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中国科学技术大学
博士学位论文
大尺度激光等离子体相互作用
姓名:李志超
申请学位级别:博士
专业:等离子体物理
指导教师:郑坚;丁永坤
2011-01-10
摘  要 
摘要
在间接驱动激光聚变实验中,由于腔内需要充一定压强的气体阻止高 Z 等
离子体过早聚心,因此激光将与数毫米的大尺度等离子体发生相互作用(大尺度
LPI),这一过程是激光聚变研究中的关键环节,其对激光腔靶耦合效率和靶丸内
爆均存在重要影响。一方面,激光等离子体的非线性相互作用如受激拉曼(SRS)
和受激布里渊(SBS)散射会散射入射激光,降低激光与腔靶的耦合效率;另一
方面,SRS 产生的超热电子具有很强的穿透能力,会预热靶丸燃料,降低聚变增
益;此外,SRS 和 SBS 的散射光将会改变预定的辐射场分布,影响内爆对称性。
基于上述种种不利因素,如何抑制大尺度 LPI 中的参量不稳定性过程一直以来都
是激光聚变研究的重点。然而,大尺度 LPI 的物理过程错综复杂且相互关联,对
激光状态及各种等离子体参数都非常敏感,这使得大尺度 LPI 的研究具有很大难
度,被列为激光聚变点火中最不确定的两个关键因素之一。
大尺度 LPI 的研究需要针对其特点,开展等离子体参数及相互作用物理过程
两方面的精密诊断,为程序校核提供重要依据。实验研究上,需要利用特殊靶型
产生接近点火条件的大尺度等离子体环境,并采用各种精密诊断技术表征其温
度,密度等各种状态参数的时空信息,建立相互作用研究的平台;需要发展各种
相互作用物理过程的精密诊断设备,给出各种实验条件下的参量不稳定性过程的
高精度表征,如散射光份额,超热电子份额和穿透束份额等,从而进行其物理过
程的细致分析。本论文中,作者在 SG-II 激光装置上利用气袋靶成功建立并表征
了激光大尺度等离子体 LPI 的研究平台,开展了大尺度 LPI 的相关物理研究,并
为即将开展的充气腔靶实验综合效果的考核自行设计研发了一种新型平响应
XRD。
本论文的主要工作有:
一自行研制了一套针对 SG-II 装置第九路激光的全口径背反系统,为大尺
度 LPI 实验提供诊断基础。该背反系统能够进行全口径散射光背反能量份额诊
断,当前诊断精度为 SRS 60%,SBS 70%;能够进行散射光时间波形的诊断,时
间分辨约在 100ps;能够进行散射光条纹谱测量,测谱宽度可达 500nm,可将 SRS
和 SBS 在一幅条纹图样中表征出来,为 SRS 和 SBS 的关联比对提供直接证据。
二提出和发展了背反系统的精密化标定和诊断的技术路线。根据大尺度
LPI 高精度诊断的需求,提出了一种针对全口径背反系统和近背反系统的脉冲扫
描标定方案,并在 XG-III 装置上对技术路线进行了实验验证。同时,在 SG-II
装置第九路背反系统上发展了背反能量份额的细致分辨测量技术。这两部分工作
对提高背反系统诊断精度有重要指导意义。
三在 SG-II 装置上利用气袋靶,成功建立并表征了激光大尺度等离子体 LPI
I
摘  要 
研究平台。利用 X 光针孔相机和分幅相机获得了 Xe 和 CH 两种大尺度等离子体
的热化图样,由此推断产生的激光等离子体尺度约为 1mm。利用热相干 Thomson
散射技术获得了时间分辨的等离子体电子温度,等离子体流速和离子温度的相关
信息。利用 SRS 条纹谱获得了时间分辨的电子密度信息。通过上述具有时间分
辨的诊断手段,推断大尺度等离子体存在的时间窗口约为 600-1100ps。
四利用气袋靶大尺度平台,在 SG-II 装置上开展了大尺度 LPI 的相关物理
研究,获得了相互作用束背反 SRS 条纹谱及背反能量份额的相关信息。通过线
性理论程序,较好的模拟再现了实验 SRS 条纹谱结果,证实了实验 Thomson 散
射和 SRS 条纹谱诊断的等离子体状态参数的可靠性;同时通过实验和模拟分裂
谱再现,对 SRS 发生区域的局域性有了进一步的认识。实验获得的时间积分背
反份额整体较低;通过一维线性理论简化模型及已有的 NIF 装置实验结果,分
析认为 SG-II 装置上 1mm 等离子体尺度可能是份额偏低的主要原因。
五在 SG-II 装置上开展了各种类型腔靶的 LPI 实验研究。通过 SG-II 装置 8
套全孔径背反系统的大量发次统计,发现 SG-II 装置的腔靶总体背反份额处在较
低水平。通过比对,发现采用腔内衬 CH 的方式确实能够有效抑制 Au 等离子体
的喷射,改善辐射场的干净性;但同时会对