真空靶室组件的结构稳定性对惯性约束聚变(ICF)装置的束靶耦合精度有重要影响, 本文对真空靶室组件的结构稳定性进行优化设计。首先研究真空靶室组件的动态特性, 求解其固有频率和振型; 其次, 分析支墩不同结构参数对真空靶室组件前三阶固有频率的影响, 并由此建立结构参数影响固有频率的数学模型; 最后, 进行真空靶室组件的结构稳定性设计优化, 求解真空靶室组件的最优结构。结果表明, 优化后真空靶室组件的一阶固有频率为14.44 Hz, 满足ICF装置的设计要求。

从机械结构角度对机械夹持状态下吸收了高能激光束能量的磷酸二氢钾(KDP)晶体内部产生热应力的问题进行了研究。理论分析了KDP晶体吸收激光能量引起的温升,研究了机械夹持状态下KDP晶体内部热应力的生成机理。 采用有限元方法对KDP晶体的温度分布和热应力分布进行了仿真计算,分析了夹持装置结构参数、预紧力、摩擦系数和弹性模量对热应力的影响。结果表明,夹持装置对KDP晶体的机械夹持作用是KDP晶体内部产生热应力的重要因素,热应力的大小与夹持装置的结构参数有关。

激光驱动ICF装置的甚多束激光在打靶过程中需要高精度定位于靶面, 这就要求可以改变光束着靶点位置的光学元件满足定位误差指标要求。首先介绍光束定位误差分解方法, 在光束对准过程中和打靶前, 在多源激励作用下能改变光束着靶点位置的光学元件需要评估其支撑系统的稳定性设计, 发展了光学元件稳定性指标分解方法用于其支撑系统的稳定性评估。从基频、环境随机振动、模态阻尼的角度讨论了支撑系统振动稳定性设计思路。光学元件的通用支撑系统采用大而重的钢筋混凝土和钢结构的混合结构, 钢筋混凝土保证光学元件稳定性的同时, 钢结构提供结构设计的灵活性。采用有限元技术分析光学元件在宽频环境随机振动作用下的响应, 评估支撑系统的振动稳定性设计。描述了神光III宽频环境随机振动和光束定位误差的测量, 测量结果表明神光III支撑系统满足设计要求, 该技术能应用于激光驱动ICF装置支撑系统的设计。

为了确定一个KDP晶体支撑系统的合理工作姿态, 研究了工作姿态对支撑系统变形、KDP晶体偏转和激光束入射角的影响。首先, 提出了关键刚度分量的概念, 并采用这一概念对不同工作姿态时支撑系统在重力作用下的变形进行了理论分析。其次, 采用有限元方法计算了重力作用下支撑系统的变形, 以及由此引起KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化。最后, 对不同工作姿态时支撑系统的变形、KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化进行比较, 并分析了关键刚度分量的影响。数值计算结果表明, 受关键刚度分量的影响, 不同工作姿态下支撑系统的变形、引起KDP晶体的偏转和激光束入射角的变化不同。支撑系统为最优工作姿态时, 激光束入射角的变化达到最小值76 μrad。这一结果满足KDP晶体支撑系工作姿态确定的相关要求。

系统介绍了神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统的结构设计,光传输系统的关键性能包括稳定性、精确性及洁净性,为保证苛刻的稳定性要求,提高结构动力学稳定性的同时提出一种新的稳定性分析方法；通过设计在线可更换单元、运动学支承结构和采用低应力夹持技术实现在线精密调节和快速安装定位；同时在设计、制造和安装过程中建立洁净理念。目前安装完成的束组的测试结果表明,主机装置靶场光传输系统的结构设计满足装置设计要求。

为了增加ICF激光驱动器的灵活性，使其可满足多种聚变点火方式，激光驱动器激光打靶角度的优化设计应以间接驱动为主，同时兼顾直接驱动。以神光Ⅲ主机装置为例，基于已有的间接驱动激光打靶角度设计，用球谐模和三维辐照场方法，完成了兼顾直接驱动打靶角度的优化，结果表明优化设计的打靶角度可实现小于1%的球靶表面辐照均匀性。同时分析了激光参数对辐照性能的影响，并获得了满足直接驱动要求的陡边小焦斑设计。

从工程角度系统分析了大型激光驱动惯性约束聚变装置(ICF)—美国的国家点火装置(NIF)和法国在建的兆焦耳激光装置(LMJ)的总体布局和总体结构设计的特点。NIF采用“U”型总体布局, 可以提供优化的激光实验设备布局并允许未来增加第二靶室。LMJ采用“In-line”型总体布局, 可以减小激光实验区输出光束至终端光学系统之间的光程, 并为未来增加第二靶室提供了可能。文中指出, ICF装置的总体布局应满足物理实验以及稳定运行、集成和维护的要求。在此前提下, 还应设计进一步发展所需要的接口。ICF装置总体结构设计中, 光学元器件封装在光机组件内; 在线可更换单元采用运动学支承定位。总体结构设计在结构布局和构型上应与总体光路设计相匹配, 设计时需考虑功能性、稳定性和洁净度, 满足光学元件, 物理设备和光学诊断设备的安装定位、集成调试、运行维护的要求。

大型惯性约束聚变(ICF)装置靶场将从主放大系统输出的平行激光阵列转换为靶室附近的球形阵列，并以特定的角度进入终端光学系统。靶场传输光路排布作为靶场光传输系统总体结构设计的依据，在满足物理和光学等要求的基础上，还应重点考虑工程建设成本和系统维护性能。随着ICF装置规模的增大，打靶激光光束数量增加，靶场传输光路排布难度增加。结合目前国内外大型ICF装置，分析了靶场传输光路排布的特点，讨论了传输光路排布与光传输系统布局、光机结构设计和系统维护性能的关系，为我国更多束激光打靶的ICF装置的靶场传输光路排布提出建议。

针对神光Ⅲ主机装置真空靶室系统横向刚度较弱、必须进行现场精密加工和安装等研制中的技术难题, 对真空靶室组件的结构和整体加工工艺进行了设计。结合靶场总体稳定性设计思路, 设计了垂直支撑结构和能提供摩擦阻尼耗能的横向支撑结构, 并对壁厚进行了优化设计。通过使用开孔器、六维调节结构和激光跟踪仪, 设计修配调整垫等, 解决了现场精密加工问题, 实现了靶室与靶场基准体系的精密对接。计算结果表明, 48束打靶透镜平均平动位移均方根值为2.8 μm。建成后, 靶室中心高度偏差为±0.12 mm, 水平偏差达到±0.18 mm, 各重要联接法兰对心偏差达到0.35～0.40 mm。

兆焦耳级高功率激光驱动器是实现激光惯性约束聚变点火的必备手段，光机结构是兆焦耳激光装置的重要组成部分。对美国国家点火装置(NIF)和法国兆焦耳激光装置(LMJ)的总体结构进行了概述和分析，对神光-Ⅲ激光装置的结构特点进行了介绍，并对重要光机模块的结构特点及安装使用情况进行了分析，对总体集成技术和A6的安装集成情况进行了总结。