聚變屬于引力約束聚變，實驗室里可以人為實現(xiàn)的核聚變?yōu)閼T性。慣性約束聚變是指當激光輻照在氘氚靶丸時，會造成聚變材料被壓縮成僅有 200g/cm3而其溫度則高達 108℃左右的狀態(tài)，滿足勞遜判據(jù)要求，即束所需要的時間區(qū)間內(nèi)完成氘氚燃燒的反應，從而得到比之前高 10-100增益[1,2,3]。然而，這種可控核聚變方法對點火驅(qū)動器的驅(qū)動能力要求極為研究人員發(fā)現(xiàn)大型高功率激光裝置可以提供符合要求的點火驅(qū)動能力，高功率激光裝置的負載能力和許多因素相關，如圖 1-1 所示。

電子科技大學碩士學位論文截止到目前，利用慣性約束聚變原理的激光裝置中最具有研發(fā)前景和是能量高、脈沖長的基于釹玻璃為激光放大器的光學材料、多程模式為的傳輸路徑的大型高功率激光裝置。20 世紀 70 年代美國勞倫斯·利弗（LLNL）的國家點火裝置（NIF）[4,5]，如圖 1-2 所示，它是目前全世造規(guī)模最大、激光能量密度最高的大型高功率激光裝置，由 192 束激光之外，還有法國原子能委員會（CEA）的兆焦耳裝置（LMJ）[6]，中國裝置等[7,8]。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL632.1

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本文編號：2711387