核聚變及等離子體物理 第三章2

1、慣性約束聚變慣性約束聚變驅(qū)動(dòng)束的能量沉積和輸運(yùn)驅(qū)動(dòng)束的能量沉積和輸運(yùn)Inertial Confinement Fusion一、激光的能量沉積1、激光物理基礎(chǔ)激光的特點(diǎn)：（1）單色性：激光發(fā)射的各個(gè)光子頻率相同，因此激光是最好的單色光源；（2）空間相干性：由于受激輻射的光子在相位上是一致的，再加之諧振腔的選模作用，使激光束橫截面上各點(diǎn)間有固定的相位關(guān)系，所以激光的空間相干性很好；（3）時(shí)間相干性及高亮度：方向性好：激光束的發(fā)散角很小，幾乎是一平行的光線，激光照射到月球上形成的光斑直徑僅有1公里左右。 ； （4）亮度高：激光的亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源，強(qiáng)激光甚至可產(chǎn)

2、生上億度的高溫。 激光器是強(qiáng)光源的基本原因在于能量輸入通常要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間（如釹激光約為1ms），而能量的釋放通常在很短的時(shí)間（約1ns），在功率上增加了106。 發(fā)射方式：能量通過泵浦進(jìn)入激光媒質(zhì)，媒質(zhì)內(nèi)的原子被激發(fā)到更高的能級(jí)。當(dāng)它們衰減時(shí)輻射出光子，有可能撞擊出和第一個(gè)光子完全同相位的光子，這個(gè)過程稱為受激輻射。這個(gè)總的過程可以自我復(fù)制，導(dǎo)致光的放大，所有光子沿著相同的方向同相傳播最終可以形成一束光，經(jīng)過聚焦后達(dá)到非常高的輝度。E2-E1=h12h12h12h12n2E2E1n1 為了使激光器有效工作，必須使激發(fā)能級(jí)2的布居數(shù)高于能級(jí)1，這種情況叫做布居數(shù)反轉(zhuǎn)，必須打破熱平衡狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)。

3、受激輻射自發(fā)衰變激發(fā) 對(duì)于三原子能級(jí)系統(tǒng)，通過將能量泵浦進(jìn)入系統(tǒng)，輸入激光媒質(zhì)中的能量足夠高，結(jié)果將原子激發(fā)到更高的能級(jí)3上去。然而，由于泵浦光源發(fā)射的光不是單色的，只有一小部分入射光子適合用于激發(fā)原子。因此希望這個(gè)較高能級(jí)在一個(gè)寬的頻率范圍內(nèi)有一個(gè)大的線寬，以便實(shí)現(xiàn)從泵浦光源到原子激發(fā)的能量轉(zhuǎn)換具有較高的效率。 被激發(fā)的原子迅速?gòu)哪芗?jí)3衰減到能級(jí)2，相比于能級(jí)3，能級(jí)2應(yīng)該有較窄的線寬和相對(duì)長(zhǎng)的壽命。能級(jí)1和能級(jí)2之間實(shí)現(xiàn)布居數(shù)反轉(zhuǎn)。2、電磁波在等離子體中的傳播 當(dāng)激光打在靶上時(shí)，靶表面上的一些材料吸收激光的能量被加熱，蒸發(fā)形成等離子體，稱為等離子體暈。激光是電磁波，在自由空間中激光的色散關(guān)

4、系為：進(jìn)入等離子后，色散關(guān)系變?yōu)椋浩渲衟是等離子體頻率，其表達(dá)式為：222Lc k2222LLpk c21/24()epenmu當(dāng)?shù)入x子體中的數(shù)密度不很大，且其頻率低于電磁波頻率時(shí)，該等離子體稱為低密的，這時(shí)電磁波可以在等離子體中傳播。u當(dāng)?shù)入x子體的數(shù)密度很大，等離子體的頻率高于波的頻率時(shí)，這種等離子體叫過密的，即u此時(shí)激光將不能在等離子體中繼續(xù)傳播。pL欠稠密區(qū)域超稠密區(qū)域激光光束反射光臨界表面密度xxcnc臨界密度表面的形成 激光只能在密度低于“臨界密度”的等離子體中傳播，臨界密度就是等離子體頻率等于激光頻率時(shí)的等離子體密度，即：22123021.1 10()eLcLmncme 入射激光在

5、臨界密度處被反射，對(duì)一定頻率的光，對(duì)應(yīng)的有一個(gè)確定的臨界密度，如固體密度的D-T等離子體對(duì)應(yīng)的光的波長(zhǎng)為0.15m，波長(zhǎng)大于此值的光將被反射。各種波長(zhǎng)光對(duì)應(yīng)的臨界密度3、激光與物質(zhì)的相互作用在激光功率密度低于107W/cm2的情況下，入射激光只能加熱靶的表面而不能使之發(fā)生熔化或蒸發(fā)。入射激光在靶表面被吸收，吸收的光能再由熱傳導(dǎo)轉(zhuǎn)移到靶內(nèi)部去，部分光被反射。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到107W/cm2時(shí)，入射激光將引起靶表面部分物質(zhì)蒸發(fā)和噴射，蒸發(fā)形成的蒸汽云或噴射物能同時(shí)與入射激光發(fā)生相互作用，吸收激光，同時(shí)產(chǎn)生較大的壓力，驅(qū)動(dòng)蒸汽云以高速度飛離靶表面，噴射的反作用驅(qū)動(dòng)沖擊波進(jìn)入靶的內(nèi)部。當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到1010W/

6、cm2時(shí)，能使氣體擊穿和使靶物質(zhì)電離，自由電子在激光的作用下被迅速加速到高能，在很短的時(shí)間內(nèi)獲得足夠的能量電離其它原子產(chǎn)生更多的自由電子，并繼續(xù)引起更多的電離，即雪崩電離。實(shí)際上，大多數(shù)激光強(qiáng)度高達(dá)1012W/cm2以上，激光輻射在靶表面引起電離基本上是瞬時(shí)的，在靶表面形成高溫等離子體冕。激光聚變所要求的激光強(qiáng)度要高達(dá)10141015W/cm2，相應(yīng)的等離子體溫度達(dá)到keV量級(jí)，它們將以105106m/s的速度向外噴射。4、激光在等離子體中的吸收 基本上有三個(gè)主要的過程：逆韌致吸收、共振吸收和參量過程。（1）逆韌致吸收 它是韌致輻射的逆過程，是指自由電子在原子核或離子的庫侖場(chǎng)中吸收激光的能量從

7、而得到加速或改變運(yùn)動(dòng)方向的過程。 由于自由電子的能量是連續(xù)的，因此任何波長(zhǎng)的激光都能發(fā)生逆韌致吸收。逆韌致吸收的物理過程： 逆韌致吸收是由電子和離子之間的碰撞引起的，入射激光電場(chǎng)使自由電子發(fā)生振蕩，同時(shí)光電場(chǎng)也使離子振蕩，由于離子質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多，因此可以忽略它們的運(yùn)動(dòng)。 在激光電場(chǎng)中做高頻振蕩的電子，其運(yùn)動(dòng)能量是無規(guī)的，這些電子同本底離子通過碰撞將振蕩能量變成無規(guī)運(yùn)動(dòng)的熱能，結(jié)果入射激光能就變成等離子體熱運(yùn)動(dòng)的能量。其中ei是電子和離子的碰撞頻率，1/2241/23/24(2 )()3()eiceiceeZ ennmkT其中 是庫侖對(duì)數(shù) ， 是“欠密度”區(qū)等離子體的尺度。ei(810)e

8、ihLLv 逆韌致吸收系數(shù)：吸收激光的能量和入射激光能量的比值，其表達(dá)式為：()eichabn LKc（1）電子溫度升高，吸收系數(shù)下降（2）與Z2成正比，原子序數(shù)越大，吸收越厲害（3）激光強(qiáng)度越高，吸收系數(shù)越低：激光是強(qiáng)度很大的光，既有能量又有動(dòng)量，當(dāng)動(dòng)量變化時(shí)就會(huì)產(chǎn)生壓力，另外等離子體產(chǎn)生的場(chǎng)也有壓力。這兩種壓力會(huì)對(duì)等離子體的分布產(chǎn)生影響。例如，在臨界面附近，激光被反射，壓力會(huì)使等離子體產(chǎn)生密度“坑”。討論：（4）激光波長(zhǎng)越大，吸收系數(shù)越?。翰ㄩL(zhǎng)越小對(duì)應(yīng)的等離子體的臨界密度越大，即可以傳輸?shù)降入x子體密度更高的地方，從而更多的能量被等離子體吸收。（5）激光脈沖寬度越大，吸收系數(shù)越大。在高增益的

9、激光聚變把設(shè)計(jì)中：入射激光的能量吸收系數(shù)可達(dá)到（7095）%13152(5 1010 )/, 531, (110)LLIWcmnmns 逆韌致吸收機(jī)制基于帶電粒子之間的碰撞，而這種碰撞隨著溫度的升高迅速的下降。因此在熱核溫度下，經(jīng)典的吸收機(jī)制幾乎不起作用。 然而驅(qū)動(dòng)束在靶上的能量沉積機(jī)制并不只限于經(jīng)典的碰撞過程，在高束流強(qiáng)度情況下又出現(xiàn)了“反?！钡奈諜C(jī)制，這是高強(qiáng)度激光與等離子體相互作用的結(jié)果。共振吸收： 當(dāng)激光斜入射在空間不均勻的等離子的密度梯度上時(shí)，特別是P極化激光電磁波（電場(chǎng)方向平行于入射平面）斜入射在密度梯度上，光電場(chǎng)平行于等離子體密度梯度的組分將驅(qū)動(dòng)電子等離子體波。而且，激光電場(chǎng)能

10、夠通過隧道效應(yīng)“鉆”到臨界密度附近，在此處，由于等離子體的頻率等于激光的頻率，即p= L，激光的能量將通過共振的方式首先傳遞給等離子體，電子通過和離子的碰撞最終加熱等離子體。（2）激光能量的反常吸收n 經(jīng)過物理推倒得知，共振吸收系數(shù)和入射角有密切的關(guān)系：如果入射角太大，激光將在離臨界密度很遠(yuǎn)的地方反轉(zhuǎn)；如果入射角太小，則平行于密度梯度的電場(chǎng)在反轉(zhuǎn)點(diǎn)太小。這兩種情況吸收系數(shù)都很小。n 實(shí)際上能夠發(fā)生共振吸收的角度范圍很小，在均勻照射的情況下，如何實(shí)現(xiàn)這樣小角度的入射是非常困難的。能夠發(fā)生共振吸收的入射角為：13sin0.8 cL其中：c為光速，為激光頻率，L為定標(biāo)長(zhǎng)度。n 慶幸的是，由入射激光產(chǎn)

11、生的有質(zhì)動(dòng)力將改變等離子體密度分布，使共振吸收增強(qiáng)。u激光產(chǎn)生的光壓力為：p=2IL/c。等離子體可以看做是準(zhǔn)粒子，有能量和動(dòng)量，也會(huì)產(chǎn)生壓力。所以不僅光有壓力，場(chǎng)也有壓力，就是說，任何高頻電場(chǎng)在等離子中都會(huì)產(chǎn)生壓力，這種壓力稱為“有質(zhì)動(dòng)力”。n 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了高功率激光的共振吸收，以及共振吸收隨入射激光增強(qiáng)而逐漸增強(qiáng)的現(xiàn)象。分析認(rèn)為，入射激光能的共振吸收，一般不超過50%。 共振吸收過程基本上是線性的，但當(dāng)激光的強(qiáng)度過高時(shí)，一些非線性效應(yīng)就會(huì)顯現(xiàn)出來。 例如共振驅(qū)動(dòng)波場(chǎng)增加到足夠強(qiáng)度時(shí)，電子經(jīng)過一個(gè)振蕩周期就能被加速，叫做“波破損”。 導(dǎo)致快電子的產(chǎn)生，快電子會(huì)預(yù)熱燃料造成熵的增加，使燃料被壓縮

12、的難度變大，因而要求達(dá)到同樣密度和R值所需要的驅(qū)動(dòng)器的能量增加。 另一種非線性效應(yīng)是入射激光產(chǎn)生的壓力使密度梯度變陡和密度定標(biāo)長(zhǎng)度變短，有可能對(duì)有很強(qiáng)共振吸收發(fā)生的入射角范圍產(chǎn)生重大影響。0 xne1013101410151016020406080100激光強(qiáng)度/Wcm-2吸收/%1/4m1/3m1/2m1m10m 實(shí)驗(yàn)和理論的結(jié)果表明，采用短波長(zhǎng)的激光（531nm），可以使共振吸收控制在高增益靶感興趣的最小的范圍內(nèi)。從右圖可以看出，在慣性約束感興趣的強(qiáng)度范圍內(nèi)吸收效率可達(dá)到70%以上。 在等離子體中，存在著各種不同的天然振蕩模式或波，例如靜電波和離子聲波等。它們的波長(zhǎng)依賴于等離子體的密度和溫

13、度等參數(shù)，而這些參數(shù)會(huì)由于入射激光電場(chǎng)的作用而發(fā)生變化。入射激光和靜電模式或電磁模式都能發(fā)生各種不同的耦合，驅(qū)動(dòng)這些模式的不穩(wěn)定性，于是這些不穩(wěn)定性增長(zhǎng)。這種現(xiàn)象稱為參量不穩(wěn)定性，將會(huì)引起激光的反常吸收。 當(dāng)激光的強(qiáng)度大于1015W/cm2時(shí)，等離子體的參量過程變得比較顯著。 參量不穩(wěn)定性 在激光和等離子體相互作用過程中，等離子體的激光光波、靜電波和離子聲波最重要。根據(jù)三種波結(jié)合方式的不同，參量不穩(wěn)定性可分為：（1）雙等離子體振子（TPD）過程 一個(gè)光子的光波轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€(gè)電子等離子體振子。這種過程發(fā)生在1/4臨界密度的面附近，光壓力排開等離子體形成所謂的“坑”，使1/4臨界面密度變陡。當(dāng)激光強(qiáng)度

14、不足以產(chǎn)生該過程時(shí)，“坑”開始擴(kuò)散，密度梯度恢復(fù)，開始下一個(gè)雙等離子體振子過程。這樣，出現(xiàn)雙等離子體不穩(wěn)定性的間歇性發(fā)展。（2）離子聲波不穩(wěn)定性（IA） 指入射光波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥入x子體波和離子聲波。這種不穩(wěn)定性只能發(fā)生在臨界面附近。發(fā)生這種不穩(wěn)定時(shí)，入射激光光波的能量轉(zhuǎn)化為等離子體中的靜電波和離子聲波的能量。通過電子的碰撞，等離子體波的能量可以轉(zhuǎn)化為等離子體熱能。（3）受激布里淵散射（SBS） 是入射激光光波在離子聲波上的散射。入射激光的能量轉(zhuǎn)化為散射光波和離子聲波的能量。其中絕大部分能量轉(zhuǎn)化為散射光波。（4）受激拉曼散射（SRS） 入射激光光波的能量轉(zhuǎn)化為散射光波和電子等離子體波的能量。有利于激光在等離子體中沉積，但在某些條件下可能產(chǎn)生超熱電子，它能量高、穿透能力強(qiáng)，能夠穿進(jìn)燃料區(qū)并把能量沉積在里面，使燃料在被壓縮到高密度之前就預(yù)先被加熱，壓力升高，達(dá)不到預(yù)期的高壓縮。 抑制拉曼散射的方法有采用短波長(zhǎng)激光和高原子序數(shù)的靶材料相結(jié)合的方法以提高碰撞阻尼。受激拉曼散射只能發(fā)生在1/4臨界密度的低密度區(qū)域。（5）自聚焦和絲化 如果入射激光在光軸上的強(qiáng)度高，那么光軸上以