中美俄三国激光核聚变装置透析:神光装置更具前景
神光Ⅱ升级装置建成后,其每束激光运行输出能量和能量密度应为3000J/3ns/3ω0,激光在3ω0输出位置~3J/cm2,为中等通量密度水平。围绕工程目标,为保证在中等通量情况下安全、稳定运行,神光升级工程FOA的设计需突破原有的设计思路。从2008年初开始,FOA项目组在神光Ⅱ装置升级工程总体技术组的组织协调下联合国内科技攻关团队,对FOA开展了第一阶段的攻关工作。
攻关项目组针对杂散光的管理、FOA光学排布设计冗余度模拟计算、气溶胶的管理控制与排除等工作难点,展开了深入细致的研究工作,制定了十余款安全措施以保证FOA安全工作。实验过程中,FOA组件实现3J/cm2以上三倍频激光输出通量14发,其中3ω激光输出通量最高为3.6J/cm2,相应三倍频激光输出转换效率最高约为70%。更重要的是,攻关项目组从FOA攻关工作前期就意识到了FOA气室中气溶胶及其它有关的问题,并在本轮实验中从多方面确证了FOA低压气室中在激光打靶瞬间产生了二十万级颗粒度极为有害的气溶胶环境,并且严重污染了FOA光学元件通光表面。实验首次揭示了气溶胶颗粒在FOA元件表面沉积所产生的破坏极可能是FOA元件首次遭到损伤的最重要原因。实验中以3ω0/3ns、3.6J/cm2最高能通量密度0°入射的会聚光穿过27DL小孔(500μm小孔)的过孔率为97%,过孔能量为2300J,获得了较为满意的结果。项目组目前正在研究并采取更有力的措施,梳导和排除气溶胶,从而在多层面意义上全面提升FOA光学元件的抗激光损伤能力。
实验结果表明FOA光路全系统冗余度数值模拟设计,合理精密装校,为强化FOA的高质量传输功能和聚焦穿孔能力奠定了基础;FOA首件验证的穿孔实验还具有初步总体验证的意义,将为升级装置达标奠定前期实验基础。
通过本次实验,项目组检验了第一阶段的工作,同时积累了实验数据,对FOA的工作也有了新的更深层次的理解,将为即将开展的第二阶段攻关工作提供有益的指导。
在2010年10月13日,年度中科院大科学装置运行年会上,神光Ⅱ装置报送的“利用神光Ⅱ装置强激光模拟太阳耀斑中环顶x射线源和重联喷流获得成功”的成果获大装置2009年度开放研究成果奖,这也是神光Ⅱ装置连续第二年获得此项奖励。本次年会上共有13个装置25项成果参与奖项评选,经专家组评审后,神光装置的实验成果名列第三。
2011年,中科院国家天文台赵刚研究组、中科院物理所李玉同研究组与上海交通大学张杰研究组以及其他合作者在神光Ⅱ高功率激光实验装置上联合完成了利用强激光成功模拟太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流。他们的工作证明了利用高功率激光,在实验室中创造与天体现象相似的极端物理条件为科学家们在实验室中对天体问题进行主动、近距、可控的研究提供了新思路和新方法,给天体物理研究带来了新的空间和新的方法。
太阳耀斑是离人类最近的天体剧烈释能现象之一,人们普遍认为其能量来源于太阳磁场,而磁重联是主要的释能通道之一。这一认识的直接证据是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源和重联喷流。由于天文观测本身的局限性,目前对这些现象的解释大多是定性和唯象的。联合研究组利用中科院重大科技基础设施——神光Ⅱ高功率激光实验装置发射的强激光与特殊构型靶相互作用,巧妙地构造了等离子体磁重联拓扑结构,在实验室中对太阳耀斑中的环顶X射线源和重联喷流进行了实验模拟,得到了与太阳表面发生的重联过程极为相似的实验结果,并通过磁流体标度变换理论证明两个系统的各项物理参数有惊人的相似性。
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