核聚变第三章2.ppt

* * 惯性约束聚变 驱动束的能量沉积和输运 Inertial Confinement Fusion 一、激光的能量沉积 1、激光物理基础 激光的特点： （1）单色性：激光发射的各个光子频率相同，因此激光是最好的单色光源； （2）空间相干性：由于受激辐射的光子在相位上是一致的，再加之谐振腔的选模作用，使激光束横截面上各点间有固定的相位关系，所以激光的空间相干性很好； （3）时间相干性及高亮度：方向性好：激光束的发散角很小，几乎是一平行的光线，激光照射到月球上形成的光斑直径仅有1公里左右。 ； （4）亮度高：激光的亮度可比普通光源高出1012－1019倍，是目前最亮的光源，强激光甚至可产生上亿度的高温。 激光器是强光源的基本原因在于能量输入通常要相当长的时间（如钕激光约为1ms），而能量的释放通常在很短的时间（约1ns），在功率上增加了106。 发射方式：能量通过泵浦进入激光媒质，媒质内的原子被激发到更高的能级。当它们衰减时辐射出光子，有可能撞击出和第一个光子完全同相位的光子，这个过程称为受激辐射。这个总的过程可以自我复制，导致光的放大，所有光子沿着相同的方向同相传播最终可以形成一束光，经过聚焦后达到非常高的辉度。 E2-E1=hν12 hν12 hν12 hν12 n2 E2 E1 n1 为了使激光器有效工作，必须使激发能级2的布居数高于能级1，这种情况叫做布居数反转，必须打破热平衡状态才能实现。 ③ 受激辐射 自发衰变 ② ① 激发 对于三原子能级系统，通过将能量泵浦进入系统，输入激光媒质中的能量足够高，结果将原子激发到更高的能级3上去。然而，由于泵浦光源发射的光不是单色的，只有一小部分入射光子适合用于激发原子。因此希望这个较高能级在一个宽的频率范围内有一个大的线宽，以便实现从泵浦光源到原子激发的能量转换具有较高的效率。 被激发的原子迅速从能级3衰减到能级2，相比于能级3，能级2应该有较窄的线宽和相对长的寿命。能级1和能级2之间实现布居数反转。 2、电磁波在等离子体中的传播 当激光打在靶上时，靶表面上的一些材料吸收激光的能量被加热，蒸发形成等离子体，称为等离子体晕。激光是电磁波，在自由空间中激光的色散关系为： 进入等离子后，色散关系变为： 其中ωp是等离子体频率，其表达式为： 当等离子体中的数密度不很大，且其频率低于电磁波频率时，该等离子体称为低密的，这时电磁波可以在等离子体中传播。 当等离子体的数密度很大，等离子体的频率高于波的频率时，这种等离子体叫过密的，即 此时激光将不能在等离子体中继续传播。 欠稠密区域 超稠密区域 激光光束 反射光 临界表面 密度 x xc nc 临界密度表面的形成 激光只能在密度低于“临界密度”的等离子体中传播，临界密度就是等离子体频率等于激光频率时的等离子体密度，即： 入射激光在临界密度处被反射，对一定频率的光，对应的有一个确定的临界密度，如固体密度的D-T等离子体对应的光的波长为0.15μm，波长大于此值的光将被反射。 各种波长光对应的临界密度 3、激光与物质的相互作用 在激光功率密度低于107W/cm2的情况下，入射激光只能加热靶的表面而不能使之发生熔化或蒸发。入射激光在靶表面被吸收，吸收的光能再由热传导转移到靶内部去，部分光被反射。 当光强达到107W/cm2时，入射激光将引起靶表面部分物质蒸发和喷射，蒸发形成的蒸汽云或喷射物能同时与入射激光发生相互作用，吸收激光，同时产生较大的压力，驱动蒸汽云以高速度飞离靶表面，喷射的反作用驱动冲击波进入靶的内部。 当光强达到1010W/cm2时，能使气体击穿和使靶物质电离，自由电子在激光的作用下被迅速加速到高能，在很短的时间内获得足够的能量电离其它原子产生更多的自由电子，并继续引起更多的电离，即雪崩电离。 实际上，大多数激光强度高达1012W/cm2以上，激光辐射在靶表面引起电离基本上是瞬时的，在靶表面形成高温等离子体冕。激光聚变所要求的激光强度要高达1014～1015W/cm2，相应的等离子体温度达到keV量级，它们将以105～106m/s的速度向外喷射。 4、激光在等离子体中的吸收 基本上有三个主要的过程：逆韧致吸收、共振吸收和参量过程。 （1）逆韧致吸收 它是韧致辐射的逆过程，是指自由电子在原子核或离子的库仑场中吸收激光的能量从而得到加速或改变运动方向的过程。 由于自由电子的能量是连续的，因此任何波长的激光都能发生逆韧致吸收。 逆韧致吸收的物理过程： 逆韧致吸收是由电子和离子之间的碰撞引起的，入射激光电场使自由电子发生振荡，同时光电场也使离子振荡，由于离子质量比电子质量大得多，因此可以忽略它们的运动。 在激光电场中做高频