1 中国航空制造技术研究院先进表面工程技术航空科技重点实验室，北京 100024
2 中国航空制造技术研究院材料应用研究部，北京 100024
激光冲击强化是一种先进的材料表面抗疲劳制造技术，本文采用正交试验方法研究了激光冲击2050铝锂合金表面残余应力分布规律，获得了优化的激光冲击参数，并在此参数下验证了疲劳寿命增益。研究结果表明：激光冲击强化诱导的残余应力与试样的几何特性相关性较强，而激光冲击参数本身搭接率对残余应力的影响大于激光能量、大于冲击次数，最佳工艺参数为激光功率密度5.30 GW·cm-2、搭接率50%、2次冲击。采用此参数冲击后260 MPa和200 MPa应力水平下疲劳寿命分别提高了22%和63%。
激光技术 激光冲击强化 2050铝锂合金 残余应力 疲劳特性 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114002
1 北京应用物理与计算数学研究所，北京 100094
2 北京大学 应用物理与技术研究中心 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室工学院，北京 100871
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900
4 中国工程物理研究院 上海激光等离子体研究所，上海 201800
5 中国矿业大学（北京），北京 100083
6 中国海洋大学 数学科学学院，山东 青岛 266100
7 安徽大学 物理与材料科学学院，合肥 230039
激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题，因而受到国际社会的普遍重视，一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制，对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科，同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题，高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外，流体力学不稳定性及其引起的湍流混合，还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程，涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展，梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性，在大量分解和综合物理研究基础上，凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来，总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后，展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制，以及聚变靶物理研究与设计，注重理论探索和实验研究相结合，近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果，有力地推动了该研究方向在国内的发展。
激光聚变 惯性约束聚变 流体力学不稳定性 高能量密度物理 非线性流动 辐射流体力学 内爆物理 laser fusion inertial confinement fusion hydrodynamic instability high-energy-density physics nonlinear flow radiation hydrodynamics implosion physics 强激光与粒子束
2021, 33(1): 012001
强激光与粒子束
2020, 32(4): 042001
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
在神光Ⅱ升级装置上完成了国际上首次间接驱动快点火集成实验。实验采用双台阶脉冲整形激光注入黑腔产生X射线准等熵压缩锥壳靶,实现了高密度压缩,然后采用皮秒超短脉冲激光注入加热燃料。实验中观测到中子产额由皮秒激光注入前的5×103增加到2.2×105,中子产额增益达到44倍,实验证实了皮秒激光具有明显燃料加热效果。该实验为进一步开展快点火热斑形成效率和相关物理研究奠定了基础。
激光聚变 快点火 集成实验 中子产额 laser fusion fast ignition integrated experiment neutron yield 强激光与粒子束
2015, 27(11): 110101
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 等离子体物理重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 10088
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
与中心点火相比, 快点火将压缩和点火过程分开, 大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究, 利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程, 并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据, 当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30 g/cm3和50 mg/cm2; 为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题, 提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法, 实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性, 该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。
快点火 间接驱动 激光聚变 锥壳靶 燃料混合 fast ignition indirect drive laser fusion cone-in-shell target material mixing 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032017
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
3 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验, 获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像, 特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像, 观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程, 二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库, 对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。
惯性约束聚变 激光间接驱动 内爆 RT不稳定性 辐射驱动 inertial confinement fusion laser indirect-driven implosion Rayleigh-Taylor instability radiation-driven 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032016
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 同济大学 先进微结构材料教育部重点实验室, 上海 200092
3 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
4 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中, 获得具有极高空间分辨率(优于5 μm)的X射线辐射图像, 是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备, 目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究, 在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展, 研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中, 为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。
Kirkpatrick-Baez显微镜 高空间分辨 等离子体诊断 惯性约束聚变 Kirkpatrick-Baez microscope high spatial resolution plasma diagnosis inertial-confinement-fusion 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032013
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
2 北京大学 应用物理与技术中心, 北京 100871
针对相对论快电子束在高密度压缩芯区等离子体中的能量沉积过程开展物理建模、程序研制和数值模拟研究。从等离子体粒子碰撞的基本物理出发, 综合考虑了高能电子与背景等离子体之间的短程两体碰撞过程和长程集体效应, 建立了相对论Fokker-Planck动理学模型, 通过采用球谐展开的方法, 推导得到了适于数值求解的方程形式并根据方程特点开展相应的数值算法研究及程序研制并完成了物理考核, 对快点火能量沉积的典型物理算例进行了模拟研究, 并针对即将在神光Ⅱ升级装置上开展的快点火物理实验进行了初步的物理分析。
快点火 相对论电子束 能量沉积 动理学 fast ignition relativistic electron beam energy deposition kinetic model 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032010
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 北京大学 应用物理与技术研究中心, 高能量密度物理数值模拟教育部重点实验室, 北京 100871
4 中国工程物理研究院, 四川 绵阳 621900
在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流, 且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。 实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT 明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。 通过提高空间分辨率, 实验获得了二次和三次谐波的增长数据, 模拟结果与实验结果相符合。 神光Ⅱ 激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。
惯性约束聚变 流体力学不稳定性 瑞利-泰勒不稳定性 inertial confinement fusion hydrodynamic instabilities Rayleigh-Taylor instability 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032009
使用LARED-S程序,参照NIF直接驱动DT点火靶,模拟研究了激光非均匀性对高收缩比球内爆内界面变形的影响.2维数值模拟计算表明:直接驱动高收缩比内爆对驱动激光非均匀性非常敏感,内界面流体不稳定性的发展严重破坏靶丸的对称压缩,使中心热斑的体积显著减小.以最大压缩时扰动增长幅度不超过热斑半径的1/3为限,模拟给出不同模数的低阶扰动模(模数小于等于12)对驱动激光均匀性的要求在2.5%～0.25%之间,其中模数在8～10之间的扰动模对激光功率均匀性的要求最严格,约为0.25%.
惯性约束聚变 流体不稳定性 收缩比 非均匀性 数值模拟
