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标题: 能够实现惯性聚变的高能量氟化氪激光器 [打印本页]

作者: dameinv 时间: 2016-2-15 17:21
标题: 能够实现惯性聚变的高能量氟化氪激光器
自1970年代开始，激光聚变研究者们已经意识到，产生自准分子激光器的深紫外光在作为惯性约束聚变（ICF）的高性能稳定靶丸内爆的驱动源方面具有优势。这一研究的大部分集中在氟化氪激光器上。本文中我们回顾氟化氪激光器作为直接驱动ICF的优势，高能量氟化氪激光器的开发历史，目前的状态以及描述一条通向实现激光聚变及其能源应用的性能需求的开发之路。文中将包含对数千焦耳级的Nike氟化氪激光-靶装置以及在美国Naval研究实验室开发的700J Electra高重频氟化氪激光器的性能和结构的描述。Nike和Electra是用于惯性聚变研究及能源应用的最先进的氟化氪激光器。
　　1、简介
　　目前，Naval研究实验室的Nike激光器是最有能力用于激光-靶相互作用的氟化氪激光装置。其可向平面靶提供最大达3kJ的深紫外光，以进行对加速到高速的烧蚀靶的流体力学研究，以及进行高强度氟化氪激光与等离子体相互作用的基础研究。Nike具有更深的紫外光并在所有高能量激光聚变装置中可进行最均匀的靶照明。Electra氟化氪装置是一种高重频系统，并可以一秒内5次的频率产生700J的脉冲。其被建造来推进惯性聚变能所需的氟化氪科技。在最后一部分我们会讨论作为高性能激光聚变内爆研究装置驱动应用的氟化氪所需的开发与发展，以及IFE所需的更高的性能要求。

图1 惯性聚变概念是指（1）一个小球外壳发生内爆，达到很高的速度，（2）氘氚燃料的中心部分加热至点火，然后（3）聚变燃烧从点火部分向外传播至周围高度压缩（≥1000倍固体）的氘氚燃料处。
　　2、用激光器进行惯性聚变
　　图1所示是中心点火约束聚变的标准配置。小球的外壳被驱动光束加热到等离子体温度，其导致的烧蚀压驱使外壳向内运动达到300km/s或更高的速度。在获取能量增益的最优配置下，氘氚燃料在环绕着加热至点火的核心的一层薄层内被压缩到高密度（这里的增益定义为聚变输出能量与输入驱动能量之比）。聚变燃烧从核心向外传播至环绕的燃料层。这一配置方法大幅提升了增益，因为压缩燃料所需的能量比达到点火温度所需的少得多。
3、用于ICF的氟化氪激光器的发展
　　ICF的靶丸要求在几个纳秒的时间范围内向一个靶球输送兆焦量级的能量。没有任何一台激光器能在单路光束中传输如此巨大的能量。比如NIF用192路激光来在靶上生成1.8MJ的能量。NIF的192个大口径放大器和倍频转换系统在到靶处产生每束最大10kJ的能量。用于ICF的兆焦级氟化氪系统将需要数千焦耳量级的功率放大器，可能大于10kJ，来使氟化氪光路的数目保持在合理范围内。放电泵浦的氟化氪激光器能以很高的重复频率传输几个焦耳的能量，但其最大口径和脉冲宽度的限制，妨碍了其传输非常高能量的能力。唯一实现数千焦耳能量的技术是电子束泵浦氟化氪激光器。图2所示是其典型的配置。
　　组件包括：一个高电流高电压脉冲电源来为大面积阴极提供负电势；一个产生电子束的阴极；一片薄压片将电子束真空二极管与激光器气体分隔开；压片的支撑结构；每一端带紫外等级窗口的激光腔；气体循环器用以冷却高频率工作下的气体。

Nike是一个56路光束的氟化氪激光装置，被用来发掘用于惯性聚变的氟化氪激光器的理想特性。其已被用于执行激光-靶实验，并作为高能量氟化氪激光器开发的测试平台20年了。最近的激光-靶相互作用实验的样本由参考文献38-41给出。本章节中，我们会描述Nike系统及其工作参数。光学系统图示见图3，解释了上文中的光束多路技术观点，加上可实现ISI及时间脉冲整形的前端。ISI是Nike最为突出的特点之一，因为在所有高能量紫外激光器中其可提供最为均匀的靶照明。

图3 Nike光学系统的图示。由角度多路复用的光束被扩束至充满两个电子束放大器的全口径，并从每个放大器后的凹面镜反射回来（双程放大），从而压缩了到达下游光学件的光束尺寸。
　5、Electra重复脉冲氟化氪激光器
　　重复脉冲的电子束泵浦氟化氪激光器是IFE激光驱动器的领先候选者之一。Electra激光器具有与Nike相同的基本电子束泵浦结构，其用作可满足聚变能源关于重复频率，效率与耐用性要求的激光器组件与技术的开发平台。可用于聚变能源的氟化氪激光器应以一秒五次的重复频率工作；其应具有6%—7%的激光能量转换效率；且在要求的主要维护进行之前应可持续工作达两年时间，亦即主要组件的寿命为3×108脉冲数/发次数。本章节报道了激光器组件方面的进展，并讨论重频工作期间的激光器性能以及氟化氪激光物理学。
　　Electra氟化氪主放大器的主要组件见图4。其中包括一台为并联设置的去离子水PFL充电的脉冲电源；两台由四倍频Nd：YAG激光器触发的SF6火花隙开关；一个包含产生电子束的阴极的电子束二极管；一片25微米厚的不锈钢箔片以及称为铁板的箔片支撑结构；一台由石英玻璃密封的气体激光腔；以及一台激光气体循环器。

图4 一台电子束泵浦氟化氪激光放大器的主要组件。激光腔每一侧的两台脉冲电源系统将两束500kV，100kA，100cm×30cm的电子束发射进气体激光腔内。一台循环器用于高重频工作下的气体冷却。

图5 Electra的脉冲电源及电子束二极管示意图
　　6、用于ICF及IFE的氟化氪激光器开发
　　氟化氪激光器作为ICF与IFE的驱动源看起来是有保障的。氟化氪光源的使用预计可增加直接驱动靶的增益，并降低来自流体动力学与激光等离子体不稳定性的风险。目前的研究也表明氟化氪激光器可提供能源应用所需的转换效率与高重复频率。

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