CN108711460A - 一种产生中子源的方法 - Google Patents
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Abstract
一种产生中子源的方法，包括：利用激光打击含有聚变燃料的反射结构，反射结构内部具有汇聚空间，反射结构被配置成当激光射入反射结构的内部对其进行烧蚀时，产生的等离子体能够被反射结构反射汇聚到汇聚空间。其利用激光对反射结构的内部材料烧蚀，产生反向高速运动的等离子体。反向高速运动的等离子体集聚到汇聚空间，高速运动的等离子体与集聚到汇聚空间的等离子体碰撞，将能量转化为等离子体内能，使得集聚的等离子体温度升高。当激光持续发射，可实现集聚的等离子体温度持续升高，直至达到一个平衡点，然后聚集等离子体体积不断增长，形成一个稠密高温等离子体球。等离子体球中的聚变燃料发生热核反应，发射中子。
Description
技术领域
本发明涉及中子源技术领域，且特别涉及一种产生中子源的方法。
背景技术
中子具有电中性和强穿透能力的特点，被广泛应用于材料科学、生物科学、核物理等研究领域中，包括材料辐照损伤、生物辐照效应、中子照相、核数据测量等研究方向，而中子源是开展上述研究的重要支撑。
传统中子源主要分为三类，即放射性同位素中子源、反应堆中子源和加速器中子源。放射性同位素中子源具有体积小，便于携带的优点，但中子能谱复杂，中子通量低。反应堆中子源是一种稳定连续的中子源，中子能谱复杂，中子源尺寸大。加速器中子源是实验室常用中子源，既可产生准单能中子，也可产生白光中子源，中子通量较高，但在脉冲工作模式下，中子通量明显降低。上述中子源中，仅加速器中子源能够产生脉冲式准单能中子，但由于中子通量较低，限制了其应用范围。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产生中子源的方法。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种产生中子源的方法，包括：
利用激光打击含有聚变燃料的反射结构，反射结构内部具有汇聚空间，反射结构被配置成当激光射入反射结构的内部对其进行烧蚀时，产生的等离子体能够被反射结构反射汇聚到汇聚空间。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
聚变燃料包括氘或氘氚。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
激光的打击点采用环形或球形排布。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
激光强度≥1015W/cm2。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
反射结构整体呈球形，反射结构开设有多个与汇聚空间连通的第一入射口。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
第一入射口具有两个，两个第一入射口相对设置。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
反射结构由多块板体构成，相邻的板体间设置有入射孔。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
反射结构包括第一板体、第二板体、第三板体和第四板体，第一板体和第二板体相对设置，第三板体和第四板体相对设置。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
反射结构整体呈柱状，反射结构的顶端和底端开设与汇聚空间连通的第二入射口。
进一步地，在本发明的一种实施例中：
反射结构为圆柱状。
本发明实施例的的有益效果是：利用激光入射到反射结构内部，激光对反射结构的内部材料烧蚀，可产生反向高速运动的等离子体。反向高速运动的等离子体集聚到汇聚空间，高速运动的等离子体与集聚到汇聚空间的等离子体碰撞，将能量转化为等离子体内能，使得集聚的等离子体温度升高。当激光持续发射，高速运动的等离子体能够长时间持续地注入汇聚空间，可实现集聚的等离子体温度持续升高，直至达到一个平衡点，然后聚集等离子体体积不断增长，形成一个稠密高温等离子体球。等离子体球中的聚变燃料发生热核反应，发射中子。本实施例的产生中子源的方法利用高速运动等离子体不断向聚集等离子体填充燃料，提升聚变燃料装量，产生的中子通量高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的第一种反射结构的示意图；
图2为本发明实施例的第二种反射结构的示意图；
图3为本发明实施例的第三种反射结构的示意图。
图标：100-反射结构；110-第一入射口；200-反射结构；210-第一板体；220-第二板体；230-第三板体；240-第四板体；250-入射孔；300-反射结构；310-第二入射口。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
激光驱动聚变中子源是一种新型准单能脉冲中子源，通常采用激光间接驱动和直接驱动两种方式使靶丸收缩，然后靶丸通过惯性约束内爆发射中子。该类型中子源具有尺寸小(约百微米)、持续时间短(亚纳秒)和单能性好等特点，其中子通量依赖于靶丸制备能力和激光控制水平，轻微的激光功率平衡晃动或者靶丸表面材料光洁度变化都会使得实验结果显著的偏离理论预期，且实验可重复性极差。
另外，激光惯性约束聚变的激光能量利用效率低(约0.1％)，燃料装量低。因此，仍需探索新的激光驱动聚变中子源的产生方式，减弱对靶丸制备能力和激光控制水平的依赖，增强激光-燃料的能量耦合效率，提升整体皮实性。
基于此，本实施例提供一种产生中子源的方法，包括：
利用激光打击含有聚变燃料的反射结构100，反射结构100内部具有汇聚空间，反射结构100被配置成当激光射入反射结构100的内部对聚变材料进行烧蚀时，产生的等离子体能够被反射结构100反射汇聚到汇聚空间。
利用激光入射到反射结构100内部，激光对反射结构100的内部材料烧蚀，可产生反向高速运动的等离子体。反向高速运动的等离子体集聚到汇聚空间，高速运动的等离子体与集聚到汇聚空间的等离子体碰撞，将能量转化为等离子体内能，使得集聚的等离子体温度升高。当激光持续发射，高速运动的等离子体能够长时间持续地注入汇聚空间，可实现集聚的等离子体温度持续升高，直至达到一个平衡点，然后聚集等离子体体积不断增长，形成一个稠密高温等离子体球。等离子体球中的聚变燃料发生热核反应，发射中子。本实施例利用高速运动等离子体不断向聚集等离子体填充燃料，提升聚变燃料装量。
需要说明的是，聚集等离子体中会发生高频的离子-离子碰撞、离子-电子碰撞和电子-电子碰撞。等离子体中离子温度高于电子，且离子-电子碰撞时间较长，即离子将能量传递给电子需要一定时间(纳秒量级)。经过一定时间后，离子温度降低，电子温度升高，并通过电子韧致辐射损失能量。一旦停止注入高速运动等离子体，聚集等离子体将稀疏，直至完全消散。
因此，本实施例可利用激光注入时间调节，控制高速运动等离子体维持时间，实现对中子发射时间长度的调控。根据现有高能量激光器的能量输出能力，可实现数纳秒的激光注入，从而产生数纳秒的中子发射源。
在本实施例中，聚变燃料包括氘或氘氚。热核反应主要为氘氘聚变反应和氘氚聚变反应，氘氘聚变和氘氚聚变分别能产生2.45MeV和14MeV中子。
另外，为了更加有效地烧蚀反射结构100内部的材料，在本实施例中，所选用的激光强度≥1015W/cm2，有利于烧蚀反射结构100内部的材料，产生更多、动能更大的反向高度运动的等离子体。在本实施例中，激光为通过多束叠加得到，其中，单束激光的强度为5×1014W/cm2。需要说明的是，单束激光的强度不限于5×1014W/cm2。
另外，需要说明的是，反射结构100内部的材料需保证有足够分量的氘燃料或氘氚燃料。因而可以选择CD塑料材料、CD2塑料材料、液体氘或液体氘氚作为反射结构100内部的轻材料。其中C代表碳，D代表氘。
为了实现将多束等离子体汇聚于汇聚空间内，本实施例主要以下两种途径实现：(1)激光的打击点采用环形或球形排布；(2)对反射结构100采用球形、柱形、多平板环形排布、多平板球形排布、平板与柱结合等形式实现，使产生反向运动的等离子体汇集于环中心或球中心。
请参照图1，当反射结构100设置成球形时，可以采用以下结构：成球形的反射结构100开设多个与汇聚空间连通的第一入射口110。其中，第一入射口110具有两个，两个第一入射口110相对设置。
32束激光束分别从上端和下端的第一入射口110射入到反射结构100内部，通过调节激光注入角度，使得激光的打击点均匀分布于反射结构100的内部表面，激光对反射结构100的内部材料烧蚀，可产生反向高速运动的等离子体。反向高速运动的等离子体集聚到汇聚空间，高速运动的等离子体与集聚到汇聚空间的等离子体碰撞，将能量转化为等离子体内能，使得集聚的等离子体温度升高。激光持续发射，高速运动的等离子体能够长时间持续地注入汇聚空间，可实现集聚的等离子体温度持续升高，直至达到一个平衡点，然后聚集等离子体体积不断增长，形成一个稠密高温等离子体球。等离子体球中的聚变燃料发生热核反应，发射中子。其中，32束激光在2ns内注入50kJ能量，获得3×1010中子产额，中子发射时间持续超过2纳秒，中子源尺寸为几百微米。
请参照图2，当反射结构200设置为多平板环形排布时，可以采用以下结构：反射结构200由四块板体构成，相邻的板体间设置有入射孔250。反射结构200包括相互连接的第一板体210、第二板体220、第三板体230和第四板体240，第一板体210和第二板体220相对设置，第三板体230和第四板体240相对设置。
请参照图3，当反射结构300设置成柱状时，可以采用以下结构：反射结构300呈圆柱状，反射结构300的顶端和底端开设与汇聚空间连通的第二入射口310。
需要说明的是，反射结构100的具体结构不限于上述几种，可根据需要自行选择设计。只要满足能将高速反向运动的等离子体汇聚于汇聚空间的特定空间以形成稠密高温等离子体球即可。
本实施例的产生中子源的方法，利用激光入射到反射结构100内部，激光对反射结构100的内部材料烧蚀，可产生反向高速运动的等离子体。反向高速运动的等离子体集聚到汇聚空间，高速运动的等离子体与集聚到汇聚空间的等离子体碰撞，将能量转化为等离子体内能，使得集聚的等离子体温度升高。当激光持续发射，高速运动的等离子体能够长时间持续地注入汇聚空间，可实现集聚的等离子体温度持续升高，直至达到一个平衡点，然后聚集等离子体体积不断增长，形成一个稠密高温等离子体球。等离子体球中的聚变燃料发生热核反应，发射中子。
本实施例利用高速运动等离子体不断向聚集等离子体填充燃料，提升聚变燃料装量。不需要对激光打击点及激光注入波形进行高精度控制，对聚集等离子体的形成及约束、对流体力学不稳定性、反射结构100内部材料的制备精度和激光能量平衡控制能力要求不高。本实施例产生的中子源具有良好的皮实性，在100kJ激光装置上，可高重复性地产生尺寸几百微米，中子产额大于1010/发次的准单能中子源。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种产生中子源的方法，其特征在于，包括：
利用激光打击含有聚变燃料的反射结构，所述反射结构内部具有汇聚空间，所述反射结构被配置成当所述激光射入所述反射结构的内部对其进行烧蚀时，产生的等离子体能够被所述反射结构反射汇聚到所述汇聚空间。
2.根据权利要求1所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述聚变燃料包括氘或氘氚。
3.根据权利要求1所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述激光的打击点采用环形或球形排布。
4.根据权利要求1所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述激光的强度≥1015W/cm2。
5.根据权利要求1-4任一项所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述反射结构整体呈球形，所述反射结构开设有多个与所述汇聚空间连通的第一入射口。
6.根据权利要求5所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述第一入射口具有两个，两个所述第一入射口相对设置。
7.根据权利要求1-4任一项所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述反射结构由多块板体构成，相邻的板体间设置有入射孔。
8.根据权利要求7所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述反射结构包括第一板体、第二板体、第三板体和第四板体，所述第一板体和所述第二板体相对设置，所述第三板体和所述第四板体相对设置。
9.根据权利要求1-4任一项所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述反射结构整体呈柱状，所述反射结构的顶端和底端开设与所述汇聚空间连通的第二入射口。
10.根据权利要求9所述的产生中子源的方法，其特征在于，所述反射结构为圆柱状。
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