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
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
在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400 J/1 ns激光注入1100 μm×1850 μm的黑腔内产生210 eV的高温辐射场,均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆.实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆.通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数.结合一维数值模拟表明,实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%;同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明,该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心,其内爆性能受到高维因素影响极低,从而实现了准一维内爆.
惯性约束聚变 小收缩比 内爆对称性 流体力学不稳定性 inertial confinement fusion low compression ratio implosion symmetry RT instability 强激光与粒子束
2015, 27(8): 082007
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆, 在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能, 同时压缩燃料, 达到点火条件, 实现聚变点火。根据目前认识, 影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法, 获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律, 建立相应的实验调控能力, 最终达到不断提升内爆性能的目的。为此, 在内爆对称性方面, 开展了Bi球自发光实验, 用于研究点火脉冲前2 ns驱动不对称性; 在内爆速度方面, 开展了球面弯晶单能流线实验, 测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化; 在混合方面, 开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验, 测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能, 在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验, 获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。
惯性约束聚变 内爆 内爆对称性 流体力学不稳定性 inertial confinement fusion implosion implosion symmetry hydrodynamic instability 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032015
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
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100094
双壳层靶中, 由于燃料被高Z壳层包裹, 其点火方式要求燃料整体点火, 不同于单壳层中心热斑点火。结合点火条件和对于其中物理过程的认识, 设计了间接驱动的冷冻双壳层点火靶。利用冷冻的氘氚(DT)燃料, 可适当提高双壳层靶的燃料装量, 获得和NIF装置条件下中心热斑点火靶相当的放能。间接驱动下, X射线烧蚀并驱动外壳层碰撞内壳层, 把能量传递给内壳层, 进而压缩和点燃冷冻的DT燃料。壳层碰撞过程是能量传递的关键, 通过调整内外壳层的质量比, 提高了碰撞效率, 相应地降低了靶丸点火的能量需求。一维数值模拟分析了该点火靶的内爆过程及定性分析了其中的流体力学不稳定性。同时, 也指出了泡沫中形成的辐射冲击波对内壳层的预热效应, 即辐射冲击波的致稳效应, 能够很好地抑制内壳层外界面处的不稳定性发展, 进而会减弱高Z内壳层和燃料的混合。
体点火 壳层碰撞 流体力学不稳定性 辐射冲击波 volume ignition shell collision hydrodynamic instabilities radiative shock 强激光与粒子束
2015, 27(3): 032006
1 赣南师范学院物理与电子信息学院, 江西 赣州 341000
2 同济大学 上海市特殊人工微结构材料与技术重点实验室, 上海 200092
在惯性约束聚变(ICF)实验中, 点火靶丸表面(界面)的粗糙度和缺陷所产生的流体力学不稳定性是决定点火成功与否的关键因素之一, 设计和研制流体力学不稳定性分解实验用靶是解决该问题的主要技术手段。结合国内外的研究现状和神光-Ⅱ激光装置的特点, 设计并研制了一种新型柱状激波管。该靶型由三种介质组成, 分别为调制聚苯乙烯(CH)圆片、柱状碳气凝胶(CRF)和CH微套管。调制CH圆片和柱状CRF通过微加工技术装配到CH微套管内, 封装后形成柱状激波管。介绍了该靶型的设计原理和详细的制备工艺, 并对相应的靶参数进行了测量。结果表明: 柱状CRF气凝胶具有较好的成型性, 长度、直径和密度分别为1000 μm、730 μm和250 mg·cm-3; CH圆片的厚度和直径分别为15 μm和730 μm, 表面调制图形的周期和峰谷差分别为100 μm和4.3 μm; 实验得到的柱状激波管的轴向和径向最大装配误差分别为2 μm和3 μm。
惯性约束聚变 流体力学不稳定性 柱状激波管 柱状碳气凝胶 旋涂工艺 微加工 inertial confinement fusion hydrodynamic instability cylindrical shock wave tube cylindrical carbon aerogel spin-coating process micro-machining 强激光与粒子束
2014, 26(2): 022004
1 赣南师范学院 物理与电子信息学院, 江西 赣州 341000
2 同济大学 上海市特殊微结构材料与技术重点实验室, 上海 200092
为了研究惯性约束聚变(ICF)实验用靶丸不同密度界面的流体力学不稳定性增长，设计并制备了聚苯乙烯(CH)/碳气凝胶(CRF),CRF /硅气凝胶(SiO2)和CH/Al三种双介质调制靶。采用溶胶-凝胶工艺制备了密度分别为250和800 mg/cm3的CRF气凝胶薄片；采用激光微加工工艺分别在两种不同密度的CRF薄片和工业用纯Al箔上引入调制图形；采用旋涂工艺在Al箔和CRF薄片(250 mg/cm3)的调制表面制备一层CH薄膜，得到CH/Al和CH/CRF双介质调制靶，采用溶胶-凝胶工艺在CRF薄片(800 mg/cm3)表面制备一层低密度SiO2气凝胶，得到CRF/SiO2双介质调制靶。采用电子天平、扫描电子显微镜、工具显微镜和台阶仪对所制备的CH/CRF,CRF/SiO2和CH/Al三种双介质调制靶进行靶参数测量。结果表明: 三种双介质调制靶层与层之间结合紧密，界面清晰，调制图形为正弦，靶参数测量准确。
惯性约束聚变 双介质调制靶 流体力学不稳定性 碳气凝胶 旋涂工艺 激光微加工 inertial confinement fusion dual-layer perturbation target hydrodynamic instability carbon aerogel spin-coating process laser micro-machining 强激光与粒子束
2014, 26(1): 012004
1 同济大学, 上海 200092
2 同济大学 教育部先进微结构材料重点实验室, 上海 200092
3 同济大学 精密光学工程技术研究所, 上海 200092
4 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
研究了Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜成像系统的结构设计、元件制备。通过分析掠入射角、放大倍数和反射镜曲率半径对成像系统调制传递函数(MTF)的影响，确定了KB显微镜系统的初始结构参数，实现了2.5 keV能点多层膜KB显微镜的设计、制备以及装调，在神光Ⅱ强激光装置上完成了像质标定实验。结果表明:2.5 keV能点多层膜KB显微镜在100 μm视场内观测周期为20 μm平面调制靶时的MTF高于0.6，与OMEGA装置同类型KB系统的空间分辨能力相当，明显优于现有的针孔相机和点投影成像技术。该显微镜与条纹相机配合，已成功实现对短扰动波长平面调制靶烧蚀演化行为的动态诊断。
Kirkpatrick-Baez显微镜 等离子体诊断 调制传递函数 平面调制靶 流体力学不稳定性 Kirkpatrick-Baez microscope plasma diagnostics modulation transfer function surface perturbation target hydrodynamic instability
同济大学 上海市特殊微结构材料与技术重点实验室， 上海 200092
介绍了碳气凝胶/聚苯乙烯（CRF/CH）双介质柱状靶的制备方法。使用溶胶-凝胶法和微模具原位成型法制备了直径为820 μm的间苯二酚-甲醛（RF）气凝胶微柱，在氮气保护下进行高温碳化后得到直径为730 μm、密度为250 mg·cm-3的CRF微柱；采用浸渍提拉法在CRF微柱柱面镀制一层厚度为26 μm 的CH薄膜， 形成CRF/CH双介质结构；采用机械微切割技术制备了长度为1 mm， 内径为730 μm，壁厚为26 μm的CRF/CH双介质柱状靶。实验研究了RF,CRF气凝胶微柱的制备工艺、微观形貌及CRF微柱轴向和径向的密度均匀性，探讨了影响CH薄膜厚度的主要因素，并对CH薄膜的表面形貌和两种材料之间的界面进行了表征。
惯性约束聚变 双介质柱状靶 流体力学不稳定性 碳气凝胶 提拉法 inertial confinement fusion dual-media cylindrical target hydrodynamics instability carbon aerogel dip-coating
在TFT-LCD的生产过程中，取向层表面针孔缺陷是造成产品不良的常见原因。应用聚焦离子束(FIB)、扫描电子显微镜(SEM)和光学测量系统(OMS)工具，并结合数据统计软件Business Objects(BO)对实际生产过程中的一种典型产品不良——黑点，进行了测试和分析。结果表明，取向层表面针孔缺陷是产生黑点不良的根本原因。在此基础上，进一步通过理论分析和实验研究证明，成膜过程中膜液的流体力学不稳定性是导致取向层表面针孔缺陷的重要原因，而固化时间则是影响流体力学不稳定性的重要参数。 膜液流体力学不稳定性的充分发展并最终对膜结构产生影响需要一定时间，当固化时间接近甚至小于不稳定性充分发展的时间时，取向层表面产生针孔缺陷的机会将大大减小甚至消除。
取向 针孔 预烘 缺陷分析 流体力学不稳定性 TFT-LCD TFT-LCD alignment pinhole pre-cure failure analysis hydrodynamic instability
