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1、第11卷 第4期强激光与粒子束Vol.11,No.41999年8月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSAug.,1999文章编号:1001—4322(1999)04—0461—04X腔内填充低Z物质对腔内壁运动的影响张 钧(北京应用物理与计算数学研究所,北京8009信箱,100088)) 摘 要:为创造腔内均匀、干净的辐射场,用解析方法研究了腔内填充低Z介质的方法防止腔壁重元素喷射到腔内的设计思想。简化模型给出的物理图象清楚显示,该方法是一种好的设计思想。给出了在腔内填充0.1、1和10个大气压的氦气和各种温度状态下,腔
2、壁内界面的运动速度。 关键词:激光腔靶设计; 激光腔靶物理; 腔靶辐射场 中图分类号:TL63211文献标识码:A 在腔靶设计中,希望创造干净,均匀的辐射场,使放置在中心的聚变靶丸能实现均匀的球形内爆。可是在腔靶实验中采用的激光束总是有限数目的,因而当激光直接打到腔靶内壁的某一些位置后,激光产生的X光在腔靶内壁表面的分布是很不均匀的。希望通过输运过程,让靶丸周围的辐射场变得十分均匀。为达到此目标,在腔靶设计中需要做很多非常细致的工作。 影响辐射场均匀性的因素很多,如激光烧蚀产生的等离子体向腔内膨胀,这部分等离子体具有低密度高速度,尽管密度
3、很低,但都是高Z介质。因此对通过它的激光有较强的吸收能力,使到达临界面附近的激光能量减少;辐射烧蚀产生的等离子体也向腔内膨胀,这部分等离子体具有较高的密度和较低的速度。这些等离子体一方面可能影响靶丸周围辐射场的均匀性,另一方面可能影响激光进入腔内的光路。还有激光产生的X光由于从激光入射孔的漏失,造成腔内X光强度空间分布的不均匀性。因此需要调整激光入射的角度、在腔靶内壁表面着陆的位置以及激光束的整体布局等。像美国利弗莫尔实验室设计的点火靶,为了阻止烧蚀产生的[1]等离子体向腔内喷射,在腔体内填充不同气压的惰性气体。这种设计一方面改善了靶丸周围的环境
4、,另一方面也避免了膨胀的等离子体影响激光的光路。腔内填充物质对腔壁运动的影响是一个很复杂的物理问题,细致描述需要采用复杂的辐射流体力学和激光传播方程的数值模拟研究。我们采用一种简化物理模型,用解析的方法研究在填充气体氦的情况下腔壁内表面的运动特性,但对填充其它气体的情况同样是适用的。1 物理模型 假定流体是一维平面几何;激光或辐射烧蚀形成的等离子体与腔内填充物质处于等温状7态。腔壁由金材料构成,腔内填充物是氦气、塑料(CH)、或氢化锂(LiH)等低Z元素构成的单质物质或化合物。 在等温烧蚀的情况下,轻重流体的交界面犹如活塞似的,重流体推动轻流
5、体向轻流体一侧运动。从该接触间断面作间断分解可知,在轻介质中将产生一个冲击波,而在重介质中将进入一个稀疏波,在时空图上可画出所产生的波系图(见图1)。接触间断面F右侧是重介质,左侧X国家863惯性约束聚变领域资助课题1999年2月23日收到原稿,1999年5月20日收到修改稿。张 钧,男,1936年2月出生,研究员©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.462强激光与粒子束第11卷是轻介质,S表示在轻介质中传播的冲击波轨迹,在R1和R2之间的区域是在重介质中传播
6、的稀疏波区,R1和R2分别表示稀疏波的波头和波尾的轨迹。整个流场可分为五个区域描述。I区是冲击波前轻介质的未扰动区,II区是冲击波后的区域,III区是常流区,IV区是稀疏波区,V区是重介质的未扰动区。I区是未扰动介质,速度u=0,密度是填-5充物质氦的初始密度Q0=1.7×10、1.7×-4-3310、1.7×10göcm,分别对应于充气压力为Fig.1Thewavesproducedbyisothermal0.01、0.1和1MPa,压力为pL0。如果冲击波速expansiononthecontactsurface度用D表示,通过等温冲击波关系
7、可给出II区图1 在接触间断面上等温膨胀产生的波系图冲击波后的压力和速度22p=pL0DöcTL(1)2u=D-cTLöD(2)2--其中,cTL=RTöL是轻介质中的等温声速的平方,L=Lö(Z+N)是平均摩尔量,Z是每个分子(或原子)的自由电子数,N是其离子数。III区是常流区,在接触间断面F两侧,密度间断,但要求压力连续、速度连续,所以这里的状态由冲击波后的状态与连续条件确定。IV区是稀疏波区,这里的状态由流体力学方程确定。由质量和动量守恒方程的组合可得到沿特征方向dx=u±cT(3)dt的特征方程55+(u±cT)(u±cTlnQ)=0(
8、4)5t5x沿特征方向(3)积分特征方程(4)得到特征关系Au±cTlnQ=const(5)B沿u+c方向的特征线簇称为A特征线,另一簇
