高时间分辨辐射流诊断技术分析

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1、万方数据高时间分辨辐射能流诊断技术研究1．1研究背景第一章绪论能源是社会发展重要基石，一方面现代生活每时每刻都需要大量的能源，另一方面在世界能源紧缺的大背景下能源问题的解决具有重要的战略意义。目前，人类社会能源的主要来源为化石燃料和核裂变。化石燃料和核裂变能源有两个问题：其一，化石燃料和可裂变材料有限；其_二，可能造成环境污染。按照现有的能源消耗速度，己探明的化石燃料储量仅够几十年使用，而核裂变发电站也仅可用几百年。众所周知，化石燃料燃烧会产生大量的有毒有害气体和燃烧残骸，而裂变电站则会产生大量铀、钚和锕系元素等大量放射性废物，如何防止这

2、些有害物质进入自然环境以降低危害是裂变电站发展急需解决的问题。核能的释放有两种方式：重核裂变和轻核聚变。相比于裂变电站现有的问题，聚变能有如下优势：第1，核聚变材料储量丰富，一升海水所含的氘元素通过聚变反应可放出的能量约等于三百升汽油可放出的能量：第二，清洁无污染，核聚变的反应产物为氦，对环境没有任何污染；第三，固有安全性，核聚变反应条件苛刻一旦发生意外会自行停止非常安全。为了得到这种“最终能源解决方案”，可控核聚变研究变成了当代重要的科学前沿之一。【1]1．1．1核聚变概述两个轻原子核融合成一个较重的原子核并释放一个核子或轻核的过程为核

3、聚变。两原子核之间的相互作用由库仑力和核力决定，库仑力为长程排斥力，核力为短程强相互吸引力。当两原子具有的相互运动动能可克服其库仑势时，便可能发生聚变反应。目前，原子获得相对运动动能的方法主要有两种：其一，利用5't-；On电场不断加速原子核，使其获得较高动能，两原子核相碰时便以一定的概率发生核聚变，粒子加速器产生的核聚变反应即是采用该方法；其二，在一段时间内将要参加核聚变的原子核加热到一定温度并约束在一定体积中，即热核聚变，太阳、氢弹中发生的核聚变都是热核聚变。万方数据高时间分辨辐射能流诊断技术研究热核聚变中约束高温稠密等离子的方法主要

4、有三种：重力约束、磁约束(MCF)和惯性约束(ICF)。太阳和恒星中发生的热核聚变均是重力约束，氢弹的爆炸通常采用惯性约束，托卡马克装置则是采用磁约束。实验室中研究热核聚变装置的主要有Z-Pinch、托卡马克、激光驱动核聚变等。其中，采用惯性约束的方式实现热核聚变的激光驱动核聚变(LF)是较有希望的一种。激光驱动核聚变主要有两种驱动方式：直接驱动和间接驱动。两种驱动方式在技术实现上各有优缺点，原则上均可实现热核聚变，表1．1在激光器要求、耦合效率等方面对两种驱动方式进行比对。表1．1两种驱动方式比对驱动方式激光器要求耦合效率L-P不稳定性

5、流体不稳定性直接驱动很高较高10％--'15％较少敏感很敏感间接驱动高低5％～10％敏感较敏感LF研究初期多采用直接驱动，而目前多采用间接驱动。如SG-III原型、NIF激光装置等均采用间接驱动。图1．1给出了间接驱动的主要物理过程：1．激光一一x射线转换，激光辐照黑腔内壁产生等离子体并与其相互作用进而转化为X射线；2．X射线辐照靶丸，在靶丸表面形成高温等离子层；3．内爆压缩，烧蚀形成的高温等离子体向外喷发形成聚心冲击波，压缩聚变燃料使其达到高温高密度状态；4．聚变点火，经过压缩的热核燃料形成中心热斑，达到热核聚变条件实现点火；5．聚变燃

6、烧，点火热斑发生聚变反应产生大量高能仅粒子和中子，这些高能Ⅸ粒子和中子形成热核燃烧阵面向外传播点燃外围燃料，实现聚变自持燃烧。图1．1间接驱动激光聚变物理过程简图万方数据高时间分辨辐射能流诊断技术研究LF实验是涉及到理论、材料、探测等众多学科的重大科学工程，一般将其分为五大部分分别开展研究：理沦、激光、制靶、实验、诊断。此五部分相互关联、相互促进，只有协同共进才可最终实现核聚变点火这一最终目标。[1-3]1．1．2激光驱动核聚变诊断技术诊断的主要任务是利用诊断设备对LF实验各物理过程进行观测，得到ICF实验的物理信息，以验证实验设计并为实

7、验优化和理论模拟提供可参考的实验数据。ICF实验所涉及的物理过程、物理对象极其复杂，根据诊断对象不同可将诊断技术做如下分类：●激光脉冲诊断，以驱动源一一激光脉冲为诊断对象；●非均匀性成像诊断，以靶丸为主要诊断对象；·核反应诊断，以中子等核反应产物为诊断对象；·等离子诊断，以LF实验中产生的等离子体为诊断对象，根据所诊断等离子体产物不同又可细分为以下三类：_粒子诊断，以等离子体发射的中子、仅粒子为诊断对象；一光学诊断，以主动入射的探针光和激光靶耦合过程中产生的各种散射为诊断对象；_x射线谱学诊断，以等离子体所发射x射线的时间、空间、谱和强度

8、信息为诊断对象。LF诊断技术又可以分为“被动式”和“主动式”两大类。“被动式”是指对LF实验产物被动接收的诊断技术，如x射线成像、中子诊断等等；“主动式”是指向诊断对象(如靶丸)发射探针束，探