金属杂质诱导熔石英元件的辐照损伤特性及修复动力学研究

发布时间：2020-06-13 15:39

【摘要】：大型高功率激光装置的负载能力是利用惯性约束聚变原理解决人类未来能源危机的核心技术指标。熔石英元件的损伤阈值大小直接制约着点火装置的激光能量密度的进一步提高。金属杂质是降低熔石英元件损伤阈值的一个主要原因,通过分析和模拟金属杂质诱导熔石英元件辐照损伤及修复的物理过程来认识其温度场和应力场的变化规律。为了尽可能延长熔石英元件的使用寿命,保证大型高功率激光装置的稳定运行,一方面要根据辐照损伤特性提高熔石英元件的损伤阈值,另一方面要利用损伤修复技术抑制熔石英元件的损伤增长。使用有限元分析软件COMSOL进行仿真建模,金属杂质诱导熔石英元件辐照损伤及修复的物理过程得到了数值模拟。论文的研究和结论如下:(1)通过分析金属杂质诱导熔石英元件辐照损伤的温度场分布,熔石英元件的宽度为20mm,厚度为10mm,椭球状金属杂质长半轴为30μm,短半轴为10μm,金属杂质选用材料库中的Cu,受到250W的高功率激光(光斑半径为2.5mm)辐照作用后金属杂质的温度变化非常大,t=0.05s时,金属杂质的温度已达到2000K。t=0.45s时,金属杂质的温度已高达4000K,远超过熔石英的熔点,熔石英元件的表面构型开始被破坏。(2)通过分析金属杂质诱导熔石英元件辐照损伤的应力场分布,熔融流速的最大值出现在距离光斑中心600μm的径向上,流速最大值为9.88×10~(-4)m/s,应力压强的最大值出现在熔融流速的最大值处,压强的最大值为748Pa。最后得出圆球状和椭球状金属杂质诱导损伤的特性非常相似,而薄膜状金属杂质导致的损伤坑深度最小。(3)通过分析CO_2激光辐照熔石英元件损伤修复的温度场分布,在CO_2激光功率为50W,光斑尺寸为0.02mm,损伤坑宽度为3μm,深度为0.4μm的条件下,t=4.5s时,熔石英元件的不规则的损伤坑结构已被修复为平滑的高斯型结构。(4)通过分析CO_2激光辐照熔石英元件损伤修复的应力场分布,熔融流速的最大值出现在距离光斑中心6μm的径向上,流速的最大值为2.07×10~(-6)m/s,应力压强的最大值出现在熔融流速的最大值处,压强的最大值为4320Pa。最后得出辐照时间和激光功率的特性非常相似,而光斑半径对损伤坑的修复深度影响最明显。
【图文】：

负载能力,因素,高功率激光装置,可控核聚变

.1 大型高功率激光装置的负载能力随着 20 世纪 60 年代第一台红宝石晶体激光器的成功研制，激光技术在民等方面取得了快速发展和大量使用，并对人类社会的生产生活起到了积作用。由于现代社会的生产力不断发展，人类对能源的需求量急剧增长。通过不断分析太阳产生能量的核聚变过程，即高温高压下，一个氘核和一生聚变反应产生一个氦核和一个中子并剧烈释放出一百万倍化学反应能，希望能实现可控核聚变，，从而为人类掌握恒星级能量的技术开辟道路。阳的核聚变属于引力约束聚变，实验室里可以人为实现的核聚变为惯性。惯性约束聚变是指当激光辐照在氘氚靶丸时，会造成聚变材料被压缩成仅有 200g/cm3而其温度则高达 108℃左右的状态，满足劳逊判据要求，即束所需要的时间区间内完成氘氚燃烧的反应，从而得到比之前高 10-100增益[1,2,3]。然而，这种可控核聚变方法对点火驱动器的驱动能力要求极为研究人员发现大型高功率激光装置可以提供符合要求的点火驱动能力，高功率激光装置的负载能力和许多因素相关，如图 1-1 所示。

示意图,国家点火装置,示意图,高功率激光装置

电子科技大学硕士学位论文截止到目前，利用惯性约束聚变原理的激光装置中最具有研发前景和是能量高、脉冲长的基于钕玻璃为激光放大器的光学材料、多程模式为的传输路径的大型高功率激光装置。20 世纪 70 年代美国劳伦斯·利弗（LLNL）的国家点火装置（NIF）[4,5]，如图 1-2 所示，它是目前全世造规模最大、激光能量密度最高的大型高功率激光装置，由 192 束激光之外，还有法国原子能委员会（CEA）的兆焦耳装置（LMJ）[6]，中国装置等[7,8]。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL632.1

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