本發(fā)明涉及激光聚變黑腔設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種激光聚變正交橢球腔。

背景技術(shù)：

激光慣性約束聚變，作為人類科學(xué)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(qū)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(nèi)，實現(xiàn)熱核聚變點火燃燒科學(xué)研究領(lǐng)域。

在間接驅(qū)動激光聚變中，激光束通過注入孔注入到一個高原子序數(shù)材料制成的命名為黑腔的中空腔體內(nèi)，轉(zhuǎn)化為X光輻照黑腔中心的低原子序數(shù)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(qū)動不對稱性需控制在1%以下，這正是一個好的黑腔設(shè)計的關(guān)鍵要求。目前，兩端各開一個注入孔的圓柱狀黑腔是傳統(tǒng)主流設(shè)計，并在美國點火攻關(guān)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(huán)注入的方式，通過調(diào)控內(nèi)外環(huán)功率比來控制低階不對稱性。但內(nèi)環(huán)激光由于靠近靶丸燒蝕出的低原子序數(shù)等離子體和壓縮的填充氣體，會產(chǎn)生相當大份額的背向反射，且多束激光交疊會產(chǎn)生難以控制的束間能量轉(zhuǎn)移，且外環(huán)產(chǎn)生的高原子序數(shù)等離子體還會影響內(nèi)環(huán)光束的傳輸，這些都使得多環(huán)注入和內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控非常困難。而且，內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控技術(shù)非常依賴于程序模擬，而激光等離子體相互作用區(qū)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(nèi)的輻射環(huán)境：橢球腔雖能提高能量耦合效率，但類似柱腔有多環(huán)注入和內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的困難；四孔或六孔球腔在輻射均勻性上有天然的優(yōu)勢，但四孔球腔要保持良好的輻射均勻性則很難采用單環(huán)注入方式，而六孔球腔則耦合效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種激光聚變正交橢球腔，可有效改善黑腔內(nèi)的輻射環(huán)境。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)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(zhuǎn)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(shè)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(yōu)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(nèi)壁由金制成。

本發(fā)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(huán)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(yōu)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(huán)激光注入，不存在多環(huán)注入所帶來的束間能量交換、高背反份額、外環(huán)等離子體泡對內(nèi)環(huán)激光傳輸?shù)恼趽醯葐栴}。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(zhuǎn)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(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交橢球腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，其時變不對稱性在整個驅(qū)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(huán)激光注入，其激光等離子體相互作用導(dǎo)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(huán)。

（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(nèi)激光打擊點所在環(huán)面的幾何尺寸與相應(yīng)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(yīng)柱腔。

綜上，本發(fā)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(yōu)勢，特別是其耦合效率大幅高于其他黑腔，且可預(yù)見的風(fēng)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(fā)明正交橢球腔立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明X-Y平面內(nèi)橢球狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明正交橢球腔三維激光注入結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，正交橢球腔1，注入孔2，激光束3。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于以下實施例。

實施例1

一種激光聚變正交橢球腔，如圖1所示，由三個相同的橢球腔中心對齊、分別沿三維直角坐標的X軸、Y軸、Z軸的方向正交拼接而成，所述橢球腔為橢圓沿橢圓長軸旋轉(zhuǎn)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1，開孔作為激光注入孔2，共有六個注入孔2。

圖2是本發(fā)明X-Y平面內(nèi)橢球狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖，虛線所示意的部分為無實體的部分，由橢球腔交互切割而成；在X-Y平面上，長軸沿X軸方向的橢球腔，短軸方向即平行于Y軸的方向，沿該方向切除該腔兩端頭形成開孔作為激光注入孔2，激光束3從激光注入孔2注入；其它兩個長軸分別沿Y軸、Z軸方向的橢球腔類似；在X-Z平面和Y-Z平面，正交橢球腔1的結(jié)構(gòu)類似。

進一步的，基于激光聚變點火、激光等離子體相互作用理論計算和激光器等的工程實際，靶丸尺寸、結(jié)構(gòu)、材料，激光束尺寸、排布、持續(xù)時間和波形，等離子體聚心運動時間和填充氣體密度等都有一定要求，相應(yīng)橢球腔尺寸也限定在一定范圍內(nèi)，黑腔尺寸較小時耦合效率較高，同時還需綜合考慮輻射對稱性等。根據(jù)激光聚變理論設(shè)計，靶丸直徑為2mm時，本實施例的開孔橢球腔的兩個注入孔所在端面之間的間距為9mm，橢球腔內(nèi)的短軸全長為5mm，腔壁厚度為20μm。

進一步的，注入孔開孔較大便于激光注入，但能量漏失較多降低了黑腔耦合效率；開孔較小則激光較難注入，綜合考慮以上黑腔耦合效率和激光注入難度，本實施例注入孔的直徑為2.4mm。

進一步的，所述開孔橢球腔的內(nèi)壁由金制成。

結(jié)合圖2和圖3所示，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(huán)激光注入，所有激光束3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2，所述入射角θ為50°。

視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交橢球腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，其時變不對稱性在整個驅(qū)動過程中始終小于1.0%；其耦合效率比典型近真空柱腔高約24%、比典型四孔球腔高約19%、比典型六孔球腔高約31%；由于正交橢球腔每個注入孔均采用單環(huán)激光注入，其激光等離子體相互作用導(dǎo)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(huán)；由于正交橢球腔內(nèi)激光打擊點所在環(huán)面的幾何尺寸與相應(yīng)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(yīng)柱腔。

實施例2

一種激光聚變正交橢球腔，如圖1所示，由三個相同的瘦長形橢球腔中心對齊、分別沿三維直角坐標的X軸、Y軸、Z軸的方向正交拼接而成，所述橢球腔為橢圓沿橢圓長軸旋轉(zhuǎn)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1，開孔作為激光注入孔2，共有六個注入孔2。

圖2是本發(fā)明X-Y平面內(nèi)橢球狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖，虛線所示意的部分為無實體的部分，由橢球腔交互切割而成；在X-Y平面上，長軸沿X軸方向的橢球腔，短軸方向即平行于Y軸的方向，沿該方向切除該腔兩端頭形成開孔作為激光注入孔2，激光束3從激光注入孔2注入；其它兩個長軸分別沿Y軸、Z軸方向的橢球腔類似；在X-Z平面和Y-Z平面，正交橢球腔1的結(jié)構(gòu)類似。

進一步的，基于激光聚變點火、激光等離子體相互作用理論計算和激光器等的工程實際，靶丸尺寸、結(jié)構(gòu)、材料，激光束尺寸、排布、持續(xù)時間和波形，等離子體聚心運動時間和填充氣體密度等都有一定要求，相應(yīng)橢球腔尺寸也限定在一定范圍內(nèi)，黑腔尺寸較小時耦合效率較高，同時還需綜合考慮輻射對稱性等。根據(jù)激光聚變理論設(shè)計，靶丸直徑為2.2mm時，本實施例的開孔橢球腔的兩個注入孔所在端面之間的間距為10mm，橢球腔內(nèi)的短軸全長為5.5mm，腔壁厚度為20μm。

進一步的，注入孔開孔較大便于激光注入，但能量漏失較多降低了黑腔耦合效率；開孔較小則激光較難注入，綜合考慮以上黑腔耦合效率和激光注入難度，本實施例注入孔的直徑為2.4mm。

進一步的，所述開孔橢球腔的內(nèi)壁由金制成。

結(jié)合圖2和圖3所示，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(huán)激光注入，所有激光束3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2，所述入射角θ為55°。

視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交橢球腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，其時變不對稱性在整個驅(qū)動過程中始終小于1%；其耦合效率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%；由于正交橢球腔每個注入孔均采用單環(huán)激光注入，其激光等離子體相互作用導(dǎo)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(huán)；由于正交橢球腔內(nèi)激光打擊點所在環(huán)面的幾何尺寸與相應(yīng)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(yīng)柱腔。

實施例3

一種激光聚變正交橢球腔，如圖1所示，由三個相同的瘦長形橢球腔中心對齊、分別沿三維直角坐標的X軸、Y軸、Z軸的方向正交拼接而成，所述橢球腔為橢圓沿橢圓長軸旋轉(zhuǎn)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1，開孔作為激光注入孔2，共有六個注入孔2。

圖2是本發(fā)明X-Y平面內(nèi)橢球狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖，虛線所示意的部分為無實體的部分，由橢球腔交互切割而成；在X-Y平面上，長軸沿X軸方向的橢球腔，短軸方向即平行于Y軸的方向，沿該方向切除該腔兩端頭形成開孔作為激光注入孔2，激光束3從激光注入孔2注入；其它兩個長軸分別沿Y軸、Z軸方向的橢球腔類似；在X-Z平面和Y-Z平面，正交橢球腔1的結(jié)構(gòu)類似。

進一步的，基于激光聚變點火、激光等離子體相互作用理論計算和激光器等的工程實際，靶丸尺寸、結(jié)構(gòu)、材料，激光束尺寸、排布、持續(xù)時間和波形，等離子體聚心運動時間和填充氣體密度等都有一定要求，相應(yīng)橢球腔尺寸也限定在一定范圍內(nèi)，黑腔尺寸較小時耦合效率較高，同時還需綜合考慮輻射對稱性等。根據(jù)激光聚變理論設(shè)計，靶丸直徑為2.4mm時，本實施例的開孔橢球腔的兩個注入孔所在端面之間的間距為11mm，橢球腔內(nèi)的短軸全長為6mm，腔壁厚度為20μm。

進一步的，注入孔開孔較大便于激光注入，但能量漏失較多降低了黑腔耦合效率；開孔較小則激光較難注入，綜合考慮以上黑腔耦合效率和激光注入難度，本實施例注入孔的直徑為3mm。

進一步的，所述開孔橢球腔的內(nèi)壁由金制成。

結(jié)合圖2和圖3所示，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(huán)激光注入，所有激光束3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2，所述入射角θ為60°。

視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交橢球腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，其時變不對稱性在整個驅(qū)動過程中始終小于1%；其耦合效率比典型近真空柱腔高約20%、比典型四孔球腔高約15%、比典型六孔球腔高約27%；由于正交橢球腔每個注入孔均采用單環(huán)激光注入，其激光等離子體相互作用導(dǎo)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(huán)；由于正交橢球腔內(nèi)激光打擊點所在環(huán)面的幾何尺寸與相應(yīng)柱腔相近，由解析公式計算，其等離子體填充時間略大于相應(yīng)柱腔。

實施例3的參數(shù)設(shè)計雖然降低了一些耦合效率，但提高了輻射均勻性，更便于激光注入，也增大了等離子體填充時間。

其中，上述實施例1~3中，靶丸尺寸與兩個注入孔所在端面之間的間距、橢球腔內(nèi)的短軸全長、注入孔的直徑之間的計算關(guān)系，為現(xiàn)有技術(shù)，計算方法可參照以下外國文獻：（1）Lindl, J. D. Development of the Indirect-Drive Approach to Inertial Confinement Fusion and the Target Physics Basis for Ignition and Gain. Phys. Plasmas 2, 3933-4024 (1995)；（2）Lindl, J. D. et al. The physics basis for ignition using indirect-drive targets on the National Ignition Facility. Phys. Plasmas 11, 339-491 (2004)；（3）Atzeni, S. & Meyer-ter-Vehn, J. in The Physics of Inertial Fusion 5 (Clarendon Press, Oxford, 2004)；（4）Haan, S. W. et al. Point design targets, specifications, and requirements for the 2010 ignition campaign on the National Ignition Facility. Phys. Plasmas 18, 051001 (2011).

驗證實施例

以下對計算方法和證明過程進行說明：

輻射流不對稱性、耦合效率、等離子體填充等是評估黑腔品質(zhì)的最重要方面，輻射流不對稱性用視角因子程序計算，耦合效率和等離子體填充可用解析模型計算。典型結(jié)果如表1所示，可見正交橢球腔(采用實施例2參數(shù))的時變不對稱性均方根在整個驅(qū)動過程中始終小于0.08%，極值始終小于0.19%，優(yōu)于典型近真空柱腔和典型六孔球腔；靶丸吸收的能量份額即是實際有用的黑腔到靶丸的能量耦合效率，正交橢球腔為12.31%，大幅高于其他黑腔，比靶丸吸收10.05%的典型近真空柱腔高約22%、比靶丸吸收9.55%的典型六孔球腔高約29%；等離子體填充時間接近于典型近真空柱腔。

表1為典型近真空柱腔、典型六孔球腔和正交橢球腔的評估比較表，都選用相同的直徑為2.2mm的靶丸，和直徑為2.4mm的注入孔。激光光斑區(qū)域相對黑腔壁的輻射流比率設(shè)為2。時間平均的腔壁和靶丸的反照率分別設(shè)為0.8和0.3。近真空柱腔的等離子體環(huán)境復(fù)雜，激光束細致排布尚未明確，其輻射流不對稱性未給出，但定性上差于其它腔。填充體積設(shè)為等同黑腔體積。表1中的填充時間相對τ_f-Rev5歸一化，τ_f-Rev5為美國點火攻關(guān)項目中第五版柱腔Rev5-CH (輻射溫度300 eV)的填充時間。

表1

正交橢球腔的最大優(yōu)勢是其耦合效率大幅高于其他黑腔，更高的耦合效率能節(jié)省激光能量，提高聚變增益，放大黑腔尺寸等以便降低充氣密度和調(diào)控出更優(yōu)的對稱性，以及便于放寬其他條件。根據(jù)黑腔反照率和輻射溫度空間均勻性的簡化近似，當黑腔變化量相對較小時，穩(wěn)態(tài)下的黑腔內(nèi)功率平衡可描述為：

，(1)

其中為散射光能量份額，為激光-X光轉(zhuǎn)化效率，為激光總能量，為Stefan-Boltzmann常數(shù)，為黑腔輻射溫度，分別為黑腔內(nèi)壁、靶丸和注入孔的面積，分別為黑腔內(nèi)壁、靶丸和注入孔的反照率。

因而腔壁漏失、靶丸吸收、注入孔漏失的能量份額可被描述為一個統(tǒng)一的表達式：

，(2)

利用公式（2）可計算得表1中的各項能量份額，其中靶丸吸收的能量份額即是實際有用的黑腔到靶丸的能量耦合效率。