哈工程核学院第一个课程设计第三章

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：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。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：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，其中是库仑对数，是“欠密度”区等离子体的尺度。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：（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）%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。能够发抓生共振恼吸收的暖入射角渣为：其中：c为光速，ω为激光频丛率，L为定标长霉度。庆幸的是评，由入射村激光产生狗的有质动挖力将改变哭等离子体志密度分布撞，使共振史吸收增强政。激光产生北的光压力麦为：p=2IL/c。等离体子体可剑以看做平是准粒肠子，有耐能量和望动量，葱也会产华生压力灶。所以歪不仅光庆有压力捆，场也续有压力坡，就是堂说，任诱何高频亲电场在舅等离子瘦中都会验产生压壶力，这泳种压力洲称为“溉有质动慎力”。已经发筑现了高音功率激越光的共抚振吸收磁，以及塘共振吸抄收随入截射激光钉增强而刻逐渐增喜强的现们象。分姑析认为淘，入射侮激光能富的共振旁吸收，验一般不辩超过50%。共振吸收忽过程基本枕上是线性肯的，但当仓激光的强供度过高时乘，一些非省线性效应怎就会显现志出来。例如共振跃驱动波场趁增加到足资够强度时惠，电子经默过一个振浩荡周期就便能被加速漂，叫做“厨波破损”民。导致快猜电子的京产生，画快电子唤会预热慰燃料造掉成熵的饼增加，捕使燃料赶被压缩拨的难度荒变大，熄因而要卸求达到垫同样密孕度和ρR值所需装要的驱齿动器的横能量增主加。另一种慈非线性涉效应是乔入射激求光产生羞的压力战使密度脸梯度变谷陡和密晶度定标写长度变走短，有凝可能对狸有很强槽共振吸薯收发生曾的入射产角范围说产生重槐大影响汗。0xne1013101410151016020406080100激光强度/Wcm-2吸收/%1/4μm1/3μm1/2μm1μm10μm实验和理侄论的结果纺表明，采驰用短波长注的激光（λ<531厉nm），可以较使共振吸摧收控制在抱高增益靶哲感兴趣的西最小的范挺围内。从圆右图可以超看出，在杠惯性约束错感兴趣的皂强度范围掌内吸收效者率可达到70%以上。在等离子雅体中，存风在着各种些不同的天职然振荡模普式或波，凭例如静电液波和离子切声波等。脾它们的波昼长依赖于插等离子体袋的密度和皇温度等参羊数，而这惠些参数会母由于入射怨激光电场鞋的作用而除发生变化赚。入射激蜜光和静电文模式或电熄磁模式都量能发生各泉种不同的恩耦合，驱扯动这些模腿式的不稳刊定性，于始是这些不剩稳定性增困长。这种走现象称为俱参量不稳婚定性，将链会引起激火光的反常葱吸收。当激光价的强度踢大于1015W/c趟m2时，等离搅子体的参蛮量过程变裤得比较显荐著。②参量不稳薄定性在激光和果等离子体闷相互作用侧过程中，惠等离子体某的激光光越波、静电本波和离子伪声波最重将要。根据罪三种波结敞合方式的石不同，参苏量不稳定疮性可分为满：（1）双等陈离子体香振子（TPD）过程一个光子巨的光波转斤变为两个潮电子等离忠子体振子于。这种过洁程发生在1/4临界密先度的面毙附近，柳光压力行排开等拢离子体豆形成所箩谓的“艺坑”，茶使1/4临界面技密度变惨陡。当勒激光强科度不足双以产生埋该过程跪时，“涉坑”开扩始扩散石，密度剑梯度恢凭复，开偏始下一壤个双等纲离子体盟振子过铅程。这佳样，出染现双等向离子体停不稳定衣性的间症歇性发吐展。（2）离子声离波不稳定温性（IA）指入射光界波转变为牢电子等离稻子体波和还离子声波亮。这种不撤稳定性只猎能发生在抱临界面附命近。发生哨这种不稳喘定时，入高射激光光部波的能量赢转化为等凉离子体中厚的静电波脾和离子声防波的能量仍。通过电观子的碰撞辽，等离子朽体波的能吴量可以转烦化为等离慌子体热能速。（3）受激布秀里渊散射沿（SBS）是入射垮激光光割波在离盒子声波尼上的散沙射。入扎射激光疑的能量碎转化为扔散射光并波和离喷子声波伙的能量跨。其中行绝大部功分能量胡转化为狗散射光能波。（4）受激披拉曼散历射（SRS）入射激蓄光光波徐的能量风转化为术散射光森波和电视子等离沟子体波输的能量糕。有利颗于激光性在等离爱子体中俭沉积，但但在某观些条件缘瑞下可能华产生超宾热电子盼，它能好量高、圆穿透能统力强，丘能够穿味进燃料冤区并把咽能量沉院积在里晴面，使崖燃料在差被压缩搜到高密狠度之前雀就预先雕被加热呀，压力告升高，恋达不到碌预期的特高压缩御。抑制拉曼吼散射的方窃法有采用背短波长激甜光和高原佛子序数的槽靶材料相寸结合的方野法以提高伯碰撞阻尼谎。受激拉界曼散射只执能发生在1/4临界密正度的低载密度区驶域。（5）自聚右焦和丝猴化如果入谢射激光扮在光轴劝上的强里度高，绣那么光老轴上以膀及近轴侮区的光落压力大冻。结果灵使近轴灰区的等皮离子体械被光压机排开，请等离子状体密度屋小，造顺成波阵峰面弯曲时，向光访轴汇