基于温度梯度的ICF冷冻靶均化技术研究

料 冰层 内表 面粗糙 度 的影 响极 大Ⅲ ９ 燃料 在 气液 、 气 固、 或液 固相 变 中 的结 晶生长 与结 构 的控制 。本 文通过 温度 梯度 结合 制冷 速率 与制 冷过 程控 制 的方 法 实现 了 １ ｍｍ 直 径 辉光 放 电聚合 物 （ ＧＤ Ｐ ） 靶 丸 中氘 氘冰 层 的均化 ， 通过 背光 阴影 成像 的方 法得 到 了 冰层 的均 匀 度 、 厚度 、 内表 面 粗糙 度 等信 息 。
１ 理 论 分 析
１ ． １ 外 部 温 度 场 下 冷 冻 中 气 泡 的 运 动
在冷 冻靶 中 ， 首先 通 过温度 梯度 均化 得 到均匀 的液 体燃 料 层 ， 然后 进 ＿ 一 步降 温 ， 在 降温 过 程 中保 持 相 应 的
温度 梯度 ， 最后 可 以得 到 均匀 的燃料 固体 层［ ６ ］ 。当靶 丸 中形 成燃 料 液体 时 ， 由于 表 面润 湿 效应 ， 靶 丸 中间 位 置
温度 梯度 均化 方法 最早用 于 制备 内含饱 和蒸 气 的液体 燃料 层冷 冻靶 ｌ ６ ＿ ８ ＿ ， 通 过外 部温度 梯度 产生 克 服重 力
的界面 张力 梯度 ， 在靶 丸 内壁 形成 一个 均匀 分布 的液 体燃 料 层 。通过 在 燃料 的三相 点 附 近 连续 调 节靶 丸周 围 环 境 的温度 场 ， 就 可 以得到 均匀 的燃料 冰层 分布 。温 度梯 度均化 不需 要 额外 的设备 ， 大 小可 以根 据要求 实 时调
爆期 间 流体力 学不稳 定 （ 如Ｒ ａ ｙ ｌ ｅ ｉ ｇ ｈ — Ｔ ａ ｙ ｌ ｏ ｒ 不 稳定 等 ） 的重 要 因素 ］ 。为 了抑 制 流体 力 学 不稳 定 性 ， 燃 料 必 须 在靶 丸 内壁 形成 高度 均匀 、 光滑 （ 表 面粗糙 度 小 于 ０ ． ７肛 ｍ） 、 中心对 称 （ 球心 度 大 于 ９ ９ ） 的 固态 层 ， 其 面 密 度 达到 ３ ０ ０ ｍｇ ／ ｃ ｍ。 ， 这 个过程 称 为燃料 均化 ］ 。冷冻靶 燃料 均 化实 质 上是 燃 料结 晶 、 生 长 和 再分 布 的 过程 ， 由靶丸所 处 环境 的温度 场分 布决 定 。但 是在 冷冻 靶制 备过 程 中 ， 由于液体 向 固体转 化过 程 中的重 力作 用 、 液体
第２ ７ 卷第 ３ 期
２ ０ １ ５年 ３月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ Ｇ Ｈ Ｐｏ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ １ ． ２ ７，ＮＯ ． ３
Ｍａ ｒ ．，２ ０１ ５
基 于温 度 梯 度 的 Ｉ Ｃ Ｆ冷 冻 靶 均 化 技 术 研 究
中 图分 类 号 ｉ Ｏ５ １ ４ 文献标志码 ｉ Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ８ ４ ／ ＨＰ Ｌ Ｐ Ｂ ２ Ｏ １ ５ ２ ７ ． ０ ３ ２ ０ ２ ５
在惯 性 约束聚 变 （ Ｉ Ｃ Ｆ ） 冷 冻 靶研究 中 ， 氢氘 （ ＨＤ） 、 氘氘（ Ｄ 。 ） 、 氘氚（ Ｄ Ｔ） 等燃 料 冰 层 的几 何 形 貌是 影 响 内
王 凯， 林 伟， 黎 军， 刘元琼 ， 漆小波， 唐永建 ， 雷海乐
（ 中 国 工 程 物 理研 究 院 激 光 聚 变 研 究 中 心 ，四川 绵 阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ）
摘 要 ｉ 惯 性 约束 聚变 （ Ｉ Ｃ Ｆ ） 冷冻靶中氘氘（ Ｄ ｚ ） 、 氘氚 （ ＤＴ ） 等燃 料 冰 层 在 靶 丸 中 的 分 布 由 靶 丸 所 处 的 温 度 场 决 定 。在 氘 氘 冷 冻 靶 中 ， 垂 直 温 度 梯 度 引起 的气 一 液 界 面 张 力 梯 度 可 以抵 消 重 力 作 用 ， 使 氘 氘 液 体 在 靶 丸
节， 更 易于 与冷冻 靶 的充气 ／ 冷冻 单元耦 合 ， 主要 用来 控制 燃 料冰 层 功率 谱 曲线 中的低 模 数 分 量 即冰 层 表 面形 状 。同时 ， 在 制冷 过程 中， 氘 氘 等燃料 冰层 按照传 统 晶体 的长 大过程 形成 ， 受 到生 长不 稳定性 、 热 应力 和可 能 的 各 向异 性表 面能 的影 响 。因此 在燃料 冰层 生长 过程 中制 冷速 率与 制冷 过程 （ 温度 随 时间 的变 化 曲线 ） 控 制对 燃
表 面张力 、 靶 周 围不等 温环境 、 靶 丸 自身 内表面粗 糙度 与缺 陷 、 结 晶过程 中的各 向异 性 等 ， 很难 使氘 氘等 燃料 在 靶 丸 内壁形 成高度 均匀 、 光滑 的 固态燃 料 冰层＿ ５ ］ 。 目前 主 要 的燃料 均 化 方法 有 温 度梯 度 、 降 温 过程 控 制 、 红 外 光 加热 等方 法 。
处 的气泡 被封 在燃料 液体 中。 由于燃料 的气一 液 界 面张 力 随 着温 度 的增 加 而 线性 减 小 。如 果 靶 丸 的上 部 温 度
靶 丸 中氘 氘 冰 层 的 均 化 ， 对 背 光 阴影 图像 中亮 环 位 置 进行 分 析 表 明 ： 氘氘 冰层的平均 厚度为 １ ８ ５ ． ５ ６ ｍ， 均 匀
度为 ８ Ｏ ． ２ ， 模数一 功率 谱 曲线 中模 数 ２ ～１ ０ ０对 应 的 内表 面 粗 糙 度 为 ２ ． ２ ６ ｂ ｔ ｍ。 关 键 词 ： 惯 性 约束 聚变 ； 冰 层 均 化 ； 温 度梯 度 ； 背 光 阴影 成 像
内均 匀 分 布 ； 然 后 在 氘 氘 的三 相 点 附近 缓 慢 降温 ， 可 以实 现 燃 料 冰 层 的均 化 。在 氘 氘 冷 冻 靶 均 化 实 验 系 统 上 ，
采 用 温 度 梯 度 结 合 制 冷 速 率 与 制 冷 过 程 控 制 的方 法 ， 实现了 １ ｍｍ 直 径 、 ３ ０“ ｍ 壁 厚 的辉 光 放 电 聚 合 物 （ Ｇ ＤＰ ）