激光慣性約束核聚變中直接驅動方式光束排布優(yōu)化研究.pdf

1、激光慣性約束聚變(ICF)有兩種常見的驅動方式，分別是多束激光從各個方向直接照射聚變燃料的直接驅動方式，以及激光照射黑腔壁產生X射線來驅動聚變燃料的間接驅動方式。間接驅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系統(tǒng)精度的要求，另一個優(yōu)點在于間接驅動方式壓縮靶丸的物理過程不依賴驅動源的種類，因而可以較為方便地將其擴展到對基于其他驅動源的聚變研究上。直接驅動方式的優(yōu)勢在于其具有較高的能量利用率，對聚變能

2、的實現來說這是至關重要的。
　　球形內爆物理要求兩種驅動方式提供極高的內爆對稱性以及穩(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，光束的排布方式，以及光學系統(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。在直接驅動聚變中，一般認為對短波長擾動的控制在脈沖輻照初期至關重要，因為此時等離子體的熱勻滑效應并不顯著。長波長的擾

3、動由于不能被等離子體的熱效應勻滑，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或者直接使靶丸殼層破裂。通過增加光束數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)的復雜程度和造價大大增加。如何在給定束數的條件下設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。
　　本文研究內容和取得的成果:
　　1.系統(tǒng)地研究了直接驅動方式的輻照均

4、勻性。分析了輻照不均勻度的高階和低階項對聚變內爆對稱性的影響，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行了詳細地分析，對應的光束排布如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

5、具有高度對稱性的排布結構。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著粒子系統(tǒng)勢能的最低值。通過這個對應關系提出了基于構建梯度力的排布優(yōu)化方案，對于給定的光束強度分布和光束數目，獲得的光束排布對應著極小的輻照不均勻度。
　　3.首次給出了幾何因子項Gl≤t=0的一般條件:∑Nk=1Ylm（→Ωk）/N=0，-l≤m≤l;1≤l≤t。該條件在數學上等效于spherical t-design的定義

6、。我們首次將spherical t-design運用于光束排布設計之中，發(fā)現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，T1060，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，其次設計了一種基于擴束準直系統(tǒng)的光纖陣列耦合方案，最后討論了光纖束間距，望

7、遠系統(tǒng)放大率，離焦距離等對聚焦平面光束強度輪廓的影響。
　　5.提出了一種針對甚多光束激光驅動ICF的光束排布方案，我們證明了在光束數目充足的條件下，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構。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

8、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著粒子系統(tǒng)勢能的最小值。該方案針對給定的光束光強輪廓和光束束數對光束排布進行優(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，它是一種普適的數值方案。
　　3.首次給出了獲得幾何因子項Gl≤t=0的一般條件:∑Nk=1Ylm（→Ωk）/