[发明专利]激光排布确定方法、激光装置使用方法、六孔球腔和系统

说明书

本发明实施例中公开了一种激光排布确定方法、激光装置使用方法、六孔球腔和球形辐射场产生系统。其中，确定方法包括：根据针对两孔柱腔构型设计的激光装置的激光能量、多环激光注入角度，以及根据六孔球腔的腔内辐射场的温度要求，确定对应所述激光装置的六孔球腔模型；根据六孔球腔的理想激光排布，确定出激光注入的限制条件；根据所述激光注入限制条件，对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移，得到所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布。本发明实施例中的技术方案能够利用针对两孔柱腔构型设计的激光装置产生较高均匀度的球形辐射场。

技术领域

本申请涉及能源领域，特别是一种激光排布确定方法、激光装置使用方法、六孔球腔和球形辐射场产生系统。

背景技术

间接驱动是实现点火及高增益惯性约束聚变(ICF)的重要途径，而产生一个具有高辐照均匀度的辐射场是实现聚变点火的先决条件。在间接驱动研究中，激光被以一定的角度从一个黑腔的激光注入孔注入到高Z(即高核电荷数)材料黑腔腔壁上，激光在腔壁上转换为X光，形成具有高辐照均匀度的X光辐射场，驱动并压缩位于黑腔中心的氘氚靶丸，靶丸被压缩加热至极高的温度、密度和压力后实现聚变并释放出足够的能量。激光注入黑腔所产生的辐射场的均匀性主要取决于黑腔构型和激光排布。

在长达近五十年的间接驱动研究中，具有两个激光注入孔(LEH)的柱形黑腔是国际ICF领域中研究得最多的腔型。包括现今世界上最大的两个激光装置——于2009年建成的美国国家点火装置NIF和尚在建设中的法国兆焦耳激光器LMJ，日本大阪大学的GEKKO-XII、美国利弗摩尔国家实验室的NOVA、英国的ORION、中国的神光系列装置等等，都是针对柱腔设计的。在含靶丸的柱腔中，其构型通常可以用三个几何比例来描述：柱腔长度与其直径之比、柱腔与其激光注入孔的直径之比、柱腔与靶丸的直径之比。若不采用其它人为调节方法，柱腔中无法获取具有高辐照均匀度的黑腔辐射场来驱动靶丸内爆。

在惯性约束聚变中，内爆靶丸对辐射场的均匀性有极高的要求，通常要求辐照不均匀度要低于1％。为了在柱腔中创造出具有高辐照均匀度的球形辐射驱动力，激光通常由位于柱腔两端的激光注入孔以多个角度注入黑腔。在中国神光装置上，一共有48束激光，其入射角分别为28.5度、35度、49.5度和55度。在美国NIF装置上，一共有192束激光，形成48个集束，从柱腔两端分别以23.5度、30度、44.5度和50度由激光注入孔注入柱腔。其中，以两个较小角度注入的激光统称为内环激光，以两个较大角度注入的激光统称为外环激光。特别地，激光装置的构型设计主要取决于黑腔构型及其激光排布。比如，耗资30多亿美元的美国NIF装置占地有三个足球场大，而其整个结构设计就是针对柱腔及其双环4角度激光排布。这样的激光装置一旦建成，几乎无法再根据其它构型的黑腔改建其激光排布。然而，仅采用激光多环、多角度注入柱腔的方式仍然无法创造出满足点火靶丸所需要的球形辐射驱动力。因此，美国利弗摩尔国家实验室的科学家还同时采用束间功率平衡方法，使得不同角度的激光具有不同的功率时间波形；并发明了三色光技术，通过交叉束能量转移将外环激光的能量转移至内环激光，以期获取满足内爆靶丸实现聚变点火所要求的具有高辐照均匀度的辐射驱动力。

然而，用于调节辐射场均匀性的束间功率平衡技术和三色光技术均对理论及数值模拟有极高的要求，而目前的理论研究难以给出精准的束间功率平衡设计和三色光设计。此外，针对柱腔设计的传统激光排布，由于其中柱腔内环激光距靶丸很近，这不仅会严重影响靶丸内爆性能，还会产生严重的激光-等离子体不稳定性并导致高份额的激光背向散射，从而使黑腔中的辐射环境非常复杂，难以产生具有高辐照均匀度的球形辐射驱动力。事实上，自美国NIF装置建成至今已经十年多过去了，尽管它在激光聚变点火研究中取得了许多重大进展，但到目前为止，仍未能成功实现点火这一最为重要的目标。对NIF实验的深度研究表明，NIF实现点火的三大障碍分别来自于靶丸上的辐照不均匀度难以满足物理要求、内环光存在严重的激光-等离子体不稳定性、及靶丸流体力学不稳定性，其中前两个障碍都与黑腔构型及其激光排布直接相关，而第三个障碍也与黑腔构型及其激光排布密切相关。

发明内容