ICF高功率KrF准分子自发辐射放大脉冲整形及稳定性研究

发布时间：2020-06-21 20:08

【摘要】：由惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)获得的氘氚(DT)惯性聚变能源,为新型可靠洁净高效能源,其聚变靶丸所使用的氘氚(DT)在海水中含量极高,可供人类利用数百年。本论文基于“天光一号”高功率氟化氪准分子激光装置对自发辐射放大脉冲应用于ICF点火研究的需求,对氟化氪准分子激光器输出的248nm自发辐射放大脉冲进行了一系列关于短脉冲获取、脉冲整形及脉冲堆积整形稳定性等方面的研究。为获得高稳定度的脉宽纳秒级自发辐射放大脉冲提供了理论依据和技术方案,为自发辐射放大脉冲整形提供了技术方案,并针对如何提高自发辐射放大脉冲波形的稳定性开展了相关的研究。首先,建立了氟化氪准分子自发辐射放大脉冲分时淬灭法短脉冲获取的理论模型,研究了氟化氪准分子自发辐射放大脉冲分时淬灭法短脉冲获取的机理。通过分析,得到了分时淬灭法中相对延时和相对强度的近似表达式,并利用放电腔中自发辐射放大脉冲放大理论的研究结果,进行了数值模拟计算,对获取自发辐射放大脉冲短脉冲的效果进行了预判,从理论上分析了分时淬灭法获取自发辐射放大脉冲短脉冲理论的可行性和实用性。利用该理论对获取自发辐射放大短脉冲的结果进行数值模拟研究,优化分时淬灭法获取自发辐射放大短脉冲实验的参数设计,提高短脉冲获取效率。其次,设计并优化了氟化氪准分子自发辐射放大脉冲分时淬灭法短脉冲获取的实验方案,并进行了实验研究。研究了全反射镜的位置、相对于主光轴偏离距离、相对于主光轴纵向偏转角等参数对获取短脉冲的影响。通过数据优化选择,确定了最佳参数,初始脉冲宽度为16.06±0.42ns,获得了2.59±0.05ns的自发辐射放大脉冲,脉宽缩短了大约6.2倍。分析了脉冲宽度的稳定性,脉冲宽度变化幅度的绝对值由±0.42ns减小至±0.05ns,减小了8.4倍;相对值由2.5%减小至1.9%,减小了0.6%。证明了该方法可以有效的获取自发辐射放大脉冲短脉冲,并提高结果的稳定性。然后,建立了自发辐射放大脉冲堆积法整形的理论模型和整形结果稳定性的评价标准,数值模拟给出了自发辐射放大脉冲堆积法整形的规律,利用该模型对自发辐射放大脉冲堆积整形的子脉冲数量、脉冲宽度、平顶宽度、平顶平整度、平顶稳定性等问题进行数值模拟研究。基于非相干组束,采用自发辐射放大脉冲堆积法整形技术进行了平顶或近平顶波形获取的方案设计及参数选取,提高了自发辐射放大脉冲堆积整形结果的稳定性和获取预期平顶波形的能力。最后,利用“天光一号”高功率氟化氪准分子激光装置前端,构建了自发辐射放大脉冲堆积法整形实验装置,并优化了参数,进行了脉冲堆积整形实验。得到脉宽5.29ns、平顶宽度2.35ns、平顶平整度3.26%,平顶平整度稳定性1.17%的脉冲波形;实验数据的分析结果为,脉宽5.21±0.04ns、平顶宽度2.41±0.05ns、平顶平整度4.69±0.60%,平顶平整度稳定性1.45±0.20%,实验结果验证了理论模型的正确性和评价标准的适用性。实验结果表明,采用该方法可以获得较高稳定性脉冲堆积整形结果,并验证了“天光一号”高功率氟化氪准分子激光装置前端具备获取纳秒级脉宽且具有较高平顶平整度和较高稳定性的近平顶自发辐射放大脉冲波形的能力。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TL632
【图文】：

示意图,聚变电站,示意图

器的效率与靶增益之积远大于 1，再通过高温饱和蒸汽系统将核聚变能转换为电能输出，建成可控核聚变电站，就可以真正解决当前人类社会高速发展所面临的能源危机和各国对可持续洁净能源的需求[13-23]。图 1-1 所示为国际公认的IFE（Inertial Fusion Energy，IFE）聚变电站示意图及关键单元技术和能量循环过程及各单元的基本标准。

示意图,直接驱动,方案,劳伦斯

哈尔滨工业大学工学博士学位论文装置（美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室）[28, 29]、NIF 装置（National IgnitiFacility-NIF，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室）[30-43]、LMJ 装置（LasMegajoule-LMJ，法国 CESTA 实验室）[44-54]等。如图 1-3 所示为典型激光装美国国家点火装置[55]。

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