激光原理与技术--第十章--激光在科学技术前沿问题中的应用PPT课件

厘米的表面上每秒光动量变化为 2nh /c，即光压 为 Pl 2N/c（ Nnh ）；如果是黑体可同样算出
压 Ph N/c ， 这与光的电磁波理论的结论一致。
-
6
虽然高功率的激光能够产生几百万至上千万个大气压的光力， 但还远达不到劳森条件的要求，所以科学家们发展了一种激 光向心压缩技术。
4. 激光向心压缩技术
这是非常复杂的物理过程，通过多台高功率激光束几乎
同时对位于中心的核材料进行照射，通过激光的光压力使 得核材料满足劳森条件。经 过 10余年实际制造，美国的 “国家点火装置”(包括192束激光）在2009年投入试验， 下图为其外壳：
-
7
5.黑洞靶（或称炮球靶）的引用
在激光向心压缩技术中重要的问题是如何使驱动能量 最有效地被吸收和产生最大压缩。所以有人提出，利用相 似于黑洞的原理来提高入射光能的利用率。原理图
-
10
7最大脉冲装置建成，中国跻身世界四强
美国日前建成世界最大激光器，而由华中科技大学科 研人员自主研制的中国最大脉冲强磁场实验装置样机系统 也组装、调试完成。3月31日，该系统首次向前来参加 “脉冲强磁场下的前沿科学问题”国际学术研讨会的国内 外专家进行开放演示。
落在物体表面的光能够对该物体表面施加压力——对于理
想导体其理想光压
pl
2N C
，对于黑体其光为
ph
N C
。
1990年俄国物理学家列别捷夫在实验中首次验证了这也理 论。
-
5
光的电磁波学说认为：电磁波（意即光）落在理
想导体表面上，导体中的自由电子便处在交变电磁场 的作用范围内，按照电磁感应原理，在变化的磁场中 的电荷应当获得附加的速度而形成的感应电流，但电 流在磁场中要受到力，所以就形成了“光压力”。
-
4
这样估计1~10万焦耳数量级的激光能量就可以实现热 核反应的点火。核燃料的压缩需要很高的压力，要把固 体氘、氚的密度提高到1000倍左右就必须加上1000亿 个大气压的超高压力。不过光有压力，通过高功率激光 聚焦后，可以产生几百万至上千万个大气压的压力。
4. 光压力
早在1864年，麦克斯韦依据他的电磁波学说指出：射
-
3
3.惯性约束控制方法
为了达到劳森条件，就需要建立特殊的装置，它能 够将高温的等离子体进行压缩和约束，防止核燃料在上 亿摄氏度的温度下迅速膨胀而使其密度变低。目前比较 实用的能够满足劳森条件的装置有两类：磁力约束方法 （Magnetic Confinement Fusion , MCF）和惯性约束 方法（Inertial Confinement Fusion , ICF）。
这两图分别为美国“国家点火装置” 中黑洞靶，以及激光入射时的 模拟图。
在燃料舱（即左上图的圆柱体）放 着豌豆大小的冰冻氢燃料
-
9
6.激光束的转换
激光束在进入目标舱内之 前，必须要先由红外线转换成 紫外线，因为紫外线对加热目 标燃料更为有效。激光转换过 程必须要使用磷酸二氢钾晶体。 图中的这块磷酸二氢钾晶体重 约360公斤。首先将一粒籽晶 放入一个高约2米的溶液桶中， 经过两个月的培养才可形成如 此巨型的晶体。然后将晶体切 割成一个个截面积约为40平 方厘米的小块。“国家点火装 置”共需要大约600多块这样 的晶体小块。
10.1 激光核聚变
-
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
1. 核聚变发生条件
核聚变是由较轻原子核聚合成较重原子核释放反应，
常见的是由氢的同位素氘与氚聚合成氦并释放出能量。
我们知道，所有原子核都带正电，两个原子核要聚到
一起，必须克服静电斥力。两个核之间靠得越近，静电产
生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大
约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力
光的量子学说认为：射落到物体表面的一束光是 一股微粒流，其中的每颗微粒（光量子）都具有能量
（ h ）和动量（ hv/c ）。如果被照射的
物体能全部反射光，这就相当于光量子碰撞物体表面 以后右一个一个地全部反推回越，于是每个光量子给
物体表面的动量是： 2h/c。
若每秒每平方厘米内通过的光子数为 n ,则物体每平方
其中惯性约束是利用高功率的激光束或粒子束均匀 照射用聚变材料制成的微型靶丸，在极短的时间内迅速 加热压缩聚变材料使之达到极高的温度和密度，在其分 离以前打到聚变反应时间，引起核聚变反应。
如果使用通常的固态氘、氚密度来估计，它要求激 光器在 10 9 秒内产生10亿焦耳的能量，从而对高功率的 激光器提出了很高的要求。为了摆脱这种困境，科学家 们设想大大提高氘、氚的密度来降低激光器能量的要求。
的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。
在太阳上由于引力巨大，可以把粒子压缩到核力作用
的范围，氢的剧变可以自然而然地发生，但在地球自然条
件下无法实现自发的持续核聚变。但如果粒子的动能非常
大，足以克服静电排斥力，那么我们就可以人工实现核聚
变。要达到如此大的动能，需要把温度升高到上亿摄氏度，
所以剧变反应又叫“热核反应”，这个温度也叫“点火温
度”。
-
2
2.劳森条件
引发核聚变是需要供给能量使燃料达到其点火温 度。但要建成一个有实用价值的反应器，就必须使热 核反应放出的能量至少要和加热燃料所用的能量相等。 这就得需要燃料能够充分反应。为了达到这一目的， 就必须增加核燃料的密度，同时，由于等离子体极不 稳定，所以还必须设法延长等离子体存在的时间。燃 料核的密度越大，它们之间碰撞的机会越多，反应也 就越充分。在一定燃料核密度下，稳定时间越长，反 应也越充分。反应越充分，释放的能量的密度也就越 多。计算表明要使热核反应器成为一个自行维持反应 的系统的条件是 n(离子数密度)×τ(稳定时间) ≥ 常数 —— 这一条件称为劳森判据。
在靶外球直径约为400-500um, 壁厚4-6um,球壁上的小孔直径40-100um. 入射激光镜头聚焦后的焦点，就在这小孔 上。这样激光几乎可全部进入球内，最终 被吸收。
黑洞靶的原理：当激光由小孔进入后， 首先被外球壳内表面吸收，产生高温等离 体 和X光，使外球壳与内球外的空间，充
-
8
满着X光和等离子体的气，这种气就在两个面之间产生来回 不断地冲击波和反射波，同时也不断地压缩内球并提高它的 温度，使得激光的利用率提高很多。