激光慣性約束聚變(ICF)有兩種常見的驅(qū)動方式,分別是多束激光從各個方向直接照射聚變?nèi)剂系闹苯域?qū)動方式,以及激光照射黑腔壁產(chǎn)生X射線來驅(qū)動聚變?nèi)剂系拈g接驅(qū)動方式。間接驅(qū)動方式的一個重要優(yōu)點是,黑腔輻射有利于均勻輻照,降低了對激光光束的均勻性以及光學(xué)系統(tǒng)精度的要求,另一個優(yōu)點在于間接驅(qū)動方式壓縮靶丸的物理過程不依賴驅(qū)動源的種類,因而可以較為方便地將其擴(kuò)展到對基于其他驅(qū)動源的聚變研究上。直接驅(qū)動方式的優(yōu)勢在于其具有較高的能量利用率,對聚變能的實現(xiàn)來說這是至關(guān)重要的。 球形內(nèi)爆物理要求兩種驅(qū)動方式提供極高的內(nèi)爆對稱性以及穩(wěn)定性。穩(wěn)定性問題涉及短波長的擾動,主要來自于輻照光束內(nèi)部小尺度的不均勻性以及制靶過程中的微小缺陷。而對稱性問題涉及長波長擾動,主要來自于有限的光束束數(shù),光束的排布方式,以及光學(xué)系統(tǒng)中不可避免的誤差如束間功率和能量不均衡,指向誤差等。在直接驅(qū)動聚變中,一般認(rèn)為對短波長擾動的控制在脈沖輻照初期至關(guān)重要,因為此時等離子體的熱勻滑效應(yīng)并不顯著。長波長的擾動由于不能被等離子體的熱效應(yīng)勻滑,會被“印記”在靶上。如果各種擾動的總和超過了一定限度,最終會使絕熱壓縮無法實現(xiàn)或者直接使靶丸殼層破裂。通過增加光束數(shù)目的方法可以改善靶面的輻照均勻性,但是同時會使系統(tǒng)的復(fù)雜程度和造價大大增加。如何在給定束數(shù)的條件下設(shè)計更為合理的光束排布是本文研究的重點。我們對先前的光束排布方案進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并提出了一些新的優(yōu)化方案。 本文研究內(nèi)容和取得的成果： 1.系統(tǒng)地研究了直接驅(qū)動方式的輻照均勻性。分析了輻照不均勻度的高階和低階項對聚變內(nèi)爆對稱性的影響,梳理了輻照不均勻度的主要來源并給出了對應(yīng)的改善方案。系統(tǒng)地分析了早期光束排布方案的優(yōu)缺點。 2.對基于電子排斥力模型的光束排布方案進(jìn)行了詳細(xì)地分析,對應(yīng)的光束排布如M20,M24和M48,具有較高的幾何對稱特性,可以很好的改善靶面輻照均勻性。對基于電子排斥力模型的研究表明,最低的球面電子系統(tǒng)勢能對應(yīng)著所有幾何因子項平方和的最小值,因而基于電子排斥力模型的方案可以得到具有高度對稱性的排布結(jié)構(gòu)。我們將這個方案推廣到了任意勢能的粒子系統(tǒng),并首次證明了最低的靶面輻照不均勻度對應(yīng)著粒子系統(tǒng)勢能的最低值。通過這個對應(yīng)關(guān)系提出了基于構(gòu)建梯度力的排布優(yōu)化方案,對于給定的光束強(qiáng)度分布和光束數(shù)目,獲得的光束排布對應(yīng)著極小的輻照不均勻度。 3.首次給出了幾何因子項G1≤t=0的一般條件：∑Nκ=1Ylm(Ωκ)/N=0,-l≤m≤l;1≤l≤t。該條件在數(shù)學(xué)上等效于spherical t-design的定義。我們首次將spherical t-design運(yùn)用于光束排布設(shè)計之中,發(fā)現(xiàn)了一些排布可以有效地改善靶面的輻照均勻性,這些排布簡記為：T724,T732,P732,T948, T954,T106O,T1172.我們系統(tǒng)地這些排布的幾何對稱特性以及均勻輻照特性進(jìn)行了研究。 4.系統(tǒng)地研究了基于光纖激光的ICF中光纖非相干組束的問題,首先分析了光纖的模式特性,其次設(shè)計了一種基于擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)的光纖陣列耦合方案,最后討論了光纖束間距,望遠(yuǎn)系統(tǒng)放大率,離焦距離等對聚焦平面光束強(qiáng)度輪廓的影響。 5.提出了一種針對甚多光束激光驅(qū)動ICF的光束排布方案,我們證明了在光束數(shù)目充足的條件下,均勻輻照等效于光束均勻排布。給出了一種基于球面等面積分割的排布優(yōu)化方案,獲得了近似均勻的排布結(jié)構(gòu)。該方案具有簡單,計算量小的特點,避免了求解超大規(guī)模非線性方程組的困難。 本文創(chuàng)新點包括： 1.給出了基于電子排斥力模型排布優(yōu)化方案的理論支持,從理論上證明了最低的球面電子系統(tǒng)勢能等效于所有幾何因子項平方和的最小值。 2.提出了基于粒子構(gòu)建梯度力的優(yōu)化排布方案,并首次證明了最低的靶面輻照不均勻度對應(yīng)著粒子系統(tǒng)勢能的最小值。該方案針對給定的光束光強(qiáng)輪廓和光束束數(shù)對光束排布進(jìn)行優(yōu)化,相比電子排斥力模型,該方案可以將輻照不均勻度降低一個數(shù)量級。該方案的意義在于,對光束排布的優(yōu)化而言,它是一種普適的數(shù)值方案。 3.首次給出了獲得幾何因子項Gl≤t=0的一般條件：∑Nκ=1Ylm(Ωκ)/N=0,-l≤m≤l;1≤l≤t。獲得了一系列最佳的光束排布T724,T732,P732, T948,T954,T1060,T1172。這些排布盡最大可能地降低了低階的幾何因子項,很好地改善了輻照不均勻性,對光束強(qiáng)度輪廓的依賴性也較弱。 4.針對甚多激光光束驅(qū)動方式,提出了均勻排布的光束優(yōu)化方案,給出了均勻輻照與均勻排布之間的對應(yīng)關(guān)系。該方案可以避免對大規(guī)模非線性方程組的求解。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2014
【中圖分類】：TL632.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 激光慣性約束聚變
        1.1.1 慣性約束聚變
        1.1.2 激光慣性約束聚變
        1.1.3 激光慣性約束聚變的點火方式
        1.1.4 主流ICF裝置介紹
    1.2 慣性約束聚變能
        1.2.1 慣性約束聚變能（IFE）
        1.2.2 基于光纖激光放大網(wǎng)絡(luò)的聚變能
    1.3 激光慣性約束聚變對輻照均勻性的要求
        1.3.1 對稱性與穩(wěn)定性
        1.3.2 影響輻照均勻性的主要因素及控制方式
    1.4 論文結(jié)構(gòu)
    參考文獻(xiàn)
第二章 基于球諧模分解的光束排布設(shè)計簡介
    2.1 直接驅(qū)動方式對輻照均勻性要求
    2.2 排布優(yōu)化問題的發(fā)展和思考
        2.2.1 基于兩束激光的均勻輻照方案
        2.2.2 多束激光輻照靶球的排布方案
    2.3 球諧模分解法
        2.3.1 球諧模分解法的引入
        2.3.2 球諧模分解法的應(yīng)用實例
        2.3.3 系統(tǒng)誤差與輻照不均勻度
    2.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第三章基于多粒子相互作用系統(tǒng)的光束排布設(shè)計
    3.1 光束排布優(yōu)化新思路
    3.2 球面多電子體系與光束排布設(shè)計
    3.3 基于多粒子系統(tǒng)的光束排布設(shè)計
    3.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第四章基于spherical t-design的光束排布設(shè)計
    4.1 spherical t-design 的定義
    4.2 基于spherical t-design的光束排布設(shè)計
    4.3 spherical t?,,-design轄照均勾性能分析
    4.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第五章基于光纖激光驅(qū)動的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計
    5.1 基元光纖模式特性分析
    5.2 光纖非相干組束理論研究
    5.3 基于光纖放大網(wǎng)絡(luò)的光束排布設(shè)計
    5.4 本章小結(jié)
    參考文獻(xiàn)
第六章總結(jié)與展望
在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2871742