[發明專利]一種激光聚變正交橢球腔

有效

• 申請號: 201710074190.5
• 申請日: 2017-02-10
• 公開（公告）號: CN106683714B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 況龍鈺;黎航;景龍飛;林稚偉;張璐;鄭建華;李麗靈;江少恩;丁永坤
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院激光聚變研究中心
• 主分類號: G21B1/03
• 分類號: G21B1/03;G21B1/23
• 代理公司: 南寧東智知識產權代理事務所(特殊普通合伙)45117
• 代理人: 汪治興,巢雄輝

技術領域

本發明涉及激光聚變黑腔設計領域，具體涉及一種激光聚變正交橢球腔。

背景技術

激光慣性約束聚變，作為人類科學利用聚變能的“終極能源夢”解決方案之一，是采用激光作為驅動器壓縮氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等離子體的慣性約束時間內，實現熱核聚變點火燃燒科學研究領域。

在間接驅動激光聚變中，激光束通過注入孔注入到一個高原子序數材料制成的命名為黑腔的中空腔體內，轉化為X光輻照黑腔中心的低原子序數材料靶丸，使靶丸中心燃料達到高溫高密度的聚變點火條件。為達到該點火條件，需要將靶丸壓縮30倍以上，因而黑腔輻射驅動不對稱性需控制在1%以下，這正是一個好的黑腔設計的關鍵要求。目前，兩端各開一個注入孔的圓柱狀黑腔是傳統主流設計，并在美國點火攻關等項目中被大量研究。為了在柱腔中達到需要的高對稱性，采用了多環注入的方式，通過調控內外環功率比來控制低階不對稱性。但內環激光由于靠近靶丸燒蝕出的低原子序數等離子體和壓縮的填充氣體，會產生相當大份額的背向反射，且多束激光交疊會產生難以控制的束間能量轉移，且外環產生的高原子序數等離子體還會影響內環光束的傳輸，這些都使得多環注入和內外環功率比調控非常困難。而且，內外環功率比調控技術非常依賴于程序模擬，而激光等離子體相互作用區域的等離子體是非局域熱動平衡的，很難精確計算。除了柱腔，橢球腔、四或六孔球腔等許多其它形狀的黑腔也被提出和研究能否改善黑腔內的輻射環境：橢球腔雖能提高能量耦合效率，但類似柱腔有多環注入和內外環功率比調控的困難；四孔或六孔球腔在輻射均勻性上有天然的優勢，但四孔球腔要保持良好的輻射均勻性則很難采用單環注入方式，而六孔球腔則耦合效率較低。

發明內容

本發明提供了一種激光聚變正交橢球腔，可有效改善黑腔內的輻射環境。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

三個相同的橢球腔中心對齊、正交拼接成正交橢球腔，所述橢球腔為橢圓沿橢圓長軸旋轉而成的中空橢球腔體，交叉部位中空無腔壁，平行于每個橢球腔短軸方向切除兩端頭形成開孔橢球腔，開孔作為激光注入孔。

進一步的，在設計靶丸直徑為1.8~2.4mm的前提下，所述開孔橢球腔的兩個注入孔所在端面之間的間距為9~11mm，所述橢球腔不含腔壁厚度的短軸長度為5~6mm。

進一步的，所述激光注入孔的直徑為2.4~3mm。

進一步的，所述橢球腔腔壁厚度≥10μm。優選的，所述橢球腔腔壁厚度≤100μm。

進一步的，所述正交橢球腔的內壁由金制成。

本發明還提供了利用以上所述的正交橢球腔進行激光聚變的方法，包括以下步驟：每個注入孔均采用單環激光注入，所有激光束都以相對所在的橢球腔長軸成相同的入射角入射各個注入孔，所述入射角為50°~60°。

以上所述的激光聚變正交橢球腔，具有以下優點：

（1）激光注入：正交橢球腔的每個橢球兩端開孔，共有六個激光注入孔，每個注入孔的激光注入相互獨立，每個注入孔均采用單環激光注入，不存在多環注入所帶來的束間能量交換、高背反份額、外環等離子體泡對內環激光傳輸的遮擋等問題。當進行激光注入時，所有激光束都以相對所在的橢球腔長軸成相同50°~60°的入射角入射各個注入孔，每一個注入孔的激光近似旋轉對稱注入，在研究激光等離子體相互作用問題時可方便地采用二維近似。

（2）時變對稱性：視角因子程序計算結果顯示，在不用內外環功率比調控的情況下，正交橢球腔也表現出優良的輻射對稱性，其時變不對稱性在整個驅動過程中始終小于1.0%。

（3）背反份額：由于正交橢球腔每個注入孔均采用單環激光注入，其激光等離子體相互作用導致的背反份額很低，接近于相近直徑和充氣密度的柱腔的外環。

（4）耦合效率：正交橢球腔的耦合效率大幅高于其他黑腔，平均比典型近真空柱腔高約22%、比典型四孔球腔高約17%、比典型六孔球腔高約29%。

（5）等離子體填充：由于正交橢球腔內激光打擊點所在環面的幾何尺寸與相應柱腔相近，由解析公式計算，其等離子體填充時間接近于相應柱腔。

綜上，本發明正交橢球腔具有柱腔、四孔或六孔球腔等幾種黑腔的大部分優勢，特別是其耦合效率大幅高于其他黑腔，且可預見的風險較小，是一種極具競爭力的點火候選腔型。

附圖說明

圖1是本發明正交橢球腔立體結構示意圖。

圖2是本發明X-Y平面內橢球狀空腔交叉的結構示意圖。

圖3是本發明正交橢球腔三維激光注入結構示意圖。