美国国家点火装置NIF-全尺寸激光放大器的组装和维护

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惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展

惯性约束聚变激光驱动装置用光学元器件的研究进展邵建达;戴亚平;许乔【摘要】介绍了为提高惯性约束聚变(ICF)激光驱动装置的光束质量和输出功率,我国在神光系列激光装置的建设、运行和性能提升方面开展的工作.综述了我国近年来ICF激光装置用光学元器件的重要研究进展.文中涉及了高纯金属铪和磷酸二氢钾(KDP)等原材料的制备和四大主材(钕玻璃、高纯度KDP、熔石英和KDP/高掺氘KDP(KDP/DKDP晶体)的熔炼、加工和生长.描述了元器件的冷加工(针对钕玻璃、白玻璃、KDP晶体)技术和镀膜技术(针对介质膜和化学膜).最后,给出了针对大口径光学元件工序检及终检开展的多项关键检测技术.文中介绍的关键技术与工艺满足了绝大部分光学元器件的需求,显著提升了光学元器件的研发和生产能力.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)012【总页数】7页(P2889-2895)【关键词】惯性约束核聚变(ICF)激光装置;光学元器件;材料制备;光学检测;综述【作者】邵建达;戴亚平;许乔【作者单位】中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621000;成都精密光学工程研究中心,四川成都610000【正文语种】中文【中图分类】TL632;TN305.2惯性约束聚变(Inertial Confinement,ICF)激光驱动装置是一项庞大、复杂且系统性极强的超大型光学工程，这个大型光学系统中包含片状玻璃放大器、反射镜、透镜、偏振元件、晶体、窗口以及衍射光学元件等各种性能的光学元器件。

以当前世界上规模最大、能量最强的激光器——美国国家点火装置(NIF)为例，它包含了大约7 500块大尺寸光学元件(直径在600～1 000 mm)和30 000块小尺寸光学元件[1]。

对用于ICF驱动的高功率激光装置而言，获得更高输出能量和功率的激光束一直是研究人员追求的目标。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室详细资料大全

劳伦斯利弗莫尔国家实验室详细资料大全劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL），美国著名国家实验室之一，位于美国旧金山湾区利弗莫尔（Livermore），隶属于美国能源部的国家核安全局（NNSA），现由劳伦斯利弗莫尔国家安全机构（LLNS，由加州大学等机构联合构成）负责运行。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室建立于1952年，最早是劳伦斯伯克利国家实验室设在加州旧金山湾区利弗莫尔（Livermore）的分支实验室，由加州大学伯克利分校物理学教授欧内斯特·劳伦斯（诺贝尔奖得主）、爱德华·泰勒（氢弹之父）共同建立。

实验室早期由加州大学全权负责运行，2007年后改由LLNS负责运行，主要负责研发包括核武器在内的美国国防科技。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室发现或参与发现了6种化学元素（113号- 118号元素）。

值得注意的是，加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室此前共同发现或参与发现了16种化学元素，后化学元素的研究项目被劳伦斯利弗莫尔国家实验室所继承。

基本介绍•中文名：劳伦斯利弗莫尔国家实验室•外文名：Lawrence Livermore National Laboratory•建立时间：1952年•隶属：美国能源部•运行单位：LLNS（加州大学等共同构成）•地址：美国加州旧金山湾区•现任主任：Bill Goldstein历史沿革,人员机构,科研成果,化学元素,超级计算机,美国国家点火装置,高安保级别核材料,科研合作,获奖情况,历史沿革劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）于1952年建立于美国加州旧金山湾区的利弗莫尔（Livermore），由加州大学伯克利分校物理学教授欧内斯特·劳伦斯、爱德华·泰勒（氢弹之父）共同建立。

最初名叫“加州大学放射实验室-利弗莫尔分部”（University of California Radiation Laboratory at Livermore），是位于加州大学伯克利分校的“加州大学放射实验室”的分支实验室，隶属于美国能源部（DOE），由加州大学具体负责运行。

精密和超精密加工技术发展现状

精密和超精密加工技术发展现状摘要：精密和超精密加工技术的发展过程和现状，以及对于精密和超精密加工技术未来的展望。

关键词：精密加工技术;超精密加工技术;非球面曲面超精密加工一引言国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、德国和日本发达国家中，美国、日本、德国等在高技术领域（如国防工业、集成电路、信息技术产业等）之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。

由于加工技术水平的发展，精密和超精密加工划分的界限逐渐向前推移，但在具体数值上没有确切的定义。

被加工零件的尺寸精度在1.0～0.1μm，表面粗糙度Ra在0.1～0.03μm之间的加工方法称为精密加工。

超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展超精密加工技术主要包括:超精密加工的机理,超精密加工的设备制造技术,超精密加工工具及刃磨技术,超精密测量技术和误差补偿技术,超精密加工工作环境条件。

二国内外发展现状（一）国外发展现状国际上在超精密加工技术方面处于领先地位的国家有美国、英国和日本。

美国最早成立了Nano研究中心,英国制订了NION(National Initiative on Nanotechnology)计划,日本制订了ERATO(Exploratory Research for Advanced Technology)规划等。

美国率先发展超精密加工技术,20世纪80年代后期,美国通过能源部“激光核聚变项目”和陆、海、空三军“先进制造技术开发计划”,对超精密金刚石切削机床的开发研究,投入了巨额资金和大量人力,实现了大型零件的微英寸超精密加工。

如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室已经研制出一台大型光学金刚石车床(Large Op tics Diam ond Turn ing Machine, LODTM ), 是一台最大加工直径为1.63m的立式车床,定位精度可达28nm,借助在线误差补偿能力,它已实现了距离超过1m而直线度误差只有±25nm的加工。

“人造太阳”计划

“人造太阳”计划作者：徐翘楚来源：《百科知识》2011年第01期看过灾难大片《2012》的人们可能还记得，影片里有一个庞大的、多国合作完成的“诺亚方舟”计划，它承载着人类继续繁衍生存的希望。

目前，国际间进行研究合作，共同建设的“人造太阳”国际热核聚变实验堆，它承载的是人类未来新能源的希望。

1985年，处在冷战时期的美、苏两个核超级大国在日内瓦峰会上就提出了一个人类历史上前所未有的宏大合作计划——“国际热核聚变实验堆计划”，它被称作“伊特尔”人造太阳计划。

1988年，该计划正式启动。

经过20多年的共同努力，在克服一个又一个重大科研难题的基础上，由中、欧、日、韩、俄、美六方组成的ITER国际组织于2007年10月24日正式成立，后来印度也加入进来。

2010年11月，被称为“人造太阳”的美国国家点火装置(MF)完成了首次综合点火实验：192束激光系统使中心最高温度达到华氏600万度，相当于恒星或大行星核心的温度。

虽然据说这次实验没有达到预期目标，但科学家依然对NIF的未来充满信心。

“人造太阳”的科学原理我们所说的“人造太阳”就是把美国研制的192条激光束集中在一个像花生米大小的装有重氢燃料的目标上，然后把这个燃料加热到一亿摄氏度，并且施加足够的压力，让重氢核发生剧变反应，从而模拟出这种跟太阳内部差不多的温度和压力，这个聚变不是核裂变，它的好处在于副产品当中没有放射性的物质，而且它的燃料来源也比较容易获取。

实际“人造太阳”就是模仿太阳上时刻都在发生的核聚变。

核聚变就是两个原子核相聚、碰撞，结合成一个新的原子核的过程。

1938年，德国科学家推测太阳能源可能来自它的内部氢核聚变成氦核的热核反应，这甚至早于核裂变模型的提出。

然而，与能够在室温下进行的裂变不同，聚变发生需要巨大能量。

这是因为当两个带正电的氢原子核靠近的时候，根据“同性相斥”的原理，相互间的斥力将阻碍聚变的发生。

要克服这种阻碍，只有两种途径：强大的引力或上亿度的高温。

大口径KDP_晶体装配附加面形畸变抑制工艺优化

第 31 卷第 9 期2023 年 5 月Vol.31 No.9May 2023光学精密工程Optics and Precision Engineering大口径KDP晶体装配附加面形畸变抑制工艺优化全旭松1，独伟锋1，褚东亚1，2，周海1*，叶朗1（1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳 621900；2.清华大学机械工程系，北京100084）摘要：在高功率固体激光装置中，大口径KDP晶体的面形畸变控制是影响终端光学组件倍频转化效率的关键因素之一。

为了提高大口径KDP晶体的装配附加面形质量，提出了一种点支撑装配附加面形畸变抑制工艺方法。

首先，通过遗传算法对支撑点及其分布进行优化设计。

然后，采用有限元分析方法对KDP晶体的装配预紧工艺进行优化设计。

最后，开展优化后的装配工艺对KDP晶体装配附加面形畸变的抑制和倍频转换效率的实验验证。

实验结果表明：提出的工艺方法对KDP晶体装配附加面形畸变具有良好的抑制效果，实测面形PV值为6.51 μm，二倍频转化效率可达72.6%，且重复装配的一致性良好。

该方法大幅提升了晶体倍频效率和远场光斑质量，并在工程上得到应用与推广。

关键词：激光装置；KDP晶体；装配附加面形；点支撑；频率转换效率中图分类号：TN242；TH162 文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20233109.1347Mounting optimization on large aperture KDP crystal tominimize assembling deformationQUAN Xusong1，DU Weifeng1，CHU Dongya1，2，ZHOU Hai1*，YE Lang1（1.Research Center of Laser Fusion， China Academy of Engineering Physics， Mianyang 621900， China；2.Mechanical Department， Tsinghua University， Beijing 100084， China）* Corresponding author， E-mail： a697097@Abstract：In the high-power laser facility，control of the surface deformation of the large-aperture KDP crystal is the key factor to reduce the frequency-conversion efficiency. To improve the assembling quality of the KDP crystal， a point-supporting process method is proposed for minimizing the assembly deforma⁃tion. First， a genetic algorithm is used to optimize the support points and their distribution scheme. Sec⁃ond， the finite-element method is used to optimize the assembling preload. Finally， mounting optimization design process experiments are conducted to evaluate the surface deformation and the frequency-doubling conversion efficiency. The experimental results indicate that the proposed method is effective for minimiz⁃ing the assembling deformation of the KDP crystal； the measured PV value is 6.51 μm， and the measured conversion efficiency of second-harmonic generation reaches 72.6% with excellent assembling repeatabili⁃ty. This result significantly improves the frequency-doubling efficiency and the quality of the far-field spot and has been widely used and promoted in engineering.文章编号1004-924X（2023）09-1347-10收稿日期：2022-11-04；修订日期：2022-12-17.基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51975322）；北京市自然科学基金资助项目（No. 3212006）第 31 卷光学精密工程Key words： laser facility；KDP crystal；assembly deformation；point-supporting；frequency conversion efficiency1 引言终端光学组件作为高功率固体激光装置中末端的核心单元，其主要功能之一为将波长为1 053 nm的高能红外激光转化为波长为351 nm 的紫外激光。

激光核聚变的发展_邀请论文_

第37卷第9期中国激光Vol.37,No.92010年9月CHINESE JOURNA L OF LASERSSepte mber ,2010文章编号:025827025(2010)0922202206激光核聚变的发展(邀请论文)林尊琪(中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理国家实验室,上海201800)摘要概述了激光的诞生以及激光核聚变(主要是神光装置)的发展历程和应用前景。

关键词激光;核聚变;能源中图分类号 TN241 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103709.2202Pr ogress of La ser Fu sion(Invited Pa per)Lin Zunqi(Nat iona l La bor a tor y on Hig h Power La ser a nd Physics ,Shan ghai In st itu te of Optics an d Fin e Mechan ics ,Chin ese Aca dem y of Sciences ,Sha ngha i 201800,China )Abstr a ct The inve ntion,progre ss and prospects of lase r fusion (mainly SG laser dr ive r systems)ar e summar ize d.Key wor ds laser ;fusion;ener gy收稿日期:2010207220;收到修改稿日期:2010207230作者简介:林尊琪(1942-),男,高功率激光技术专家。

2003年当选为中国科学院院士。

现任中科院上海光机所研究员,学术委员会副主任;高功率激光物理国家实验室总师;国家高技术863下属领域专家委员会顾问。

从事激光惯性约束核聚变,高功率激光驱动器和X 光激光研究等。

近年负责并圆满完成国家项目神光Ò工程的技术工作,在项目研制工作中提出多项新方案,组织及实施技术攻关,解决了一度制约神光Ò工程进展的众多科学技术难题,使装置性能全面达到国际先进水平,为实现我国激光核聚变驱动器研究能力的重大跨越做出了关键性的贡献。

美国国家点火装置

国家点火装置建设和试运转完成后，2010年将开始进行正式点火实验。调试工作包括进行一系列优化和测试实验，以获取点火实验所必需的关键激光参数和点火靶参数。这些调试工作将在第一次点火打靶前完成。点火实验对靶工作性能的要求主要体现在：力能学性能、对称性，激波时序以及靶丸流体动力学。作为国家点火攻关项目的一部分，有关上述关键环节调试工作的详细计划和理论模拟工作目前正在进行。调试和诊断方法的研究正在现有的若干装置上进行。其中包括美国罗切斯特大学激光能学实验室的OMEGA激光装置，桑迪亚国家实验室的Z装置和洛斯阿拉莫斯国家实验室Trident激光装置，正在开展的制靶工作由美国通用原子公司（General Atomics），劳伦斯里弗莫尔国家实验室和洛斯· 阿拉莫斯实验室负责。
基本介绍
美国国家点火装置（NIF）（即激光聚变装置）是与“神光”计划一样的工程，由位于美国加利福尼亚州劳伦斯· 利弗莫尔国家实验室研制。1997 年工程正式开始建设。“国家点火装置”产生的激光能量将是世界第二大激光器、罗切斯特大学的激光器的 60倍。科学家希望该激光器能模仿太阳中心的热和压力，用以创造核聚变反应
作用加州州长施瓦辛格在落成典礼上发表讲话说，这一激光系统的建成是加州和美国的伟大成就，它将有可能使美国的能源结构发生革命性变化，因为它将教会人们驾驭类似太阳的能量，使其转变成驾驶汽将外部激光增强10000倍，然后将一束激光分离为48束激光，再增强，进一步分离为192束激光，其总能量增加到原来能量的3000万亿倍，再聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上，产生 1亿度的高温，压力超过 1000亿个大气压，进而引发核聚变。每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光——这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些Ｘ光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。X 光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。释放的能量将是输入能量的15倍还多。这是因为激光在镜面之间来回反射，并通过3000块磷酸盐玻璃，其中的钛原子会使激光束扩大。利弗莫尔有850名科学家和工程师。另外大约有100名物理学家在那里设计实验。NIF的问题是它的激光每几小时只能发射一次。Mercury激光的方案已经在计划中。它不一定比NIF更大，它的目标是每秒钟发射10次脉冲。

国家点火装置(NIF)靶丸聚酰亚胺突起的形成与表征

国家点火装置（NIF）靶丸聚酰亚胺突起的形成与表征突起满足当前的厚度和均匀性/粗糙度规范需要参考ICF靶丸内部组件。

我们已经开发出一种真空成型技术将小于100纳米厚的聚酰亚胺薄膜纳入部分符合腔体组件中。

突起的表征已经由内部计量系统通过衡量他们的粗糙度和厚度分布来完成。

本文将对突起成形技术和这些突起在靶丸腔体组件中的表征结果进行审查。

I. 目的突起材料需要足够坚硬并而在张力减少空间振荡下保持牢固，同时要能承受在目标插入过程中产生的加速度。

突起材料的粗糙频谱必须满足烧蚀体粗糙度NIF标准。

最后,材料需要透明的从目标腔壁中释放的x射线能量。

Luxel公司专门从事生产和组装的超薄(大约10 纳米)聚酰亚胺(PI)的薄膜。

预计聚酰亚胺将满足所有的材料要求，为NIF靶丸突起提供服务。

II. 真空成型聚酰亚胺突起机加工模具用于将真空形成聚酰亚胺薄膜制成锥形形状，接近于NIF靶丸顶点曲率半径。

这个设计是用来控制薄膜从靶丸中分离。

部分弹性恢复(~ 20%)用于模具设计中，在将顶部和底部的突起放置于靶丸上时，可以生产出足够的预加载。

这可以使靶丸及外侧相对于腔壁位置进行定位。

垂直定位是由微分预加载顶部和底部之间的突起进行控制。

图1显示了一个突起(成品厚度的400纳米)是由一个锥形的凹模具制作的。

它首先放在一个平面上，依附一个硬环，浇铸成PI薄膜。

然后放置在模具上和抽空变形到模具型腔中。

一旦回到环境压力下，顶点可恢复到在真空状态下，大约最大位移的80%。

图1 真空成型的聚酰亚胺突起III. 计量系统一种定制的测量系统已用于对薄膜突起装配前及大量聚集在腔体中后的情况进行测量。

量化表征包括地形几何和超过突起的膜厚度。

图2显示了这个系统，它由三个主要的工具组成：一个并联机床定位器，一个地形传感器和膜厚度传感器。

定位器类似一个六条腿的并行结构机械手或昆虫。

在15 mm3工作容积中，它可进行大约50纳米的重复性工作。

定位器根据地形和厚度传感器进行光栅扫描样品。

美国神光：国家点火装置（NIF）探秘

美国神光：国家点火装置（NIF）探秘中美激光驱动器先后打破原有功率记录这是一张NIF装置全貌的合成照片，三层楼高的建筑内围绕靶室挤满了激光器和诊断设备。

美国国家点火装置是一座激光核聚变装置（ICF）。

由劳伦斯利福摩尔国家实验室建造，位于加州利福摩尔市。

一旦点火成功之后就能自给自足长期形成形成聚变能量的输出。

这是国家点火装置内的一套升降系统，技术人员可利用它对靶室内部进行检查和维修。

这个圆形靶室直径为10米，由10厘米厚铝质材料预制后焊接而成，上面覆盖厚厚的混凝土以吸收聚变反应产生的中子。

靶室上的孔洞不仅允许192束激光进入靶室，而且也能让技术人员观察诊断情况。

这是国家点火装置130吨重靶室中最大的单一部件。

6片对称和12片非对称组件先由西弗吉尼亚州雷文斯伍德铝轧厂浇注，然后运到法国克勒索卢瓦尔工业区由当地的巨型冲床加热定型，再运到宾夕法尼亚州纽约精密部件公司裁剪和拼接。

这是靶室在劳伦斯利弗莫尔国家实验室安装时的情景。

1999年6月10日，直径10米的靶室正在劳伦斯利弗莫尔国家实验室吊装到位。

用来安装这台球形真空容器的起重机也是世界上最大的。

NIF的设计原理是让激光形成的极大高温高压作用于一小颗氢燃料球以启动核聚变反应。

工人们正在国家点火装置靶室内安装设备。

建造工作始于1997年，但由于问题诸多进展速度一直缓慢，同时因为参杂了与核武器相关的实验而招致批评，结果原本5年的计划却延宕了四次而且预算也严重超标，到目前已经耗资30.5亿多美元。

NIF的科学家希望在2012年实现核聚变的既定目标。

这是国家点火装置内安放96台激光装置的镭射湾，混凝土结构的底座上是192束激光的通道。

这张照片摄于2002年1月，看到的画面是国家点火装置内安装的动力调节系统。

该系统内的高压电缆总长度超过160公里，为7680盏闪光灯提供能源。

在巨型靶室安装完毕之后，7层高的围墙和屋顶也将随之竣工。

整套NIF装置有6万种不同的高科技设备，包含电路、高压电、光学、机械构造、自动透镜、能量感应器、监视器、激光、和一整套电脑诊断安全系统。

大口径N41型激光钕玻璃的小信号增益

大口径N41型激光钕玻璃的小信号增益温磊;陈林;陈伟;胡丽丽;吴谊群【摘要】比较了国内外高功率激光钕玻璃的主要性质及发展状态,重点分析了中国科学院上海光学精密机械研究所近年来研制的大口径N41型激光钕玻璃的物理性能及其在400mm口径片状放大器系统中的增益特性.利用优化片状放大器技术方案,测定了N41钕玻璃与N31～42钕玻璃的小信号净增益系数和大口径增益均匀性.实验显示,在相同测试条件下,N41型钕玻璃的某些关键性能参数优于N31型钕玻璃;在相同抽运条件下,N41钕玻璃和N31钕玻璃的平均小信号净增益系数分别达到5.3％和5.16％,远优于神光-Ⅲ主机N31～35钕玻璃的在线测试结果;385mm口径内N41钕玻璃增益均匀性为1.085∶1,N41钕玻璃的包边性能满足装置使用要求.结果表明:新型N41钕玻璃的增益性能较N31钕玻璃有了显著提升,在放大器结构优化的条件下,可满足下一代ICF激光驱动系统的需求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)012【总页数】6页(P2925-2930)【关键词】激光聚变;激光材料;N41钕玻璃;增益性能;小信号增益系数【作者】温磊;陈林;陈伟;胡丽丽;吴谊群【作者单位】中国科学院大学,北京100049;中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术研发中心,上海201815;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900;中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术研发中心,上海201815;中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术研发中心,上海201815;中国科学院上海光学精密机械研究所高密度光存储技术实验室,上海201800【正文语种】中文【中图分类】TN244目前用于惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion, ICF)研究的激光驱动器，如美国国家点火装置(National Ignition Facility,NIF)、法国兆焦耳装置(Laser MegaJoule,LMJ)与中国的神光-Ⅱ、神光-Ⅲ装置等，均采用了以大口径钕玻璃为增益介质的放大器系统，该系统是装置的重要组成部分[1-2]。

国家点火装置(NIF)点火靶制备技术研究进展

h t t p:∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理㊃38卷(2009年)12期国家点火装置(N I F )点火靶制备技术研究进展杜凯† 唐永建(中国工程物理研究院激光聚变研究中心绵阳 621900)摘要文章介绍了国家点火装置(N I F )点火靶制备技术在近年来取得的一些最新进展,主要内容包括芯轴与靶丸的制备,氘氚(D T )冰层的均匀化等方面.关键词国家点火装置(N I F ),靶丸,柱腔P r o g r e s s e s o fN a t i o n a l I g n i t i o nF a c i l i t y t a r ge t D U K a i †T A N G Y o n g -J i a n (L a s e r F u s i o nR e s e a r c hC e n t e r ,C h i n e s eA c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s ,M i a n y a n g 621900,C h i n a )A b s t r a c t T h e l a t e s t d e v e l o p m e n t s o f t h eN a t i o n a l I g n i t i o nF a c i l i t y ’s i g n i t i o n t a r g e t ,i n c l u d i n g t h e p r e p -a r a t i o no f t h eB e a n dC Hc a p s u l e s ,A u /D Uc o c k t a i l h o h l r a u m ,a n dD Ti c e l a y e r i n g ,a r e r e v i e w e d .K e y w o r d s N a t i o n a l I g n i t i o nF a c i l i t y ,c a p s u l e ,h o h l r a u m 2009-11-10收到†通讯联系人.E m a i l :i c f 802@163.c o m 惯性约束聚变(I C F )是依靠热核燃料和推进层剩余质量的惯性对高温高密度热核燃料进行约束,使其实现热核聚变,从而获取聚变能的方法[1].在军事领域,I C F 可以用于指导武器的设计;在民用领域,惯性聚变能(I F E )的成功开发可以为人类提供取之不尽㊁用之不竭的清洁能源.因此,包括美国㊁法国㊁日本㊁俄罗斯和中国在内的世界许多国家从上世纪60年代开始就坚持不懈地进行I C F 研究工作.I C F 研究近期的主要目标是实现聚变点火(局部热核反应产生的能量能加热周围的部分冷燃料达到热核反应所需的温度,为继续反应创造条件).为此,美国和法国相继开始建造能量超过1M J 的大型激光装置国家点火装置(N I F )”和兆焦耳激光装置(L M J )”.由于L M J 相关公开报道较少,本文主要介绍N I F 点火物理实验用靶研制的进展情况.1 N I F 概况N I F 装置位于美国劳伦斯㊃利弗莫尔国家实验室(L L N L ),是一个由192束固体钕玻璃激光组成的庞大系统[2,3].N I F 计划开始于1995年,其主要目的就是为了在实验室内获得I C F 点火并开展相关的高能密度物理实验研究.N I F 装置设计的到达靶的激光能量~1.8M J ,脉冲峰值功率500TW ,激光波长350n m ,打靶能力~1000发/年.该装置的实验室建设于2001年完成.在2002年开展了N I F 早期光(N E L )实验,实验演示了N I F 的设计性能及装置的可操作性.2008年9月,最后一组8束束线完成试运行,总输出能量达到4.22M J (红外).预计该项目将于2010年3月完成.2 N I F 点火靶设计为了实现点火目标,点火靶在设计上必须满足能量㊁对称性㊁冲击波时间及流体力学等几个方面的要求.设计时必须考虑激光器的最大能量㊁峰值功率㊁功率平衡及瞄准精度;还要考虑靶参数与理想状况的偏差,如靶丸与燃料表面的粗糙度,外形尺寸及材料组成和密度的变化等.在N I F 基准点火靶设计(如图1所示)中[4 7],采用了两种不同的靶丸材料:一种是铍(B e )掺铜(C u );另一种是碳氢(C H )掺锗(G e ).靶丸直径约2m m.掺杂材料在母体材料中的浓度沿径向变化.掺杂浓度的变化极大地改善了靶丸的流体力学稳定性,屏蔽X 射㊃419㊃中国工程物理研究院建院50周年物理㊃38卷(2009年)12期 h t t p:∕∕w w w.w u l i .a c .cn 图1 N I F 点火靶示意图线射入球壳最内层并保持其密度接近于氘氚(D T )燃料密度.柱腔的长度与直径根据靶丸材料的不同略有差异,分别为10mm 和5.5mm 左右.柱腔材料采用三层结构:最内层为金(A u )保护层,为了减少激光与A u 等离子体相互作用引起的散射,特别是受激布里渊散射(S B S ),在A u 保护层中适量掺入元素硼(B );中间层为适当厚度(大于7μm )的铀(U )层;最外层为30μm 厚的A u 支撑层.为了抑制腔壁高原子序数(Z )等离子体过快移动,改善腔内辐射场的均匀性,柱腔内要填充低压混合气体或者超低密度(1m g /c m 3)二氧化硅(S i O 2)气凝胶材料.3 研制进展情况3.1 靶丸3.1.1 B e 靶丸通用原子公司(G A )与L L N L 采用物理气相沉积(P V D )技术制备B e 靶丸.首先采用磁控溅射技术在聚合物微球表面镀上一定厚度的B e 或B e C u 涂层,然后通过热降解除去聚合物微球,得到空心B e 或B e C u 微球.这可能是唯一一种能够制备梯度C u 掺杂B e 靶丸的技术.相关的研究工作在20世纪90年代已经开展.A l f o r d 等[8]研究了不同制备条件下B e 膜的性质,重点关注如何改善薄膜表面形貌和微观结构.实验结果表明,基底加偏压有助于改善薄膜表面质量,加120V 偏压时,薄膜均方根粗糙度从150n m 降至40n m ,同时晶粒尺寸有所降低而薄膜密度有所提高.X R F 分析表明,在120V 偏压条件下,薄膜内有氩粒子存在,偏压小于或等于80V 则不存在.在沉积过程中通入氮气,氮化物的形成降低了晶粒尺寸,粗糙度下降至60 70n m.X u 等[9]在2006年已经在C H 空心微球表面制备出50μm 的B e 球壳.扫描电子显微镜(S E M )断面分析表明,B e 为柱状结构.A F M 功率谱分析B e 球壳的均方根表面粗糙度在101 1000模数之间为282n m.膜层密度约为95% 96%块体B e材料密度.C u 掺杂B e 球壳的制备采用B e 与C u 的共溅射.M c E l f r e s h 等[10]通过细致的研究发现:如果每天按照正常的工作时间停止实验,涂层中的B e 保持柱状结构,当达到一定厚度时,生长方式由柱状生长转变为颗粒引发增长.如果保持连续沉积,则转变为扭曲的”生长方式,这时得到的涂层密度较低.降低沉积速率可以抑止扭曲”生长.实验没有发现C u 掺杂含量对涂层微观结构的影响.图2 精密加工制备B e 靶丸示意图L A N L 的N o b i l e 等[11]采用扩散连接方法制备B e C u 合金靶丸.首先在合金棒料上精密加工相应的半球,然后通过真空扩散的方式将两个半球连接在一起,最后再通过精密加工形成合金球壳(如图2所示).冲击波通过晶粒的速度是晶粒方向的函数,为了避免冲击波通过时造成的不稳定性增长,必须保证合金材料的晶粒小于10μm.比靶丸壁厚小的晶粒尺寸也是保证B e C u 合金具有多晶材料强度的条件.另外合金材料中杂质的浓度必须小于100%/Z 2,Z 是杂质元素的原子序数.具有精细晶粒结构的B e 及B e 合金一般采用粉末热等静压方法制备,但是该方法制备的B e 及B e 合金在晶粒的边界处有大量的氧杂质存在.为此开发了真空电弧熔化技术,通过反复地熔化和酸刻蚀除去杂质.通过真空熔化技术获得的B e C u 合金晶粒呈柱状且尺寸较大,为此采用等通道角挤压成型技术(e q u a l c h a n n e l a n g u l a r e x t r u s i o n ,E C A E )细化晶粒.E C A E 技术是将合金材料强制通过一个特殊设计的通道,使其产生极大程度的应变,从而细化晶粒.B e 靶丸的优点之一在于它在室温下能承受40M P a 的压力,因此可以避免靶丸始终处于燃料的冷冻温度下.为了满足上述要求,两个半球的连接强度必须接近金属B e 的强度.采用在连接表面沉积一层金属薄膜(1μm A l )的方法,可以提高连接强度.由于㊃519㊃中国工程物理研究院建院50周年h t t p :∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理㊃38卷(2009年)12期和C 反应,一般认为金刚石刀具不适用于B e 的加工.但实验发现,对于小样品(2m m )采用金刚石刀具可以获得光滑的表面(粗糙度为18n m ).平面样品的抛光实验表明,对于纯B e 采用50n m 的S i O 2悬浮抛光液可以获得很好的效果,而B e C u 样品也可以满足点火靶丸的需要.A l e x a n d e r 等[12]采用上述技术,在工艺优化的基础上,获得了化学均匀性与纯度很好的B e -C u 合金样品,没有空穴和偏析现象,样品连接强度高,且连接面窄.采用磁控溅射技术制备B e C u 靶丸内表面含有一层C H ,这对靶设计而言并不是问题,但在实际应用中则不然.因为B e 的热膨胀系数远远小于C H ,在冷冻的条件下(~18K ),C H 层可能从球壳上脱离,因此必须事先将C H 层除去.C o o k 等[13]发展了热裂解技术除去C H 层的理论模型与实验技术.首先在靶丸表面打一微孔,然后在一定温度下将C H层热裂解成C O 2和H 2O 等气体产物排出.实验证明该方法是有效的,但仍然有极小(1μm 宽,10 20n m 高)的碳基沉积物残留在靶丸内表面,而B e层的氧化程度还需要进行更详细的计算.3.1.2 C H 靶丸相对于B e 靶丸,C H 靶丸具有透过率高,可以实现D T 冰层的光学测量与红外加热,结构致密无微缺陷且表面光洁度高等特点[14].C H 靶丸制备首先采用辉光放电聚合技术(G D P ),在聚α甲基苯乙烯(P AMS )微球表面制备C H 涂层,然后在一定温度下将P AM S 热降解为小分子气体除去.点火物理实验对靶丸有非常苛刻的要求:如高的表面光洁度,在模数1001000之间均方根粗糙度须小于24n m ;精确的掺杂浓度与涂层厚度,浓度偏差必须小于0.15a t %,总的涂层厚度偏差须小于2.7μm [5];较好的热稳定性等.因此C H 靶丸的制备技术研究,主要围绕靶丸壳层的表面粗糙度问题㊁靶丸强度问题㊁G e 掺杂浓度控制与厚度控制精度问题以及靶丸芯轴去除等多个方面开展研究工作.影响C H 靶丸表面粗糙度的主要因素包括涂层制备参数㊁芯轴表面形貌与状态㊁靶丸涂镀过程中的碰撞与瞬态成核等.涂层制备参数的优化研究发现,不同的工作压力条件下,C H 涂层具有不同的生长结构,导致其表面粗糙度有较大差异;随着反式丁二烯/氢气(T 2B /H 2)流量比例的减小,C H 涂层的表面粗糙度逐渐减小[15].芯轴表面形貌极大地影响C H 靶丸表面粗糙度,聚α甲基苯乙烯(P A M S )芯轴表面的低模数突起是C H 涂层低模数粗糙度增大的因素之一[16].在靶丸涂镀过程中,微球之间㊁微球与器壁之间的碰撞是靶丸表面产生突起等缺陷的重要因素[17].相比传统的跳动激励方式,采用滚动激励装置可以有效地减少C H 靶丸表面突起缺陷,降低低模数粗糙度.影响C H 靶丸强度的因素主要包括工作压力㊁气体流量比例等[18 20].研究发现,随着工作气压的降低,C H 涂层强度逐渐增大;在较低的工作气压下,C H 涂层强度随T 2B /H 2流量比例的减小而增大;当工作气压较高时,C H 涂层强度随T 2B /H 2流量比例的变化不明显[19].当氢气流量较高时,C H 涂层强度随T 2B /H 2流量比例减小不是单调增加,而是先增大后减小,出现极值.3.1.3 打孔与充气由于B e 对氢同位素是非渗透的,同时为了避免高压放射性气体(主要是氚)操作时带来的危险,靶丸燃料气体的填充采用打孔注入的方式.在点火靶设计中,充气小孔的直径为5μm ,带有一直径为12μm ㊁深40μm 的沉孔.靶丸打孔技术包括放电加工(E D M )㊁飞秒激光加工及聚焦离子束(F I B )等.打孔的困难在于其纵横比(深度与直径之比)大(约35),而E D M 与F I B 对固体金属材料加工的纵横比一般为18和12.F I B 的优势在于它具有在线S E M 观察的能力,能够提高沉孔与微孔的相对位置精度.W i l k e n s 等[21]采用F I B 技术,在镀46.9μm 的C H 芯轴上获得了15μm 的微孔.实验中发现了由于材料的再沉积造成的堵孔现象,因此采用F I B 技术在50μm 厚的B e 壳层上打5μm 的微孔几乎是不可能的.A r m s t r o n g 等[22]开发了专门用于深孔加工的飞秒激光装置并在B e 箔上获得了纵横比达到41的微孔.实验发现,微孔另一端的形状和激光特性有关.充气管材料采用玻璃或者聚酰亚胺[23].将商品毛细管加热拉伸至外径10 12μm ,内径5 6μm ,然后置于靶丸沉孔中用紫外光固化胶固定,胶的用量小于2p L .图3给出了连接充气管的B e 靶丸照片和S E M 照片.图3 连接充气管的B e 靶丸照片(a )和S E M 照片(b )㊃619㊃中国工程物理研究院建院50周年3.2 D T冰分层根据N I F点火物理设计,点火靶中的燃料主要由靶丸中一层75μm厚的D T冰层组成,该冰层必须厚度均匀,在50μm 1mm的空间尺度内满足粗糙度小于0.8μm的能量谱密度(P S D)曲线,没有体积超过1.5μm3的空穴,在内表面的孔隙总体积小于0.2%[24].在美国,冷冻靶的研究历史已有30多年.目前已开发出红外加热㊁快速冷冻㊁β分层等多项D T冰层均匀化技术,其中只有β分层技术可以较好地满足N I F点火靶设计要求[25].该技术是利用氚的β衰变释放一个平均能量为6k e V的电子,这种电子在固体D T冰中的自由程只有2 3μm,因此能量可以局域沉积并均匀加热D T冰.在一个球形对称的靶丸表面,由于β加热引起的径向温度梯度导致较厚部分的D T冰升华,沉积在温度较低㊁较薄的区域.如果靶丸表面刚好处于D T三相点(19.79K)之下, D T冰会最终形成均匀的厚度分布.D T冰层的表面粗糙度定量分析采用X射线相衬成像技术(适用于不透明B e靶丸和透明C H靶丸)和可见光阴影成像技术(只适用于透明C H靶丸).N I F点火设计要求D T冰层温度低于三相点温度1.5K,以满足点火物理实验对D T蒸气的需要.一般的冷冻D T冰层的制备方案如下:首先在靶丸内充入D T液体,将其冷冻至凝固点1K以下;接着缓慢升温融化D T冰至只留下100 200μm大小的晶核”;然后以低于1m K/m i n的速率降温到三相点之下1.5K,恒温形成均匀D T冰层.实验表明:均匀的D T冰层可以在三相点附近形成,但随着温度的降低,冰层均匀性变差.当降温速率在1m K/m i n 或更低时,这种粗糙化现象会减少,但同时产生较多不连续的晶界特征[26].这些晶界的典型深度为15μm,宽度为45μm,超过了点火靶设计允许的范围.为此提出了一种迅速冷却”的方案,即首先缓慢降温至低于三相点0.25K,然后在5 25s内将温度降至三相点之下1.5K.目前的研究主要集中于确定最佳的冷却方案,以保证在达到所需温度之前不出现超过允许范围的缺陷.另外,靶丸的迅速冷却依赖于整个冷冻靶系统(包括柱腔).靶丸温度与柱腔温度的时间延迟也需要实验进行详细研究.3.3 柱腔尽管与直接驱动I C F相比,间接驱动可以提供更加均匀的驱动能,但却要承受激光-X射线转换过程中的能量损失.现阶段间接驱动I C F实验一般采用A u作为激光-X射线转换柱腔材料.在O m e g a装置上进行的实验及理论模拟表明,在A u 中掺入高Z元素可以减少X射线渗透进入柱腔壁造成的能量损失,从而有效地改善柱腔的激光-X 射线转换效率.根据计算结果,采用贫铀(D U)可以降低17%左右的能量损失[27].N I F最初的物理设计采用A u,D U和D y等金属的混合材料[28],由于在实验过程中发现D U的氧化严重,因此改为D U和A u的交替多层柱腔.其结构如下:最内层是厚度小于0.5μm的A u保护层;中间层是D U和A u交替的鸡尾酒”层,总厚度不小于7μm,由75a t%的D U 和25a t%的A u组成.为了保证对通过柱腔传播的辐射波而言组成是均匀的,每一层的厚度必须足够小(根据组成确定D U层厚度为30n m,A u层厚度为8.2n m);最外层是约30μm厚的A u支撑层,同时为柱腔提供结构强度和D U的腐蚀防护.D U/A u 鸡尾酒”柱腔制备主要涉及芯轴制备㊁鸡尾酒”材料涂层的制备㊁二次加工和芯轴腐蚀等四个过程,具体工艺流程如图4所示.图4 鸡尾酒”柱腔制备工艺流程鸡尾酒”柱腔的芯轴基底材料为A l,采用金刚石车床加工至所需尺寸,表面均方根粗糙度好于20n m,然后依次磁控溅射2μm的C u,电镀3μm的A u,电镀0.2 0.5μm的A u保护层.由于芯轴是整个柱腔制备的基础,对柱腔质量有非常关键的影响,因此电镀过程的电流密度等参数必须仔细选择,以优化芯轴的表面质量与热传导率等.制备鸡尾酒”材料涂层的磁控溅射装置包括6个固定的靶枪和一个旋转的工件夹持臂(见图5)[29].夹持臂上的工件夹持器与靶枪相互对应并旋转.通过计算机精确控制夹持臂的位置以保证每个芯轴的镀膜时间.涂层技术的关键在于如何减少涂层的应力,这种应力会造成柱腔的变形甚至破裂. W i l k e n s等[29]的工作表明,加热芯轴有利于降低膜㊃719㊃中国工程物理研究院建院50周年物理㊃38卷(2009年)12期 h t t p:∕∕w w w.w u l i.a c.c nh t t p :∕∕w w w.w u l i .a c .c n 物理㊃38卷(2009年)12期图5 鸡尾酒”柱腔制备用磁控溅射系统层的应力.二次加工的目的是在柱腔上制备出L E H 和用于D T 冰层X 射线照相的 s t a r b u r s t ”.在二次加工后,必须在加工后所暴露出的表面镀约10μm 的A u,以避免D U 层在随后的腐蚀㊁保存及装配过程中的氧化腐蚀.D U 是一种极易氧化的金属,氧的存在首先会导致D U 晶格膨胀从而造成涂层破裂,其次会增加柱腔壁的离子化热容量从而降低柱腔的激光-X 射线转换效率,因此芯轴的腐蚀过程必须仔细控制,确保D U 不与腐蚀液(A l 芯轴采用N a O H溶液,C u 保护层采用稀H N O 3溶液)反应.A l 芯轴的腐蚀需要10多个小时,而C u 保护层则只需要几分钟.C u 层的腐蚀需在显微镜下控制进行,一旦标志C u 与稀H N O 3溶液反应的氢气泡消失,应立即将柱腔取出.实验证明,电镀的0.2 0.5μm A u 层并非完美的保护层,腐蚀液有可能通过涂层中的微孔或针孔渗透并与D U 反应.一旦A u 层开始形成微裂缝(由于D U 与腐蚀液的反应造成),那么由于氧化造成D U 层不能恢复的损失将无法避免,因此采用镀C u 的A l 芯轴比采用纯C u 芯轴更为有利.由于柱腔的激光-X 射线转换效率实验只有在对柱腔材料组成有确切了解的基础上才有意义,因此对多层鸡尾酒”柱腔的组成及其影响因素需要进行详细的研究.俄歇电子能谱(A E S )分析表明[30],由于阴影效应”的影响,在柱腔表面制备的鸡尾酒”涂层和在平面基底上制备的涂层样品的结构并不相同(见图6).在平面基底上沉积的鸡尾酒”涂层均匀平整,存在明显的A u /D U 界面;在O m e g a 级芯轴表面的涂层则起伏不平,在A u /D U 多层间存在明显的混合.经过仔细工艺控制后获得的柱腔涂层中的氧含量小于5%,满足N I F 点火靶设计要求.D U /A u 鸡尾酒”柱腔在制备过程中仍存在一些难以根本解决的困难,因此在最新的靶设计方案图6 鸡尾酒”涂层材料原子百分含量的A E S 分析 (a )平面S i 基底;(b )O m e g a 级芯轴中采用了前述的三层结构[5].和鸡尾酒”柱腔相比,这种柱腔的制备难度有所降低,但芯轴的腐蚀和U 层的抗氧化防护仍是需要解决的关键问题.4 结论N I F 点火靶是复杂而且精细的,需要在材料制备㊁精密加工与装配㊁低温冷冻技术等领域取得巨大进展的基础上才能实现.经过十多年的努力,在靶丸制备㊁充气与冷冻㊁柱腔涂层制备与芯轴腐蚀等方面已经取得了卓有成效的进展.到目前为止,没有发现完成点火靶研制道路上存在不可克服的科学和技术难题.相信在最近的两三年内,N I F 能够实现当初确定的点火目标.参考文献[1] 张钧,常铁强.激光核聚变靶物理基础.北京:国防工业出版社,2004[Z h a n g J ,C h a n g T Q .F u n d a m e n t so f t h eT a r g e tP h y s i c s f o rL a s e r F u s i o n .B e i j i n g :N a t i o n a l d e f e n c e I n d u s t r y P r e s s ,2004(i nC h i n e s e )][2] C a m p b e l lE M ,H o g a n W J .P l a s m aP h y s .C o n t r o l .F u s i o n ,1999,41:B 39[3] M o s e s a E I ,B o n a n n oRE ,H a y n a mCA e t a l .E u r .P h y s .J .D .2007,44:215[4] H a m m e l BA.P l a s m aP h y s .C o n t r o l .F u s i o n ,2006,48:B 497[5] H a a nS W ,C a l l a h a n D A ,E d w a r d s M J e ta l .F u s i o nS c i .T e c h n o l .,2009,55:227[6] J a q u e zJS ,N i k r o o A ,W i l k e n s H L .F u s i o nS c i .T e c h n o l .,2009,55:313[7] H a n nS W ,H e r r m a n n M C ,A m e n d tP A e t a l .F u s i o nS c i .㊃819㊃中国工程物理研究院建院50周年。

激光聚变中的激光等离子体物理——访中科院上海光机所沈百飞研究员

靶的高度非线性相互作用，产生了空间上受限的超
高密度（１０讯ｍ３）相对论性等离予体新效应（Ｐｈｙｓ．
Ｐｌａｓｍａｓ，２００１，８，１００３｛；研究了囊空和等离子体尾
波弱电子麓速，撵逝利用纳米缝丝来控裁电子在等离子体空泡（一种特殊的三维尾场结构）中的注入和
加速，在高能电子荣其他性能不变的情况下，总电荷数远大于反向激光控制法（反向激光控制法发表在２∞６的（Ｎａｔｕｒｅ）上；《Ｐｈｙｓ。Ｐｌａｓｍａｓ．２００７，｛毒，０５３１１５），研究了真空中的电子力ａ速，提出了获得驻
础上进行深入的磷究。这本书毙较系统缝总结了聚交
物理方面的研究戚粟，对我们攀糖相关知识，进行进
一步研究有很大帮助。因此我翻译了这本书，希塑能
为促进我国激光聚变研究的进步，起到一定的作用。
６４Ｎｏｖ万．２方００数８据
ＶＯＬ．４５ＮＯ．｛１
Ｆ乏声蠢ＵＲＥ
编辑：您翻译这本著作花了好几年的时间，能否介绥一下这个过程？沈嚣飞：这是一本惯性约束聚变物理方面的专著，篇
内专门介绍惯性约柬聚变物理的公开出版的专著也就三翻本。我相信本书巾译本的发行对国内惯性约束聚变物域的研究和教
学都将起非常积极的推动作用。
——Ｅ海交通大学教授、长瀛学者盛政明
在镜源残势全球翊题酶今天，横缝约索聚变成秀各鬻薷遽关注豹焦轰。阕时，惯性终寨蒙褒骚究掰涉及酶物理、工霆技拳糊题也体现了一个国家科学技术的综含实力。美国国家点火装置（ＮＩＦ）按计划将于２０１０年征溅运行，这项耗资数十亿美元的科学项目及与之相关的强激光与等离子体相互作用物理引起学术界的广泛兴趣。由惯性约束聚变理论方面的国际著名专家ｓ．Ａｔｚｅｎｉ和Ｊ．Ｍｅｙｅｒ－ｔｅｒ－Ｖｅｈｎ教授的合著ＴｈｅＰｈｙｓｉｃｓｏｆＩｎｅｒｔｉａｌＦｕｓｉｏｎ涉及了基本概念、重要公式及聚变过程中的生要物理过程，包括孩聚变反应移熊麓增益、球形靶的蠹爆惯性约豪以及点火程燃烧、漉体渤力学程不稳定缝、热稠密等离子体、寒靶相互雅震翔俊点灭方案等。除了严格豹理论撩静，这本书还彝读卷介绍了一些薅决实际闻蘧酶方法，ｉｉｉｉ这对于读者可巍是更重要懿。奉粥译者沈百飞研究员多年从事强激光均等离子体相互作用的研究，在强激光粒子加速等方筒取得了一系列鲎黉研究成果。他的译作《惯性聚变物理》文字简洁精练，语言科学严谨，非常适合从事惯性约束聚变物理研究的同行参考。

揭秘“人造太阳”：模拟恒星能量输出

揭秘“人造太阳”：模拟恒星能量输出在实验室中创造一个“人造太阳”是科学家们长久以来的梦想。

这个梦想的核心是实现一种能够模拟恒星能量输出的装置。

通过这种装置，我们可以在地球上创造出类似于太阳的环境，从而深入研究恒星的运作原理，并在能源领域开辟新的可能性。

在揭秘这个神秘装置之前，让我们先来了解一些关于恒星能量输出的基本知识。

恒星，如我们的太阳，是通过核聚变反应产生能量的。

在这个过程中，氢原子核在极高的温度和压力下融合成氦原子核，同时释放出巨大的能量。

太阳每秒钟大约会产生400万吨的能量，这些能量主要以光和热的形式传播到地球上，驱动着自然界的生态循环和人类社会的进步。

要模拟恒星能量输出，需要解决的是高温和高压的环境。

为了实现这一目标，科学家们研发出了一种被称为“磁约束等离子体核聚变”的技术。

这种技术通过强磁场将等离子体（一种高温的离子化气体）约束在一个特定的区域内，使其达到恒星内部的条件。

在这个过程中，等离子体中的氢同位素（如氘和氚）可以发生核聚变反应，从而产生大量的能量。

然而，要实现稳定的核聚变反应并非易事。

在实验室中，科学家们需要克服许多技术难题，如如何有效地约束等离子体、如何维持等离子体的稳定性以及如何收集和利用产生的能量等。

经过多年的努力，科学家们已经取得了一些重要的进展。

例如，国际热核聚变实验反应堆（ITER）就是一个正在进行中的大型国际合作项目，旨在证明核聚变能源的可行性。

在我国，科学家们也在积极开展核聚变研究。

例如，中国科学院等离子体物理研究所的研究团队已经成功实现了稳态聚变反应的实验。

他们的研究成果为未来人造太阳的实现奠定了基础。

除了核聚变技术，另一种模拟恒星能量输出的方法是利用激光驱动的惯性约束聚变。

这种方法通过激光对燃料靶进行压缩，使其达到极高的温度和压力，从而引发核聚变反应。

与磁约束等离子体核聚变相比，惯性约束聚变更接近实际的恒星环境，但在技术上也有其独特的挑战。

目前，世界上最大的激光聚变实验装置是美国的国家点火装置（NIF）。

激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置

激光惯性约束聚变的基本原理和点火装置中国工程物理研究院激光聚变研究中心粟敬钦1激光惯性约束聚变基本原理聚变反应是指由较轻原子核聚合生成较重原子核，并伴随着能量释放的过程。

根据爱因斯坦的质能关系，聚变放能的实质是把质量转换为能量。

聚变反应要求原子核有足够的动能克服静电排斥力。

聚变点火，是指当聚变放能大于驱动能量，热核系统温度自持地急剧上升并引发急剧放能的现象。

所谓燃烧，是热核系统点火后维持高温并持续放能的现象。

热核系统只有充分燃烧，才能获得高能量增益。

聚变反应能释放巨大的能量，实现可控的聚变反应是人类未来能源的希望。

聚变点火和燃烧必须在高温和高压下才能实现，而且要维持足够长的时间。

自然界中这样的热核反应只在恒星内部，由于恒星巨大的质量，通过万有引力约束高温高压等离子体，使聚变反应持续地进行下去。

在地球上要创造聚变的条件，主要采用磁约束聚变和惯性约束聚变两种不同途径。

惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，以下简称ICF）是利用激光或激光产生的X射线作驱动源，均匀地加热装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体并向外喷射，产生反冲压力，快速地向内压缩靶丸未加热的部分，使DT主燃料层密度达到每立方厘米几百克质量，并在DT燃料芯部形成高温高密度热斑，点燃聚变反应。

燃烧从中心向外迅速地在被压缩的主燃料层中传播，靶丸自身的惯性约束高温高密度燃烧需要足够长的时间，进行充分的燃烧后，放出大量聚变能，获得能量增益。

这就是ICF的中心点火的概念，可以归纳为四个阶段：靶丸加热、内爆压缩、聚变点火及聚变燃烧，如图1所示。

图1 惯性约束核聚变各阶段示意图1960年激光器问世不久，前苏联的科学家Basov和我国科学家王淦昌等就各自独立提出利用激光实现实验室聚变反应的建议。

自二十世纪七十年代初，随着激光技术的进步，ICF研究取得了实质性进展，正在向点火目标迈进。

美国美国劳伦斯里弗摩尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory，LLNL）于2014 年完成了高熵压缩的内爆实验，氘氚聚变中子产额接近1016，首次在实验室内实现了α 粒子自加热，核反应放能超过了聚变燃料的吸能，标志着聚变点火研究首次走到了“悬崖”底下。

大口径光学元件斜入射反射波前误差测量和计算

大口径光学元件斜入射反射波前误差测量和计算徐隆波;周游;朱日宏;刘世杰;郑万国【摘要】针对测量高功率激光驱动装置中大口径矩形反射光学元件的波前误差时测量角度和使用角度不完全相同引入的测量误差,提出了将测量角度下的反射波前转换到使用角度的反射波前的换算及恢复方法.首先分析了将斜入射测量角度下的波前转换到使用角度下波前的余弦换算方法,得到了实际测量角度与实际使用角度下的波前误差计算关系;然后计算并分析了双三次插值算法本身引起的中频PSD1(功率谱密度)误差,指出在满足有效口径测量的情况下,选择的入射角度应该与实际使用的角度尽可能的相接近.最后,基于410 mm×410 mm的熔石英反射镜开展了误差分析和实验验证.利用该方法将0°反射波前换算到45°反射波前,并将得到的测试结果与45°直接测量得到的测试结果进行了比较.结果显示上述结果的PV值相差0.01λ,RMS值相差0.003λ,PSD1值相差0.08 nm;表明该换算方法不仅能够准确计算出使用角度下反射波前的低频误差,而且能获得相对准确的中频段PSD1误差.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)012【总页数】6页(P3027-3032)【关键词】高功率激光装置;大口径光学元件;反射波前;波前误差;双三次插值;中低频误差【作者】徐隆波;周游;朱日宏;刘世杰;郑万国【作者单位】南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;中国工程物理研究院,四川绵阳621999;中国科学院强激光材料重点实验室,上海201800;南京理工大学电子工程与光电技术学院,江苏南京210094;中国科学院强激光材料重点实验室,上海201800;中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621999【正文语种】中文【中图分类】TH703惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion，ICF)是实现受控热核反应的一种方法，其驱动方式主要有高功率激光驱动、电子束驱动、轻离子束驱动和重离子束驱动。