發(fā)布時間：2020-07-27 17:15

【摘要】：快點火是上世紀九十年代中期提出的一種慣性約束聚變(ICF)新型點火方式。它將ICF內(nèi)爆壓縮和點火過程分開進行,首先通過納秒長脈沖激光將聚變?nèi)剂蠅嚎s到高密度,然后利用高能激光在等離子體中傳播的穿孔效應(yīng)形成的通道,將點火激光的能量輸運到壓縮后的燃料邊緣區(qū)域,并沉積能量,加熱燃料至點火燃燒。與傳統(tǒng)的中心點火相比,快點火方式具有點火閾值低、能量增益高、壓縮對稱性要求低等優(yōu)勢,已經(jīng)成為國際ICF研究的重點內(nèi)容。為了降低復(fù)雜的激光與等離子體相互作用過程造成的物理風險,快點火靶通常采用錐殼結(jié)構(gòu)設(shè)計,通過插入球殼內(nèi)的金屬錐作為點火激光的通道。在錐殼靶的制備過程中,在聚合物微球表面上打孔的精度是影響錐殼靶整體質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文以快點火基礎(chǔ)物理實驗需求為牽引,探索聚合物微球打孔的技術(shù)途徑,著眼解決影響微球打孔質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)問題,具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面： 研究了聚苯乙烯(PS)、氘代聚苯乙烯(DPS)和輝光放電聚合物(GDP)三種材料的飛秒激光燒蝕特性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：PS和DPS材料的飛秒激光燒蝕過程符合閾值模型,DPS的燒蝕閾值和累積系數(shù)都要高于PS。GDP材料的飛秒激光燒蝕過程與閾值模型有相當大的差異。入射激光脈沖能量和脈沖數(shù)不僅影響燒蝕區(qū)域的大小,而且對燒蝕區(qū)域周圍的形態(tài)也發(fā)生了影響。飛秒激光在聚合物微球表面加工的孔存在一定的圓度偏差和錐度,采用圓偏振光及多次加工的方法可以獲得直徑90μm～500μm,位置偏差小于10μm,直徑偏差和圓度誤差小于2μm,錐度約15°的微孔。。 開展了聚合物材料金剛石車削加工工藝參數(shù)優(yōu)化研究。采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交實驗方法,以表面粗糙度作為評價指標,建立了基于主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和背吃刀量等三個主要工藝參數(shù)的表面粗糙度模型,設(shè)計了正交實驗方案并進行了PS材料的金剛石車削加工工藝實驗。利用該方法獲得了PS材料金剛石車削加工的最佳工藝參數(shù)組合,在適當?shù)募庸すに噮?shù)條件下,PS材料的加工表面粗糙度可以達到20nm左右。 開展了GDP空心微球表面金剛石車削微孔成型技術(shù)研究。設(shè)計了直線進給與階梯進給兩種刀具運動方式和具有尖刀刃結(jié)構(gòu)、主后刀面和副后刀面均采用兩級后角結(jié)構(gòu)設(shè)計的專用金剛石刀具,解決了空心微球高精度無損裝夾等關(guān)鍵技術(shù)難題。在GDP微球表面獲得了直徑約150μm,尺寸偏差小于±5gm,圓度好于2μm的微孔結(jié)構(gòu)。 開展了基于金剛石微探針的聚合物納米機械加工過程分子動力學(xué)模擬研究。研究結(jié)果表明：納米機械加工過程中,DPS樣品的變形主要是通過單鏈的整體運動和單鏈上苯基排列方向的改變而實現(xiàn)的。DPS單鏈的運動局限在微探針周圍的區(qū)域,并且傾向于運動到微探針下方的區(qū)域,導(dǎo)致加工表面的材料堆積較少。切削速度、分子結(jié)構(gòu)以及鏈長等是影響DPS納米機械加工過程的主要因素。加工速度較小時,單鏈自身的變化是DPS樣品變形的主要方式,而當加工速遞較大時,單鏈整體的運動是工件變形的主要方式,在較小的加工速度時得到的加工結(jié)果較好；無規(guī)立構(gòu)的DPS樣品所需的加工力較小,工件內(nèi)部單鏈的排列較為緊湊,得到的加工表面質(zhì)量最好；在鏈長較短的DPS納米刻劃加工過程中單鏈容易發(fā)生整體運動,單鏈主C鏈的結(jié)構(gòu)及苯基排列的變化較小,而當鏈長較大時,特別是DPS中存在單鏈交纏時,單鏈的整體運動較困難,其變形主要是通過主C鏈的結(jié)構(gòu)變形和苯基的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)的,因此其加工表面材料堆積的體積較少。 基于上述研究,建立了兩種聚合物微球打孔的技術(shù)途徑,探討了加工工藝參數(shù)對微孔質(zhì)量的影響規(guī)律和聚合物納米機械加工的機理,獲得了具有較高質(zhì)量的微孔樣品,為高品質(zhì)快點火預(yù)壓縮錐殼靶的研制奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TL632
【圖文】：

用力向內(nèi)壓縮微球內(nèi)的燃料到極高溫度和密度，達到上述判據(jù)的條件后產(chǎn)生聚變點火并燃燒整個過程主要分四個階段（見圖1.2)。首先祀丸吸收激光（或X光）束能量，在其表面形成等離子體燒燭層（圖1.2a);然后祀丸表面物質(zhì)向外噴射，由于動量守恒使得內(nèi)部未被燒燭的IE丸在燒燭壓的作用下向內(nèi)運動，使燃料向心壓縮（圖1.2b):再通過向心聚爆過程，燃料達到高溫高密度狀態(tài)（圖L2c);最后燃料發(fā)生聚變反應(yīng)并向外傳播，IE丸解體（圖1.2d)。3

快點火（fast ignition, FI)方案設(shè)計。該方案將內(nèi)爆壓縮和點火過程分開進行。首先通過納秒長脈沖激光將DT燃料壓縮到面密度約0.3g/cm2 ~0.5g/cm2 (圖1.6a)，然后使用高能拍瓦激光（光強10i9W/cm2以上、脈沖數(shù)十皮秒）與勒1相互作用產(chǎn)生強流電子束，這些相對論電子束由相對論臨界密度附近輸運到被納秒長脈沖激光內(nèi)爆壓縮后的DT燃料邊緣區(qū)域，并沉積能量，加熱DT芯溫度到lOkeV，產(chǎn)生點火熱斑（圖1.6b),實現(xiàn)點火和自持燃燒（圖1.6c)。(a) (b)o(c)圖1.6快點火物理過程示意圖快點火與中心點火的不同之處在于它將壓縮和點火過程分開。壓縮的方法與傳統(tǒng)的ICF中心點火壓縮相近，但快點火壓縮需要將燃料壓縮到高密度而不是形成點火熱斑，因而可以通過控制激光脈沖及優(yōu)化內(nèi)爆設(shè)計等方法使得DT燃料在內(nèi)爆壓縮過程中升溫7

再考慮點火所需能量�？禳c火方式需要具有MeV級能量的超級電子實現(xiàn)點火，度達到10i9W/cin2?102^V/cm2的激光作用于預(yù)壓縮生成的靴等離子體能產(chǎn)生這樣的子�？紤]超熱電子的產(chǎn)生和傳輸效率，則有：ED =EJrje^ch 。-8式中，Ed——點火激光束所需能量，J;Eb 點火熱斑能量，J;一一超熱電子的產(chǎn)生效率；/7ch 超熱電子的傳輸效率。根據(jù)粒子束驅(qū)動的二維數(shù)值模擬給出的點火能量定標關(guān)系可以得到：當燃料密度300g/cm3時，點火熱斑能量約為18.3kJ[36]。另外實驗給出的//e約為0.3。；/ch尚不明確與傳輸過程中產(chǎn)生的擴束及其在橫向上分布的不均勻有關(guān)。因此，點火激光所需的能也在數(shù)百千焦量級。綜合考慮壓縮激光與點火激光的能量，快點火方式所需的激光能仍遠低于中心點火方式。

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本文編號：2772129