CN113628765B - 一种高效低膨胀的黑腔构型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效低膨胀的黑腔构型，包括本体，所述本体的内部设置有腔体，所述本体设置有上入射口，所述上入射口为入射激光提供让位空间；所述腔体呈橄榄球型结构；所述本体设置有环形的上凹槽，所述上凹槽的内壁为弧形结构；激光经由所述上入射口进入所述腔体内，并在所述上凹槽的内壁反射后，激活设置在所述腔体内的靶丸；本申请旨在提供一种高效低膨胀的黑腔构型，能够提升黑腔靶丸能量耦合效率，同时，改善内环激光传输，产生高温高品质的辐射源，为激光间接驱动惯性约束聚变点火腔型设计提供新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及激光聚变黑腔领域，尤其涉及一种高效低膨胀的黑腔构型。
背景技术
利用受控热核聚变释放的巨大干净的能量解决能源问题是人类一直追求的理想。激光间接驱动惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，简称ICF)是受控热核聚变的方式之一，利用黑腔将激光能量转换为X射线，再由X射线烧蚀驱动填充聚变燃料的靶丸发生内爆压缩和热核点火燃烧，从而释放聚变能量。传统点火黑腔采用圆柱构型，经过十余年攻关研究，虽已取得燃料增益超过1、逐渐接近“燃烧等离子体”状态(即聚变由反应本身放出的热量而不是输入的激光能量进行维持)等里程碑进展，但距离点火目标仍有不少距离。究其原因，传统柱型黑腔存在两个严重的瓶颈问题：1)黑腔靶丸能量耦合效率不足(仅为10％左右)，造成靶丸驱动不够，热斑面密度低于点火设计值，难以约束阿尔法粒子维持自持加热和燃烧，限制黑腔参数优化空间；2)外环金泡等离子体膨胀过快，吸收内环激光能量份额高达44.8％，使其难以输运到黑腔中部预设位置，辐射源品质不高，后期靶丸驱动对称性难以调控，限制黑腔性能进一步提升。研究表明，通过黑腔局部整形设计，可将黑腔靶丸能量耦合效率提升三倍，或者将内环激光能量被外环金泡吸收份额降低到5.9％。目前，建有大型激光装置的美国、法国和中国等国研究人员大力开展黑腔构型设计工作，提升黑腔性能，逐步迈向点火目标。如，2020年11月Science报道，美国国家点火装置(NationalIgnition Facility，简称NIF)正在测试不同形状的黑腔，以便更好地将能量耦合到靶丸上。优化设计黑腔构型，突破现有腔型瓶颈问题，在激光器有限的输出能量条件下，提高点火裕度，拓展点火靶设计的参数范围，实现较高增益或较低能量条件下的点火，具有重要研究意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高效低膨胀的黑腔构型，能够提升黑腔靶丸能量耦合效率，同时，改善内环激光传输，产生高温高品质的辐射源，为激光间接驱动惯性约束聚变点火腔型设计提供新的思路。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种高效低膨胀的黑腔构型，包括本体，所述本体的内部设置有腔体，所述本体设置有上入射口，所述上入射口为入射激光提供让位空间；所述腔体呈橄榄球型结构；所述本体设置有环形的上凹槽，所述上凹槽的内壁为弧形结构；激光经由所述上入射口进入所述腔体内，并在所述上凹槽的内壁反射后，激活设置在所述腔体内的靶丸。
优选的，所述上凹槽的内壁为超环面结构。
优选的，所述上凹槽的上部的弧度α小于所述上凹槽的下部的弧度β。
优选的，所述本体设置有下入射口，所述下入射口为入射激光提供让位空间。
优选的，所述本体设置有环形的下凹槽，所述上凹槽和所述下凹槽对称分布在所述本体的上下两端，所述下凹槽的内壁为弧形结构；激光经由所述下入射口进入所述腔体内，并在所述下凹槽的内壁反射后，激活设置在所述腔体内的靶丸。
优选的，所述下凹槽的内壁为超环面结构。
优选的，所述上凹槽的下部的弧度小于所述上凹槽的上部的弧度。
本发明的一个技术方案的有益效果：本申请采用非均匀有理B样条方法，通过调节控制点和权重，实现黑腔隐式自由曲面参数化建模和表征，优化黑腔构型，缩减腔壁面积，提高耦合效率；同时，该腔型可同时规避当前黑腔构型面临的瓶颈问题，展示出优良的综合黑腔性能，为产生高温高品质辐射源的腔型设计提供新的思路。本申请能够兼顾现有腔型的优势，提升黑腔靶丸能量耦合效率，改善内环激光传输，产生高温高品质的辐射源，为激光间接驱动惯性约束聚变点火腔型设计提供新的思路。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的剖视结构示意图。
其中：本体1、腔体2、上入射口3、上凹槽4、下入射口5、下凹槽6。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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装置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，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，用于区别描述特征，无顺序之分，无轻重之分。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参阅图1和图2所示，一种高效低膨胀的黑腔构型，包括本体1，所述本体1的内部设置有腔体2，所述本体1设置有上入射口3，所述上入射口3为入射激光提供让位空间；所述腔体2呈橄榄球型结构；所述本体1设置有环形的上凹槽4，所述上凹槽4的内壁为弧形结构；激光经由所述上入射口3进入所述腔体2内，并在所述上凹槽4的内壁反射后，激活设置在所述腔体2内的靶丸。
本申请中腔体2采用橄榄球型结构，利用“中间大两端小”的构型，缩减黑腔内壁表面积，减小腔壁能量漏失，提高黑腔辐射源温度，进而提升黑腔靶丸能量耦合效率。
本申请中设置上凹槽4，在传统柱型黑腔的外环激光弹着点处增加凹槽结构设计，延缓外环金泡等离子体进入内环激光通道的时间，降低金泡对内环激光能量的吸收份额，改善内环激光的传输，使内环激光能量顺利沉积到黑腔中部预设位置，维持激光脉冲后期靶丸驱动对称性。
本申请采用非均匀有理B样条方法，通过调节控制点和权重，实现黑腔隐式自由曲面参数化建模和表征，优化黑腔构型，缩减腔壁面积，提高耦合效率；同时，该腔型可同时规避当前黑腔构型面临的瓶颈问题，展示出优良的综合黑腔性能，为产生高温高品质辐射源的腔型设计提供新的思路。本申请能够兼顾现有腔型的优势，提升黑腔靶丸能量耦合效率，改善内环激光传输，产生高温高品质的辐射源，为激光间接驱动惯性约束聚变点火腔型设计提供新的思路。
优选的，所述上凹槽4的内壁为超环面结构。
具体地，所述上凹槽4的上部的弧度α小于所述上凹槽4的下部的弧度β。
采用超环面圆顶几何位形设计，延缓外环金泡进入内环激光通道的时间，改善内环激光传输，维持靶丸驱动对称性，提升辐射源品质。
优选的，所述本体1设置有下入射口5，所述下入射口5为入射激光提供让位空间。
具体地，所述本体1设置有环形的下凹槽6，所述上凹槽4和所述下凹槽6对称分布在所述本体1的上下两端，所述下凹槽6的内壁为弧形结构；
激光经由所述下入射口5进入所述腔体2内，并在所述下凹槽6的内壁反射后，激活设置在所述腔体2内的靶丸。
本发明主要针对现有激光装置采用双端注入排布设计的情况，提升黑腔靶丸能量耦合效率。若激光装置采用多端单环注入排布设计，并且黑腔构型采用橄榄球腔设计(如三轴整形橄榄球腔)，可规避外环金泡对内环激光传输的阻挡问题和改善耦合效率降低风险，同样能完成本发明的。
优选的，所述下凹槽6的内壁为超环面结构。
具体地，所述上凹槽4的下部的弧度小于所述上凹槽4的上部的弧度。
本发明采用超环面圆顶几何位形设计，延缓外环金泡进入内环激光通道的时间，改善内环激光的传输和能量沉积，维持靶丸驱动对称性，提升黑腔性能。
基于我国十万焦耳激光装置开展各黑腔构型初步分析，黑腔构型包括：柱型黑腔和“I”型腔，加入柱型黑腔分析是为了对比说明，重点比较“I”型腔与本申请的新型黑腔构型，下面从驱动不对称性、耦合效率、等离子体填充等指标评估各黑腔性能：
驱动不对称性：
三种腔型靶丸驱动不对称性均方根RMS均小于4％，新型黑腔与柱型黑腔对称性相当，均优于“I”型腔。需要注意，新型黑腔尚未对腔长、圆顶结构等参数进行优化。
耦合效率：
耦合效率定义为靶丸吸收黑腔中X光能量份额。“I”型腔凹槽结构增加了腔壁面积，造成腔壁漏失份额增加，黑腔辐射温度相对柱型黑腔下降5eV，能量耦合效率由12.47％降低到11.15％；新型黑腔由于其独特的构型，腔壁漏失份额低于50％，耦合效率相对“I”型腔提升21％，黑腔辐射温度相对提升约4.8％(辐射流相对提升约19％)。
等离子体填充：
等离子体填充时间可间接评估黑腔内激光等离子体不稳定性。表1可见，新型黑腔等离子体填充效应接近传统柱型黑腔，优于“I”型腔。
三种腔型的性能比较如下表所示：
表1各腔型黑腔性能比较
其中：固定靶丸直径、黑腔中部直径与靶丸直径比CCR、黑腔长度、激光注入孔直径LEH等参数相同，48束激光按内外环注入黑腔，外环激光弹着点位于凹槽或圆顶结构内，单路激光功率为3kJ/3ns，τCyl.表示柱型黑腔等离子体填充时间，填充时间按τCyl.归一。
单独采用橄榄球型结构，橄榄球型的腔体2中，外环金泡距离内环激光通道更近，以我国十万焦耳激光装置为例，橄榄球型的腔体2的外环金泡与内环激光距离相对于柱型黑腔减小15％，点火脉冲时间尺度下二者相互作用风险更大，内环激光难以传输到黑腔中部预设位置，造成靶丸驱动对称性难以预测和调控，辐射源品质难以满足点火要求。
单独采用“I”型腔结构，“I”型腔凹槽结构设计额外增加了腔壁面积，以我国十万焦耳激光装置为例，“I”型腔腔壁面积相对柱型黑腔额外增加21％，加剧了腔壁能量漏失，进一步降低了黑腔靶丸能量耦合效率。
采用传统柱型黑腔的激光间接驱动惯性约束聚变尚未成功点火，存在黑腔靶丸能量耦合效率不足、外环金泡膨胀过快阻碍内环激光传输等两大瓶颈问题，橄榄球腔外环金泡距离内环激光通道更近，点火脉冲时间尺度下二者相互作用风险更大，造成驱动对称性难以调控；“I”型腔凹槽结构设计额外增加了腔壁面积，加剧了腔壁漏失，进一步降低了耦合效率。
本发明提出一种高效低膨胀的黑腔构型，能够兼顾橄榄球腔和“I”型腔优势，提升黑腔靶丸能量耦合效率，同时，改善内环激光传输，产生高温高品质的辐射源，为激光间接驱动惯性约束聚变点火腔型设计提供新的思路。采用非均匀有理B样条方法，通过调节控制点和权重，实现黑腔隐式自由曲面参数化建模和表征，优化黑腔构型，缩减腔壁面积，提高耦合效率；同时，采用超环面圆顶几何位形设计，延缓外环金泡进入内环激光通道的时间，改善内环激光传输，维持靶丸驱动对称性。本发明提出的新型黑腔构型可同时规避当前黑腔面临的瓶颈问题，展示出优良的综合黑腔性能，为产生高温高品质辐射源的腔型设计提供新的思路。
本发明利用橄榄球构型缩减黑腔壁面积，减小腔壁能量漏失，从而提高黑腔靶丸能量耦合效率，增强靶丸驱动；同时，采用超环面圆顶几何位形设计，延缓外环金泡进入内环激光通道的时间，改善内环激光的传输和能量沉积，维持靶丸驱动对称性，提升黑腔性能。该腔型可同时规避当前黑腔构型面临的瓶颈问题，展示出优良的综合黑腔性能，为产生高温高品质辐射源的腔型设计提供新的思路。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种高效低膨胀的黑腔构型，包括本体，其特征在于，所述本体的内部设置有腔体，所述本体设置有上入射口，所述上入射口为入射激光提供让位空间；
所述腔体呈橄榄球型结构；所述本体设置有环形的上凹槽，所述上凹槽的内壁为弧形结构；所述上凹槽的内壁为超环面结构；
激光经由所述上入射口进入所述腔体内，并在所述上凹槽的内壁反射后，激活设置在所述腔体内的靶丸。
2.根据权利要求1所述的一种高效低膨胀的黑腔构型，其特征在于，所述上凹槽的上部的弧度α小于所述上凹槽的下部的弧度β。
3.根据权利要求1所述的一种高效低膨胀的黑腔构型，其特征在于，所述本体设置有下入射口，所述下入射口为入射激光提供让位空间。
4.根据权利要求3所述的一种高效低膨胀的黑腔构型，其特征在于，所述本体设置有环形的下凹槽，所述上凹槽和所述下凹槽对称分布在所述本体的上下两端，所述下凹槽的内壁为弧形结构；所述下凹槽的内壁为超环面结构；
激光经由所述下入射口进入所述腔体内，并在所述下凹槽的内壁反射后，激活设置在所述腔体内的靶丸。
5.根据权利要求4所述的一种高效低膨胀的黑腔构型，其特征在于，所述上凹槽的下部的弧度小于所述上凹槽的上部的弧度。
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