哈工程核学院第一个课程设计第三章2

惯性约束聚变驱动束的能量沉积和输运InertialConfinementFusion一、激光的能量沉积1、激光物理基础激光的特点：（1）单色性：激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源；（2）空间相干性：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好；（3）时间相干性及高亮度：方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。；（4）亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。激光器是强光源的基本原因在于能量输入通常要相当长的时间（如钕激光约为1ms），而能量的释放通常在很短的时间（约1ns），在功率上增加了106。发射方式：能量通过泵浦进入激光媒质，媒质内的原子被激发到更高的能级。当它们衰减时辐射出光子，有可能撞击出和第一个光子完全同相位的光子，这个过程称为受激辐射。这个总的过程可以自我复制，导致光的放大，所有光子沿着相同的方向同相传播最终可以形成一束光，经过聚焦后达到非常高的辉度。E2-E1=hν12hν12hν12hν12n2E2E1n1为了使激光器有效工作，必须使激发能级2的布居数高于能级1，这种情况叫做布居数反转，必须打破热平衡状态才能实现。③受激辐射自发衰变②①激发对于三原子能级系统，通过将能量泵浦进入系统，输入激光媒质中的能量足够高，结果将原子激发到更高的能级3上去。然而，由于泵浦光源发射的光不是单色的，只有一小部分入射光子适合用于激发原子。因此希望这个较高能级在一个宽的频率范围内有一个大的线宽，以便实现从泵浦光源到原子激发的能量转换具有较高的效率。被激发的原子迅速从能级3衰减到能级2，相比于能级3，能级2应该有较窄的线宽和相对长的寿命。能级1和能级2之间实现布居数反转。2、电磁波在等离子体中的传播当激光打在靶上时，靶表面上的一些材料吸收激光的能量被加热，蒸发形成等离子体，称为等离子体晕。激光是电磁波，在自由空间中激光的色散关系为：进入等离子后，色散关系变为：其中ωp是等离子体频率，其表达式为：222Lck2222LLpkc21/24()epenm当等离子体中的数密度不很大，且其频率低于电磁波频率时，该等离子体称为低密的，这时电磁波可以在等离子体中传播。当等离子体的数密度很大，等离子体的频率高于波的频率时，这种等离子体叫过密的，即此时激光将不能在等离子体中继续传播。pL欠稠密区域超稠密区域激光光束反射光临界表面密度xxcnc临界密度表面的形成激光只能在密度低于“临界密度”的等离子体中传播，临界密度就是等离子体频率等于激光频率时的等离子体密度，即：22123021.110()eLcLmncme入射激光在临界密度处被反射，对一定频率的光，对应的有一个确定的临界密度，如固体密度的D-T等离子体对应的光的波长为0.15μm，波长大于此值的光将被反射。各种波长光对应的临界密度3、激光与物质的相互作用在激光功率密度低于107W/cm2的情况下，入射激光只能加热靶的表面而不能使之发生熔化或蒸发。入射激光在靶表面被吸收，吸收的光能再由热传导转移到靶内部去，部分光被反射。当光强达到107W/cm2时，入射激光将引起靶表面部分物质蒸发和喷射，蒸发形成的蒸汽云或喷射物能同时与入射激光发生相互作用，吸收激光，同时产生较大的压力，驱动蒸汽云以高速度飞离靶表面，喷射的反作用驱动冲击波进入靶的内部。当光强达到1010W/cm2时，能使气体击穿和使靶物质电离，自由电子在激光的作用下被迅速加速到高能，在很短的时间内获得足够的能量电离其它原子产生更多的自由电子，并继续引起更多的电离，即雪崩电离。实际上，大多数激光强度高达1012W/cm2以上，激光辐射在靶表面引起电离基本上是瞬时的，在靶表面形成高温等离子体冕。激光聚变所要求的激光强度要高达1014～1015W/cm2，相应的等离子体温度达到keV量级，它们将以105～106m/s的速度向外喷射。4、激光在等离子体中的吸收基本上有三个主要的过程：逆韧致吸收、共振吸收和参量过程。（1）逆韧致吸收它是韧致辐射的逆过程，是指自由电子在原子核或离子的库仑场中吸收激光的能量从而得到加速或改变运动方向的过程。由于自由电子的能量是连续的，因此任何波长的激光都能发生逆韧致吸收。逆韧致吸收的物理过程：逆韧致吸收是由电子和离子之间的碰撞引起的，入射激光电场使自由电子发生振荡，同时光电场也使离子振荡，由于离子质量比电子质量大得多，因此可以忽略它们的运动。在激光电场中做高频振荡的电子，其运动能量是无规的，这些电子同本底离子通过碰撞将振荡能量变成无规运动的热能，结果入射激光能就变成等离子体热运动的能量。其中νei是电子和离子的碰撞频率，1/2241/23/24(2)()3()eiceiceeZennmkT其中是库仑对数，是“欠密度”区等离子体的尺度。ei(810)eihLLv逆韧致吸收系数：吸收激光的能量和入射激光能量的比值，其表达式为：()eichabnLKc（1）电子温度升高，吸收系数下降（2）与Z2成正比，原子序数越大，吸收越厉害（3）激光强度越高，吸收系数越低：激光是强度很大的光，既有能量又有动量，当动量变化时就会产生压力，另外等离子体产生的场也有压力。这两种压力会对等离子体的分布产生影响。例如，在临界面附近，激光被反射，压力会使等离子体产生密度“坑”。讨论：（4）激光波长越大，吸收系数越小：波长越小对应的等离子体的临界密度越大，即可以传输到等离子体密度更高的地方，从而更多的能量被等离子体吸收。（5）激光脉冲宽度越大，吸收系数越大。在高增益的激光聚变把设计中：入射激光的能量吸收系数可达到（70~95）%13152(51010)/,531,(110)LLIWcmnmns逆韧致吸收机制基于带电粒子之间的碰撞，而这种碰撞随着温度的升高迅速的下降。因此在热核温度下，经典的吸收机制几乎不起作用。然而驱动束在靶上的能量沉积机制并不只限于经典的碰撞过程，在高束流强度情况下又出现了“反常”的吸收机制，这是高强度激光与等离子体相互作用的结果。①共振吸收：当激光斜入射在空间不均匀的等离子的密度梯度上时，特别是P极化激光电磁波（电场方向平行于入射平面）斜入射在密度梯度上，光电场平行于等离子体密度梯度的组分将驱动电子等离子体波。而且，激光电场能够通过隧道效应“钻”到临界密度附近，在此处，由于等离子体的频率等于激光的频率，即ωp=ωL，激光的能量将通过共振的方式首先传递给等离子体，电子通过和离子的碰撞最终加热等离子体。（2）激光能量的反常吸收经过物理推倒得知，共振吸收系数和入射角有密切的关系：如果入射角太大，激光将在离临界密度很远的地方反转；如果入射角太小，则平行于密度梯度的电场在反转点太小。这两种情况吸收系数都很小。实际上能够发生共振吸收的角度范围很小，在均匀照射的情况下，如何实现这样小角度的入射是非常困难的。能够发生共振吸收的入射角为：13sin0.8cL其中：c为光速，ω为激光频率，L为定标长度。庆幸的是，由入射激光产生的有质动力将改变等离子体密度分布，使共振吸收增强。激光产生的光压力为：p=2IL/c。等离子体可以看做是准粒子，有能量和动量，也会产生压力。所以不仅光有压力，场也有压力，就是说，任何高频电场在等离子中都会产生压力，这种压力称为“有质动力”。已经发现了高功率激光的共振吸收，以及共振吸收随入射激光增强而逐渐增强的现象。分析认为，入射激光能的共振吸收，一般不超过50%。共振吸收过程基本上是线性的，但当激光的强度过高时，一些非线性效应就会显现出来。例如共振驱动波场增加到足够强度时，电子经过一个振荡周期就能被加速，叫做“波破损”。导致快电子的产生，快电子会预热燃料造成熵的增加，使燃料被压缩的难度变大，因而要求达到同样密度和ρR值所需要的驱动器的能量增加。另一种非线性效应是入射激光产生的压力使密度梯度变陡和密度定标长度变短，有可能对有很强共振吸收发生的入射角范围产生重大影响。0xne1013101410151016020406080100激光强度/Wcm-2吸收/%1/4μm1/3μm1/2μm1μm10μm实验和理论的结果表明，采用短波长的激光（λ531nm），可以使共振吸收控制在高增益靶感兴趣的最小的范围内。从右图可以看出，在惯性约束感兴趣的强度范围内吸收效率可达到70%以上。在等离子体中，存在着各种不同的天然振荡模式或波，例如静电波和离子声波等。它们的波长依赖于等离子体的密度和温度等参数，而这些参数会由于入射激光电场的作用而发生变化。入射激光和静电模式或电磁模式都能发生各种不同的耦合，驱动这些模式的不稳定性，于是这些不稳定性增长。这种现象称为参量不稳定性，将会引起激光的反常吸收。当激光的强度大于1015W/cm2时，等离子体的参量过程变得比较显著。②参量不稳定性在激光和等离子体相互作用过程中，等离子体的激光光波、静电波和离子声波最重要。根据三种波结合方式的不同，参量不稳定性可分为：（1）双等离子体振子（TPD）过程一个光子的光波转变为两个电子等离子体振子。这种过程发生在1/4临界密度的面附近，光压力排开等离子体形成所谓的“坑”，使1/4临界面密度变陡。当激光强度不足以产生该过程时，“坑”开始扩散，密度梯度恢复，开始下一个双等离子体振子过程。这样，出现双等离子体不稳定性的间歇性发展。（2）离子声波不稳定性（IA）指入射光波转变为电子等离子体波和离子声波。这种不稳定性只能发生在临界面附近。发生这种不稳定时，入射激光光波的能量转化为等离子体中的静电波和离子声波的能量。通过电子的碰撞，等离子体波的能量可以转化为等离子体热能。（3）受激布里渊散射（SBS）是入射激光光波在离子声波上的散射。入射激光的能量转化为散射光波和离子声波的能量。其中绝大部分能量转化为散射光波。（4）受激拉曼散射（SRS）入射激光光波的能量转化为散射光波和电子等离子体波的能量。有利于激光在等离子体中沉积，但在某些条件下可能产生超热电子，它能量高、穿透能力强，能够穿进燃料区并把能量沉积在里面，使燃料在被压缩到高密度之前就预先被加热，压力升高，达不到预期的高压缩。抑制拉曼散射的方法有采用短波长激光和高原子序数的靶材料相结合的方法以提高碰撞阻尼。受激拉曼散射只能发生在1/4临界密度的低密度区域。（5）自聚焦和丝化如果入射激光在光轴上的强度高，那么光轴上以及近轴区的光压力大。结果使近轴区的等离子体被光压排开，等离子体密度小，造成波阵面弯曲，向光轴汇聚，使近轴区的激光强度进一步加强。如果由于光束的非均匀性，或者等离子体的非均匀性等原因，激光束可能通过与自聚焦类似的机制形成很多细细的光“丝”，那么整个光束就“碎”成很多细细的激光“丝”。不仅破坏的激光的质量，而且激光在等离子体中的吸收性质也发生变化。固体密度临界密度nc1/4固体密度0.25nc逆韧致吸收和共振吸收双等离子体振子与受激拉曼散射受激布里渊散射丝化