CN114093528B - 激光聚变黑腔腔壁结构及黑腔 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例中公开了一种激光聚变黑腔腔壁结构及黑腔。其中，预先将黑腔腔壁划分为光斑区和非光斑区；所述光斑区为腔壁上的激光打击区；所述腔壁结构包括：设置在所述光斑区的用以增加所述光斑区面积的多个凹孔结构和/或多个凸起结构；其中，所述多个凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述多个凸起结构具有相同或不同的几何参数。本发明实施例中的技术方案能够降低激光等离子体不稳定性，提高激光吸收效率。

Description

激光聚变黑腔腔壁结构及黑腔
技术领域
本申请涉及能源领域，特别是一种激光聚变黑腔腔壁结构及激光聚变黑腔。
背景技术
在激光驱动的惯性约束聚变(简称激光聚变)中，激光通过注入孔被注入到高Z(高原子序数)材料黑腔腔壁并被转换成X光，X光辐射驱动并压缩位于黑腔中心的球形氘氚靶丸实现内爆和聚变点火。
在激光聚变中，如何将注入黑腔的激光能量尽可能多地转换成驱动靶丸实现聚变点火的X光辐射能量，是点火靶设计中的一个基本问题。由于黑腔中并非真空，里面含有从高Z材料腔壁上烧蚀下来的等离子体以及为了抑制光斑区等离子体运动在黑腔中填充的低Z气体。当注入黑腔的激光穿过这些等离子体时，就会发生激光等离子体不稳定性。
在激光注入黑腔的过程中，部分注入激光会因激光等离子体不稳定性通过受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering)、受激拉曼散射(Stimulated RamanScattering)、双等离子体衰变(Two-plasmon Decay)等过程从入射激光的背向散射出黑腔，这将严重降低激光吸收效率，从而降低激光-X光辐射转换效率。激光等离子体不稳定性越严重，则散射/反射回去的激光份额越高、激光吸收效率越低，则实现高增益聚变点火的可能性越小。因此，抑制激光等离子体不稳定性是激光聚变点火所面临的巨大挑战。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例中一方面提出一种激光聚变黑腔腔壁结构，另一方面提出一种激光聚变黑腔，用以降低激光等离子体不稳定性，提高激光吸收效率。
本发明实施例中提出的一种激光聚变黑腔腔壁结构，其中，预先将黑腔腔壁划分为光斑区和非光斑区；所述光斑区为腔壁上的激光打击区；所述腔壁结构包括：设置在所述光斑区用以增加所述光斑区面积的多个凹孔结构和/或多个凸起结构；其中，所述多个凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述多个凸起结构具有相同或不同的几何参数。
在一个实施方式中，所述多个凹孔结构中的至少一个具有至少一个子凹孔结构和/或至少一个子凸起结构；所述多个凸起结构中的至少一个具有至少一个子凹孔结构和/或至少一个子凸起结构；其中，所述至少一个子凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述至少一个子凸起结构具有相同或不同的几何参数。
在一个实施方式中，所述光斑区的腔壁高Z材料为下述材料之一或组合：密实固体材料、疏松固体材料、超材料。
在一个实施方式中，每个光斑区包括1～10000个凹孔结构，凹孔结构的凹面朝向入射激光；每个凹孔的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
在一个实施方式中，每个光斑区包括1～10000个凸起结构；每个凸起结构的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
在一个实施方式中，每个光斑区包括1～10000个凹孔结构及凸起结构，凹孔结构的凹面朝向入射激光；每个凹孔结构及凸起结构的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
在一个实施方式中，所述黑腔为：六孔球腔(Octahedral spherical hohlraum)、柱腔(Cylindrical hohlraum)、四孔球腔(Tetrahedral spherical hohlraum)、六通腔(Six-cylinder-port hohlraum)、三轴柱腔(Three-axis cylindrical hohlraum)、橄榄腔(Rugby hohlraum)、花生腔(Peanut hohlraum)、I型腔(I-shaped hohlraum)、锥台腔(Frustraum)或自由形腔(Hohlraum with free-form hohlraum shape)。
本发明实施例中提出的一种黑腔，包括：如上所述任一实施方式中的激光聚变黑腔腔壁结构。
其中，所述黑腔可以为六孔球腔、柱腔、四孔球腔、六通腔、三轴柱腔、橄榄腔、花生腔、I型腔、锥台腔(Frustraum)或自由形腔。
从上述方案中可以看出，本发明实施例中，通过在光斑区，采用具有凹孔结构和/或凸起结构的黑腔腔壁，一方面可增加激光与腔壁接触面积，从而降低腔壁上的激光强度，进而降低因腔壁烧蚀等离子体带来的激光等离子体不稳定性；另一方面可破坏激光通道上激光、等离子体波及散射波三波匹配等离子体长度，以抑制激光等离子体不稳定性增长。
附图说明
下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：
图1为一个例子中六孔球腔辐射驱动源的示意图。
图2为本发明实施例中六孔球腔腔壁上光斑区与非光斑区的示意图。
图3为本发明一个例子中的凹孔结构的示意图。
图4为本发明又一个例子中的凹孔结构及其子结构的示意图。
具体实施方式
本发明实施例中，在激光聚变中激光等离子体不稳定性一方面与激光参数及品质有关，如激光强度、激光频率、激光频率宽度、激光相位相干性等等，另一方面与激光传输通道上的等离子体参数有关，如等离子体的密度分布、温度分布、流场等等。
通过对在有质动力势驱动下的受激布里渊散射增益GSBS和受激拉曼散射增益GSRS进行分析，也可得到上述论点。其中，在有质动力势驱动下的受激布里渊散射增益GSBS和受激拉曼散射增益GSRS分别为：
这里，其中，入射激光强度I为单位面积、单位时间所注入的激光能量；λ，ω0分别是入射激光的波长和频率；v0是电子在激光电场中的振荡速度；ve是激光通道上的电子热速度；ne/nc是激光通道上电子密度ne与临界密度nc之比；va/ωa是声波阻尼与其频率之比；vl是频率为ωl的拉曼散射等离子体波的阻尼率；kl是拉曼散射等离子体波的波数；ωr是受激拉曼散射光的频率；vgb和vgr分别是受激布里渊散射光和受激拉曼散射光的群速度；L是激光通道上的满足激光、等离子体波及散射波三波匹配的等离子体长度。从这个公式可以得出以下两点结论。第一、在激光等离子体不稳定性线性增益阶段，激光等离子体不稳定性与入射激光强度I成正比。也就是说：激光强度越高，则激光等离子体不稳定性越严重。第二、激光、等离子体波及散射波三波匹配的等离子体长度L越长则激光等离子体不稳定性增长越快。其中，激光、等离子体波及散射波三波匹配的等离子体长度L与激光频率、激光频率宽度、激光相位相干性，以及激光传输通道上的等离子体的密度分布、温度分布、流场等相关。
在改进激光品质方面，目前有连续相位板(Continuous Phase Plate)、谱色散匀滑(Smoothing by Spectral Dispersion)、偏振匀滑(Polarization Smoothing)、交叉束能量转移(Crossed-beam Energy Transfer)等等技术手段。此外，为了能更有效地抑制激光等离子体不稳定性，目前人们正努力研制宽频带激光技术，以期通过增加激光频带宽度来降低激光-等离子体不稳定性。不过，至今未能获得理想的宽带激光技术，且宽带技术会给激光工程增加相当的难度和复杂度。
本发明实施例中，从腔壁微观结构设计上去寻求提高激光吸收效率的答案，独辟蹊径地提出一种具有随机凹孔和/或凸起结构的黑腔腔壁，在不改变激光光腰尺寸的条件下，不对腔壁材料密度做任何特殊要求，即可增加激光与黑腔腔壁的接触面积以降低激光强度、增加等离子体流场的复杂性以抑制激光-等离子体不稳定性的增长，从而降低激光-等离子体不稳定性、提高激光吸收效率。本发明实施例中，不要求腔壁的光滑平整度。本发明实施例中，随机凹孔和/或凸起结构即可仅用于光斑区，也可用于包括光斑区和非光斑区的整个腔壁。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行详细描述。
本发明实施例中，以六孔球腔球对称辐射驱动源为例进行阐述，实际应用中，本发明实施例中的技术方案可推广应用于其它构型的黑腔及其激光排布，例如柱腔、四孔球腔、六通腔、三轴柱腔、橄榄腔、花生腔、I型腔、锥台腔(Frustraum)或自由形腔。
图1为一个例子中六孔球腔辐射驱动源的示意图。如图1所示，六孔球腔辐射驱动源采用甚多束激光六孔注入的激光排布方案和近完备六孔球腔构型。该图1所示为点火装置具有48个激光集束的情况，每个孔注入8个激光集束。
其中，六孔球腔构型指的是：具有六个激光注入孔的球腔构型。六个激光注入孔分别位于球腔的前后、左右、上下，两两相对，六个激光注入孔的孔中心对应所述球形腔体一内接正六面体的面中心；将所有相邻激光孔的孔中心相连，则所有连线的长度相等，并构成一个八面体钻石形状。
近完备球腔构型指的是：带/不带柱口且带/不带挡板的六孔球腔。
甚多束激光六孔注入方案指的是：激光由六孔注入；由每个孔注入的激光束数相同；每个孔的所有光束均以同一角度注入；由各孔注入的所有光束在方位角方向呈等间距排布；六个孔所有光束按相同方式统一旋转相同的方位角。
六孔球腔辐射驱动源指的是：在六孔球腔点火装置激光驱动下的六孔球腔中的辐射场环境。其中，将采用甚多束激光六孔注入方案进行激光排布的、以研究并实现聚变点火为目的的激光装置称为甚多束激光六孔注入点火装置。
黑腔腔壁通常分为两类区域，一类为光斑区，即腔壁上的激光打击区；另一类为非光斑区，即腔壁上激光打击不到的区域，该区域以辐射烧蚀为主。图2中示出了六孔球腔腔壁上光斑区21与非光斑区22的示意图。其中，光斑区21是间接驱动激光聚变中将激光转换为X光的关键区域，而光斑区的激光-X光能量转换效率与腔壁设计密切相关。
为此，本实施例中，以在光斑区的腔壁采用凹孔和/或凸起结构的情况为例。当然，本发明其他实施例中也不排除在黑腔腔壁的所有区域均采用凹孔和/或凸起结构的情况，即除了在光斑区采用凹孔和/或凸起结构之外，并不限定非光斑区的具体结构，也就是说，非光斑区既可采用凹孔和/或凸起结构，也可不采用凹孔和/或凸起结构。具体情况可根据物理需求、物理设计及制靶工艺来决定。例如，在某些场景中，可在所述非光斑区设置多个凹孔结构和/或多个凸起结构；其中，所述多个凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述多个凸起结构具有相同或不同的几何参数。
其中，设置在光斑区的多个凹孔结构和/或多个凸起结构能够增加所述光斑区面积，进而可增加激光与光斑区的接触面积，从而可降低激光强度，增加腔壁对激光的吸收面积；并且通过破坏腔壁结构的均匀性以提供等离子体各种流动路径，从而增加了等离子体流场的复杂性，进而来抑制激光-等离子体不稳定性的增长。
具体实现时，所述多个凹孔结构可具有相同或不同的几何参数；所述多个凸起结构也可具有相同或不同的几何参数。
例如，图3示出了一个示例中的采用锥孔的凹孔结构的示意图。如图3所示，每个凹孔31的几何参数包括：凹孔高度为h，凹孔的锥面与其旋转对称轴的夹角为0°≤θ＜90°，凹孔在距黑腔中心较近的一端的内直径为D、较远的一端的内直径为d，凹孔的壁厚为δ，相邻锥孔间最短距离为Δ。当θ＝0°时，凹孔为圆柱形；当θ＝90°时，黑腔腔壁即为传统的光滑平整型。关于黑腔腔壁的材料及材质选取，可根据具体点火靶设计综合考虑，由理论研究和实验结果确定。本示例中，黑腔腔壁由两种材料制成，图中分别用黑色和灰色来表示。
在本发明的一个示例中，每个光斑区可包括1～10000个凹孔结构，例如可至少含几十个凹孔，每个凹孔的凹面朝向入射激光，以保证激光32能进入凹孔31。每个凹孔31的几何参数可与激光聚变点火靶具体设计有关，例如可根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数等确定。
在本发明的又一个示例中，每个光斑区可包括1～10000个凸起结构；每个凸起结构的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
在本发明的再一个示例中，每个光斑区包括可1～10000个凹孔结构和凸起结构；每个凹孔结构和每个凸起结构的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
此外，所述凹孔结构和/或凸起结构可进一步具有子结构。即：多个凹孔结构中的至少一个具有至少一个子凹孔结构和/或至少一个子凸起结构；所述多个凸起结构中的至少一个具有至少一个子凹孔结构和/或至少一个子凸起结构。其中，所述至少一个子凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述至少一个子凸起结构具有相同或不同的几何参数。
例如，图4示出了又一个示例中的凹孔结构及其子结构的示意图。如图4所示，图4最左侧的凹孔内进一步具有一个锥形凸起41，图4中间的凹孔内进一步具有6个子凹孔42，图4最右侧的凹孔内进一步具有一个凸台43。本示例中，黑腔腔壁由一种材料制成。
具体地，本实施例中光斑区的黑腔腔壁的高Z材料可以为下述材料之一或组合：密实固体材料，疏松固体材料，超材料。其中，密实固体材料指具有材料本体密度的固态材料，材料没有缺陷以外的其它微尺度结构性空洞。每种密实固体材料有固定的密度。疏松固体材料也称泡沫材料，指由密实固体材料为骨架构成的多孔材料。其平均密度显然低于密实固体材料，但没有密度下限的限定。超材料指由人工构筑结构的人造材料，能拥有自然界材料所没有的特质。其奇特性质源于其精密的几何结构以及尺寸大小。通常其微结构尺度小于与它作用的波的波长。密度没有明确限定。在激光聚变中，激光波长为微米量级。
本发明实施例中，在光斑区，采用具有凹孔结构和/或凸起结构的黑腔腔壁，因此：(1)可增加激光与腔壁接触面积，从而降低腔壁上的激光强度，进而降低因腔壁烧蚀等离子体带来的激光等离子体不稳定性；(2)破坏激光通道上激光、等离子体波及散射波三波匹配等离子体长度，以抑制激光等离子体不稳定性增长。
本申请发明人注意到，虽然在光斑区腔壁上采用凹孔结构和/或凸起结构会增加光斑区面积，但同时也会增加整个黑腔的面积和整个黑腔的体积。其中，黑腔体积的增加会使得黑腔中等离子体填充密度降低，有利于降低激光等离子体不稳定性。但黑腔腔壁面积的增加则需增加激光能量。不过，通过下面的应用示例，可以看到在光斑区腔壁上采用凹孔结构和/或凸起结构能使光斑区面积显著增加，同时所带来的黑腔面积及体积的增加可忽略不计。
例如，针对某一激光聚变点火靶设计，对其光斑区采用如图3所示的凹孔腔壁设计。这里为方便起见，取所有凹孔相同。腔壁上除孔之外部分均为密实固体的高Z材料。每个凹孔内表面积为孔底面积与孔内侧表面积之和：
由于一个凹孔带来的腔壁表面积增加为：
每个凹孔的体积，即由于一个凹孔带来的黑腔体积增加为：
考虑一个直径为Φ光斑的光斑区，该光斑区含有N个凹孔，因此凹孔结构设计使该光斑区面积增加比例为：
对于一个黑腔直径为Φ黑腔、激光注入孔直径为Φ注入孔、含有M个光斑的六孔球腔，若每个光斑区有N个凹孔，则由凹孔结构设计所导致的黑腔面积增加率为：
由凹孔和/或凸起设计所导致的黑腔体积的增加率为：
作为应用示例，这里考虑一种六孔球腔点火靶的腔壁设计。为了表述更加简单，这里采用圆锥形的凹孔，即上面得到的面积及体积表达式中的d＝0。这样，
六孔球腔及孔的具体参数取为：球腔直径Φ黑腔＝1厘米＝104微米、激光注入孔直径Φ注入孔＝2000微米、光斑直径Φ光斑＝1200微米、光斑数M＝48。我们仅考虑光斑区为凹孔结构设计的情况。我们以两种凹孔设计为例。第一种，对于一个光斑区取孔个数N＝500，孔深度h＝20微米，孔直径D＝36微米。由上面表达式计算可得：ξ光斑面积＝22％，ξ黑腔面积＝4％，ξ黑腔体积～3×10-4。第二种，对于一个光斑区取孔个数N＝1000，孔深度h＝20微米，孔直径D＝20微米。由计算得：ξ光斑面积＝34％，ξ黑腔面积＝6％，ξ黑腔体积～2×10-4。可见，凹孔设计可使光斑面积显著增加，但对整个黑腔面积的影响较小，对黑腔体积的影响则完全可忽略不计。当然，黑腔面积增加，则所需要的激光能量就得增加。不过，与激光等离子体不稳定性所致的动辄百分之好几十的激光能量损失相比，这里因黑腔面积增加所导致的少许激光能量增加是值得的。事实上，若激光等离子体不稳定性能得到抑制，就可适当减小黑腔尺寸，这样所需激光能量就可降低。
本发明实施例中还提出一种黑腔，其包括上述的激光聚变黑腔腔壁结构。其中，黑腔可以为：六孔球腔、柱腔、四孔球腔、六通腔、三轴柱腔、橄榄腔、花生腔、I型腔、锥台腔(Frustraum)或自由形腔。
上述仅列举了本发明中的几个实施例，其并不用以限制本发明。实际应用中，还可以根据本发明实施例中的描述，变换出其它的具体实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，预先将黑腔腔壁划分为光斑区和非光斑区；所述光斑区为腔壁上的激光打击区；所述腔壁结构包括：
设置在所述光斑区的用以增加所述光斑区面积的多个凹孔结构和/或多个凸起结构；
其中，所述多个凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述多个凸起结构具有相同或不同的几何参数。
2.根据权利要求1所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，所述多个凹孔结构中的至少一个具有至少一个子凹孔结构和/或至少一个子凸起结构；所述多个凸起结构中的至少一个具有至少一个子凹孔结构和/或至少一个子凸起结构；
其中，所述至少一个子凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述至少一个子凸起结构具有相同或不同的几何参数。
3.根据权利要求1或2所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，所述光斑区的腔壁高Z材料为下述材料之一或组合：密实固体材料、疏松固体材料、超材料。
4.根据权利要求1或2所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，每个光斑区包括1～10000个凹孔结构，凹孔结构的凹面朝向入射的激光；每个凹孔的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
5.根据权利要求1或2所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，每个光斑区包括1～10000个凸起结构；每个凸起结构的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
6.根据权利要求1或2所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，每个光斑区包括1～10000个凹孔结构和凸起结构；每个凹孔结构和每个凸起结构的几何参数根据黑腔结构、激光排布和驱动激光参数确定。
7.根据权利要求1或2所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，所述腔壁结构进一步包括：
设置在所述非光斑区的多个凹孔结构和/或多个凸起结构；
其中，所述多个凹孔结构具有相同或不同的几何参数；所述多个凸起结构具有相同或不同的几何参数。
8.根据权利要求1或2所述的激光聚变黑腔腔壁结构，其特征在于，所述黑腔为：六孔球腔、柱腔、四孔球腔、六通腔、三轴柱腔、橄榄腔、花生腔、I型腔、锥台腔或自由形腔。
9.一种黑腔，其特征在于，包括：如权利要求1至7中任一项所述的激光聚变黑腔腔壁结构。
10.根据权利要求9所述的黑腔，其特征在于，所述黑腔为：六孔球腔、柱腔、四孔球腔、六通腔、三轴柱腔、橄榄腔、花生腔、I型腔、锥台腔或自由形腔。
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