哈工程核學(xué)院第一個(gè)課程設(shè)計(jì)第三章

慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)束的能量沉積和輸運(yùn)InertialConfinementFusion一、激光的能量沉積1、激光物理基礎(chǔ)激光的特點(diǎn)：（1）單色性：激光發(fā)射的各個(gè)光子頻率相同，因此激光是最好的單色光源；（2）空間相干性：由于受激輻射的光子在相位上是一致的，再加之諧振腔的選模作用，使激光束橫截面上各點(diǎn)間有固定的相位關(guān)系，所以激光的空間相干性很好；（3）時(shí)間相干性及高亮度：方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一平行的光線，激光照射到月球上形成的光斑直徑僅有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，強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)生上億度的高溫。

激光器是強(qiáng)光源的基本原因在于能量輸入通常要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（如釹激光約為1ms），而能量的釋放通常在很短的時(shí)間（約1ns），在功率上增加了106。發(fā)射方式：能量通過(guò)泵浦進(jìn)入激光媒質(zhì)，媒質(zhì)內(nèi)的原子被激發(fā)到更高的能級(jí)。當(dāng)它們衰減時(shí)輻射出光子，有可能撞擊出和第一個(gè)光子完全同相位的光子，這個(gè)過(guò)程稱為受激輻射。這個(gè)總的過(guò)程可以自我復(fù)制，導(dǎo)致光的放大，所有光子沿著相同的方向同相傳播最終可以形成一束光，經(jīng)過(guò)聚焦后達(dá)到非常高的輝度。E2-E1=hν12hν12hν12hν12n2E2E1n1為了使激光器有效工作，必須使激發(fā)能級(jí)2的布居數(shù)高于能級(jí)1，這種情況叫做布居數(shù)反轉(zhuǎn)，必須打破熱平衡狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)。③受激輻射自發(fā)衰變②①激發(fā)對(duì)于三原子能級(jí)系統(tǒng)，通過(guò)將能量泵浦進(jìn)入系統(tǒng)，輸入激光媒質(zhì)中的能量足夠高，結(jié)果將原子激發(fā)到更高的能級(jí)3上去。然而，由于泵浦光源發(fā)射的光不是單色的，只有一小部分入射光子適合用于激發(fā)原子。因此希望這個(gè)較高能級(jí)在一個(gè)寬的頻率范圍內(nèi)有一個(gè)大的線寬，以便實(shí)現(xiàn)從泵浦光源到原子激發(fā)的能量轉(zhuǎn)換具有較高的效率。被激發(fā)的原子迅速?gòu)哪芗?jí)3衰減到能級(jí)2，相比于能級(jí)3，能級(jí)2應(yīng)該有較窄的線寬和相對(duì)長(zhǎng)的壽命。能級(jí)1和能級(jí)2之間實(shí)現(xiàn)布居數(shù)反轉(zhuǎn)。2、電磁波在等離子體中的傳播當(dāng)激光打在靶上時(shí)，靶表面上的一些材料吸收激光的能量被加熱，蒸發(fā)形成等離子體，稱為等離子體暈。激光是電磁波，在自由空間中激光的色散關(guān)系為：進(jìn)入等離子后，色散關(guān)系變?yōu)椋浩渲笑豴是等離子體頻率，其表達(dá)式為：當(dāng)?shù)入x子體中的數(shù)密度不很大，且其頻率低于電磁波頻率時(shí)，該等離子體稱為低密的，這時(shí)電磁波可以在等離子體中傳播。當(dāng)?shù)入x子體的數(shù)密度很大，等離子體的頻率高于波的頻率時(shí)，這種等離子體叫過(guò)密的，即此時(shí)激光將不能在等離子體中繼續(xù)傳播。欠稠密區(qū)域超稠密區(qū)域激光光束反射光臨界表面密度xxcnc臨界密度表面的形成激光只能在密度低于“臨界密度”的等離子體中傳播，臨界密度就是等離子體頻率等于激光頻率時(shí)的等離子體密度，即：入射激光在臨界密度處被反射，對(duì)一定頻率的光，對(duì)應(yīng)的有一個(gè)確定的臨界密度，如固體密度的D-T等離子體對(duì)應(yīng)的光的波長(zhǎng)為0.15μm，波長(zhǎng)大于此值的光將被反射。各種波長(zhǎng)光對(duì)應(yīng)的臨界密度3、激光光與物物質(zhì)的的相互互作用用在激光光功率率密度度低于于107W/cm2的情況況下，，入射射激光光只能能加熱熱靶的的表面面而不不能使使之發(fā)發(fā)生熔熔化或或蒸發(fā)發(fā)。入入射激激光在在靶表表面被被吸收收，吸吸收的的光能能再由由熱傳傳導(dǎo)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到到靶內(nèi)內(nèi)部去去，部部分光光被反反射。。當(dāng)光強(qiáng)強(qiáng)達(dá)到到107W/cm2時(shí)，入入射激激光將將引起起靶表表面部部分物物質(zhì)蒸蒸發(fā)和和噴射射，蒸蒸發(fā)形形成的的蒸汽汽云或或噴射射物能能同時(shí)時(shí)與入入射激激光發(fā)發(fā)生相相互作作用，，吸收收激光光，同同時(shí)產(chǎn)產(chǎn)生較較大的的壓力力，驅(qū)驅(qū)動(dòng)蒸蒸汽云云以高高速度度飛離離靶表表面，，噴射射的反反作用用驅(qū)動(dòng)動(dòng)沖擊擊波進(jìn)進(jìn)入靶靶的內(nèi)內(nèi)部。。當(dāng)光強(qiáng)強(qiáng)達(dá)到到1010W/cm2時(shí)，能能使氣氣體擊擊穿和和使靶靶物質(zhì)質(zhì)電離離，自自由電電子在在激光光的作作用下下被迅迅速加加速到到高能能，在在很短短的時(shí)時(shí)間內(nèi)內(nèi)獲得得足夠夠的能能量電電離其其它原原子產(chǎn)產(chǎn)生更更多的的自由由電子子，并并繼續(xù)續(xù)引起起更多多的電電離，，即雪雪崩電電離。。實(shí)際際上上，，大大多多數(shù)數(shù)激激光光強(qiáng)強(qiáng)度度高高達(dá)達(dá)1012W/cm2以上上，，激激光光輻輻射射在在靶靶表表面面引引起起電電離離基基本本上上是是瞬瞬時(shí)時(shí)的的，，在在靶靶表表面面形形成成高高溫溫等等離離子子體體冕冕。。激激光光聚聚變變所所要要求求的的激激光光強(qiáng)強(qiáng)度度要要高高達(dá)達(dá)1014～1015W/cm2，相相應(yīng)應(yīng)的的等等離離子子體體溫溫度度達(dá)達(dá)到到keV量級(jí)級(jí)，，它它們們將將以以105～106m/s的速速度度向向外外噴噴射射。。4、激激光光在在等等離離子子體體中中的的吸吸收收基本本上上有有三三個(gè)個(gè)主主要要的的過(guò)過(guò)程程：：逆韌致吸吸收、共振吸收收和參量過(guò)程程。（1）逆韌致致吸收它是韌致致輻射的的逆過(guò)程程，是指指自由電電子在原原子核或或離子的的庫(kù)侖場(chǎng)場(chǎng)中吸收收激光的的能量從從而得到到加速或或改變運(yùn)運(yùn)動(dòng)方向向的過(guò)程程。由于自由由電子的的能量是是連續(xù)的的，因此此任何波波長(zhǎng)的激激光都能能發(fā)生逆逆韌致吸吸收。逆韌致吸吸收的物物理過(guò)程程：逆韌致吸吸收是由由電子和和離子之之間的碰碰撞引起起的，入入射激光光電場(chǎng)使使自由電電子發(fā)生生振蕩，，同時(shí)光光電場(chǎng)也也使離子子振蕩，，由于離離子質(zhì)量量比電子子質(zhì)量大大得多，，因此可可以忽略略它們的的運(yùn)動(dòng)。。在激光電電場(chǎng)中做做高頻振振蕩的電電子，其其運(yùn)動(dòng)能能量是無(wú)無(wú)規(guī)的，，這些電電子同本本底離子子通過(guò)碰碰撞將振振蕩能量量變成無(wú)無(wú)規(guī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的熱能能，結(jié)果果入射激激光能就就變成等等離子體體熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)的能量量。其中νei是電子和和離子的的碰撞頻頻率，其中是是庫(kù)侖侖對(duì)數(shù)，，是是“欠欠密度””區(qū)等離離子體的的尺度。。逆韌致吸吸收系數(shù)數(shù)：吸收收激光的的能量和和入射激激光能量量的比值值，其表表達(dá)式為為：（1）電子溫溫度升高高，吸收收系數(shù)下下降（2）與Z2成正比，，原子序序數(shù)越大大，吸收收越厲害害（3）激光強(qiáng)強(qiáng)度越高高，吸收收系數(shù)越越低：激激光是強(qiáng)強(qiáng)度很大大的光，，既有能能量又有有動(dòng)量，，當(dāng)動(dòng)量量變化時(shí)時(shí)就會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生壓力力，另外外等離子子體產(chǎn)生生的場(chǎng)也也有壓力力。這兩兩種壓力力會(huì)對(duì)等等離子體體的分布布產(chǎn)生影影響。例例如，在在臨界面面附近，，激光被被反射，，壓力會(huì)會(huì)使等離離子體產(chǎn)產(chǎn)生密度度“坑””。討論：（4）激光波波長(zhǎng)越大大，吸收收系數(shù)越越?。翰úㄩL(zhǎng)越小小對(duì)應(yīng)的的等離子子體的臨臨界密度度越大，，即可以以傳輸?shù)降降入x子子體密度度更高的的地方，，從而更更多的能能量被等等離子體體吸收。。（5）激光脈脈沖寬度度越大，，吸收系系數(shù)越大大。在高增益益的激光光聚變把把設(shè)計(jì)中中：入射激光光的能量量吸收系系數(shù)可達(dá)達(dá)到（70~95）%逆韌致吸吸收機(jī)制制基于帶帶電粒子子之間的的碰撞，，而這種種碰撞隨隨著溫度度的升高高迅速的的下降。。因此在在熱核溫溫度下，，經(jīng)典的的吸收機(jī)機(jī)制幾乎乎不起作作用。然而驅(qū)動(dòng)動(dòng)束在靶靶上的能能量沉積積機(jī)制并并不只限限于經(jīng)典典的碰撞撞過(guò)程，，在高束束流強(qiáng)度度情況下下又出現(xiàn)現(xiàn)了“反反常”的的吸收機(jī)機(jī)制，這這是高強(qiáng)強(qiáng)度激光光與等離離子體相相互作用用的結(jié)果果。①共振吸收收：當(dāng)激光斜斜入射在在空間不不均勻的的等離子子的密度度梯度上上時(shí)，特特別是P極化激光光電磁波波（電場(chǎng)場(chǎng)方向平平行于入入射平面面）斜入入射在密密度梯度度上，光光電場(chǎng)平平行于等等離子體體密度梯梯度的組組分將驅(qū)驅(qū)動(dòng)電子子等離子子體波。。而且，，激光電電場(chǎng)能夠夠通過(guò)隧隧道效應(yīng)應(yīng)“鉆””到臨界界密度附附近，在在此處，，由于等等離子體體的頻率率等于激激光的頻頻率，即即ωp=ωL，激光的的能量將將通過(guò)共共振的方方式首先先傳遞給給等離子子體，電電子通過(guò)過(guò)和離子子的碰撞撞最終加加熱等離離子體。。（2）激光能量量的反常吸吸收經(jīng)過(guò)物理推推倒得知，，共振吸收收系數(shù)和入入射角有密密切的關(guān)系系：如果入入射角太大大，激光將將在離臨界界密度很遠(yuǎn)遠(yuǎn)的地方反反轉(zhuǎn)；如果果入射角太太小，則平平行于密度度梯度的電電場(chǎng)在反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)點(diǎn)太小。。這兩種情情況吸收系系數(shù)都很小小。實(shí)際上能夠夠發(fā)生共振振吸收的角角度范圍很很小，在均均勻照射的的情況下，，如何實(shí)現(xiàn)現(xiàn)這樣小角角度的入射射是非常困困難的。能夠發(fā)生共共振吸收的的入射角為為：其中：c為光速，ω為激光頻率率，L為定標(biāo)長(zhǎng)度度。慶幸的是，，由入射激激光產(chǎn)生的的有質(zhì)動(dòng)力力將改變等等離子體密密度分布，，使共振吸吸收增強(qiáng)。。激光產(chǎn)生的的光壓力為為：p=2IL/c。等離子體體可以看做做是準(zhǔn)粒子子，有能量量和動(dòng)量，，也會(huì)產(chǎn)生生壓力。所所以不僅光光有壓力，，場(chǎng)也有壓壓力，就是是說(shuō)，任何何高頻電場(chǎng)場(chǎng)在等離子子中都會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生壓力，，這種壓力力稱為“有有質(zhì)動(dòng)力””。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了了高功率激激光的共振振吸收，以以及共振吸吸收隨入射射激光增強(qiáng)強(qiáng)而逐漸增增強(qiáng)的現(xiàn)象象。分析認(rèn)認(rèn)為，入射射激光能的的共振吸收收，一般不不超過(guò)50%。共振吸收過(guò)過(guò)程基本上上是線性的的，但當(dāng)激激光的強(qiáng)度度過(guò)高時(shí)，，一些非線線性效應(yīng)就就會(huì)顯現(xiàn)出出來(lái)。例如共振驅(qū)驅(qū)動(dòng)波場(chǎng)增增加到足夠夠強(qiáng)度時(shí)，，電子經(jīng)過(guò)過(guò)一個(gè)振蕩蕩周期就能能被加速，，叫做“波波破損”。。導(dǎo)致快電子子的產(chǎn)生，，快電子會(huì)會(huì)預(yù)熱燃料料造成熵的的增加，使使燃料被壓壓縮的難度度變大，因因而要求達(dá)達(dá)到同樣密密度和ρR值所需要的的驅(qū)動(dòng)器的的能量增加加。另一種非線線性效應(yīng)是是入射激光光產(chǎn)生的壓壓力使密度度梯度變陡陡和密度定定標(biāo)長(zhǎng)度變變短，有可可能對(duì)有很很強(qiáng)共振吸吸收發(fā)生的的入射角范范圍產(chǎn)生重重大影響。。0xne1013101410151016020406080100激光強(qiáng)度/Wcm-2吸收/%1/4μm1/3μm1/2μm1μm10μm實(shí)驗(yàn)和理論論的結(jié)果表表明，采用用短波長(zhǎng)的的激光（λ<531nm），可以使使共振吸收收控制在高高增益靶感感興趣的最最小的范圍圍內(nèi)。從右右圖可以看看出，在慣慣性約束感感興趣的強(qiáng)強(qiáng)度范圍內(nèi)內(nèi)吸收效率率可達(dá)到70%以上。在等離子體體中，存在在著各種不不同的天然然振蕩模式式或波，例例如靜電波波和離子聲聲波等。它它們的波長(zhǎng)長(zhǎng)依賴于等等離子體的的密度和溫溫度等參數(shù)數(shù)，而這些些參數(shù)會(huì)由由于入射激激光電場(chǎng)的的作用而發(fā)發(fā)生變化。。入射激光光和靜電模模式或電磁磁模式都能能發(fā)生各種種不同的耦耦合，驅(qū)動(dòng)動(dòng)這些模式式的不穩(wěn)定定性，于是是這些不穩(wěn)穩(wěn)定性增長(zhǎng)長(zhǎng)。這種現(xiàn)現(xiàn)象稱為參參量不穩(wěn)定定性，將會(huì)會(huì)引起激光光的反常吸吸收。當(dāng)激光的強(qiáng)強(qiáng)度大于1015W/cm2時(shí)，等離子子體的參量量過(guò)程變得得比較顯著著。②參量不穩(wěn)定定性在激光和等等離子體相相互作用過(guò)過(guò)程中，等等離子體的的激光光波波、靜電波波和離子聲聲波最重要要。根據(jù)三三種波結(jié)合合方式的不不同，參量量不穩(wěn)定性性可分為：：（1）雙等離子子體振子（（TPD）過(guò)程一個(gè)光子的的光波轉(zhuǎn)變變?yōu)閮蓚€(gè)電電子等離子子體振子。。這種過(guò)程程發(fā)生在1/4臨界密度的的面附近，，光壓力排排開(kāi)等離子子體形成所所謂的“坑坑”，使1/4臨界面密度度變陡。當(dāng)當(dāng)激光強(qiáng)度度不足以產(chǎn)產(chǎn)生該過(guò)程程時(shí)，“坑坑”開(kāi)始擴(kuò)擴(kuò)散，密度度梯度恢復(fù)復(fù)，開(kāi)始下下一個(gè)雙等等離子體振振子過(guò)程。。這樣，出出現(xiàn)雙等離離子體不穩(wěn)穩(wěn)定性的間間歇性發(fā)展展。（2）離子聲波波不穩(wěn)定性性（IA）指入射光波波轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋娮拥入x子子體波和離離子聲波。。這種不穩(wěn)穩(wěn)定性只能能發(fā)生在臨臨界面附近近。發(fā)生這這種不穩(wěn)定定時(shí)，入射射激光光波波的能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為等離離子體中的的靜電波和和離子聲波波的能量。。通過(guò)電子子的碰撞，，等離子體體波的能量量可以轉(zhuǎn)化化為等離子子體熱能。。（3）受激布里里淵散射（（SBS）是入射激光光光波在離離子聲波上上的散射。。入射激光光的能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為散射射光波和離離子聲波的的能量。其其中絕大部部分能量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為散射射光波。（4）受激拉曼曼散射（SRS）入射激光光光波的能量量轉(zhuǎn)化為散散射光波和和電子等離離子體波的的能量。有有利于激光光在等離子子體中沉積積，但在某某些條件下下可能產(chǎn)生生超熱電子子，它能量量高、穿透透能力強(qiáng)，，能夠穿進(jìn)進(jìn)燃料區(qū)并并把能量沉沉積在里面面，