一种激光间接辅助激励的等离子体焦点装置的制作方法

1.本发明属于核技术及脉冲功率技术领域，具体涉及一种激光间接辅助激励的等离子体焦点装置。


背景技术：

2.等离子体焦点装置（简称dpf装置）是利用氘和氚在高温等离子体状态下发生聚变反应从而产生中子的一种装置。其基本工作原理是：充电系统给dpf装置的脉冲电容器充电至预置电压，触发系统输出前沿陡峭的高压脉冲信号，触发dpf装置的放电开关，使脉冲电容器与等离子体聚焦放电室连通，在等离子体聚焦放电室的阴极（外电极）、阳极（内电极）之间产生高电压脉冲，使阴、阳极之间的氘气和氚气击穿，形成等离子体，等离子体在放电电流产生的自磁场作用下，受法拉第电磁力作用驱动向阳极末端运动，在阳极末端，等离子体汇聚形成高温等离子体焦点，使高温高密度等离子体中的氘核和氚核发生核聚变反应，生成氦核和中子。
3.自上世纪60年代初期以来，dpf装置一直是核技术和脉冲功率技术研究领域的热点。dpf装置的放电室主要有mather型和filippov型两种类型，它们的差别在于阳极的直径与长度的比值k不同。mather型放电室的k值一般小于0.25，即其阳极为长圆柱型。filippov型放电室的k值一般大于5，即其阳极为圆饼型。
4.现有dpf装置均采用脉冲电源进行驱动，在脉冲电源开关闭合后，储存在脉冲电源电容器中的电能加载到放电室的阴极和阳极上，使放电室阴、阳极之间的氘氚介质在过电压作用下发生自击穿，形成等离子体后汇聚、压缩，由于回路阻抗等因素的限制以及瑞利-泰勒不稳定性等的影响，汇聚压缩后形成的等离子体温度受到极大的限制且极易发生过早崩溃，使中子产额降低且极不稳定。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供的一种激光间接辅助激励的等离子体焦点装置，所述装置通过在dpf装置阳极中心区域设计一个锥形镀金膜靶区，并配置脉冲激励激光源，利用激光进行间接辅助激励，进一步提高聚焦等离子体的温度，从而提升其中子产额。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种激光间接辅助激励的等离子体焦点装置，所述装置包括：阳极、阴极和绝缘支撑隔板，所述阴极为中空壳体，且阴极底部与绝缘支撑隔板密封连接，所述阳极穿过绝缘支撑板位于阴极中空壳体内，阳极、阴极和绝缘支撑隔板构成了所述等离子体焦点装置的放电室；所述阳极顶端中心设置镀金膜靶区，所述阴极顶部开设有多个光入射光窗；所述装置还包括激光系统，所述激光系统的出射光通过阴极顶部的多个光入射光窗聚焦到镀金膜靶区。
7.优选的，所述镀金膜靶区为圆顶锥形凹孔或截锥形凹孔。
8.优选的，所述圆顶锥形凹孔或截锥形凹孔，其锥形面相对凹孔轴线的角度设置保
证凹孔的锥形面对垂直于凹孔轴线的入射光线的反射光线能够完全覆盖焦斑以及等离子体密度达到焦斑位置处等离子体密度的50%以上的轴线段。
9.优选的，所述镀金膜靶区的金膜厚度不超过5μm。
10.优选的，所述镀金膜靶区的金膜厚度为20~100nm。
11.优选的，所述镀金膜靶区的金膜与阳极电极基体之间镀制铍层。
12.优选的，所述铍膜厚度为不小于100nm；优选的，所述铍膜厚度为2μm~10μm。
13.优选的，所述激光系统包括按激光传输方向依次设置的高功率激光器、激光分束器、激光传输系统和聚焦透镜，从聚焦透镜射出的光束通过阴极顶部的光窗聚焦到镀金膜靶区。
14.优选的，所述高功率激光器峰值瞬时功率＞100gw，所述波长小于532nm。
15.本发明的有益效果是：本发明公开的一种激光间接辅助激励的等离子体焦点装置，在dpf装置中等离子体完成汇聚压缩达到其峰值密度和温度时，通过高功率激光系统向阳极中心区锥形金膜靶区馈入聚焦的高功率脉冲激光，金膜靶区将高功率脉冲激光转换为可被氘氚等离子体高效率吸收的x光，对已聚焦的等离子体进一步加热，快速提高氘氚等离子体温度，使其达到聚变条件，提高氘氚等离子体聚变效率，从而提高其中子产额，同时脉冲激光激励金膜靶区产生的x光也可以快速加热阳极靶，加速阳极靶释放吸附了的氘和氚，在提升氘氚等离子体温度的同时可大幅度提升氘氚等离子体密度，进一步提高中子产额。
附图说明
16.图1 为本发明实施例中激光间接辅助激励的等离子体焦点装置的结构示意图；图中：1.阳极
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2.阴极
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3.绝缘支撑隔板
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4.激光器
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5.聚焦透镜
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6.反射镜
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11.镀金膜靶区
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11-1.金膜。
具体实施方式
17.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
18.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
19.一种激光间接辅助激励的等离子体焦点装置，其结构如图1所示，该装置包括：阳极1、阴极2和绝缘支撑隔板3；如图所示，阳极1、阴极2和绝缘支撑隔板3组合形成了等离子体焦点装置的放电室，其中阴极3为中空壳，罩在阳极1外侧，其底部与绝缘支撑隔板3连接，阳极1固定在绝缘支撑隔板3的中间，且位于放电室内。本发明的关键在于，在阳极1顶端中心设置镀金膜靶区11，如图1中的局部b放大图所示，并提供了用于激励锥形镀金膜靶区11近区等离子体的激光系统。
20.目前的dpf装置阳极1有半球形、圆盘形等形状，本实施例中，阳极1的形状为圆柱形加顶端半球的形状。阳极1顶部的镀金膜靶区11为圆顶锥形或截锥形凹孔，如图1所示，本实施例中的阳极1顶部的镀金膜靶区为圆顶截锥形凹孔，且表面覆盖有金膜11-1。
21.上述圆顶锥形或截锥形凹孔的锥形面相对轴线的角度设置需保证凹孔的锥形面对从入射光窗射入的入射光线的反射光线能够完全覆盖焦斑以及等离子体密度达到焦斑位置等离子体密度50%以上的轴线段。
22.金膜11-1的厚度原则上要求控制在5μm以下，具体数值需根据使用的激光波长、脉冲能量等激光脉冲参数确定，本发明中优选激光波长为355nm、金膜11-1的厚度20~100nm。
23.为了进一步提高前向中子发射效率，在实验室环保资格允许的条件下，推荐在阳极1镀金膜靶区11的锥面在镀金膜前先镀一层金属铍，然后再在铍膜上镀金膜，这是因为铍具有良好的中子反射能力，可使飞向镀金膜靶区11内的中子受到反射从而提高前向中子发射效率。但由于金属铍及铍的多种化合物有较大生物毒性，使用铍金膜结构阳极的dpf需要确认dpf放电室密封性及实验室环保资格符合相关要求。
24.激光系统包括按激光传输方向依次设置的高功率激光器4、激光分束器、激光传输系统和聚焦透镜5，高功率激光器4采用高功率短脉冲激光器，推荐采用皮秒或飞秒高功率激光器，峰值瞬时功率不小于100gw，波长为355nm的三倍频yag皮秒激光系统。
25.激光分束系统用于将脉冲激光束分成等强度的多束激光以提高对等离子体辅助激励的均匀性，要求激光束数为偶数，推荐选择激光束数大于等于6。
26.激光传输系统用于将激光脉冲传输耦合到聚焦的等离子体柱中，要求激光传输系统能够高效率传输激光脉冲并不发生损坏。
27.聚焦透镜5用于将脉冲激光束聚焦到已在自磁场作用下完成聚焦的等离子体柱中，使已聚焦的等离子体在高功率密度聚焦激光脉冲作用下，温度快速上升，大幅度提高焦点及其邻近区域中的氘、氚核能量，使其发生核反应放出中子，如图1所示，本实施例中经过聚焦透镜5聚焦后的光束经过反射镜6反射至镀金膜靶区11。
28.高功率脉冲激光器4发出的激光束通过聚焦透镜5聚焦于dpf阳极中心锥形镀金膜靶区11，聚焦的脉冲激光与金膜11-1相互作用产生光子能量在数kev至百kev的x光。在dpf装置阴阳极之间的氘-氘、氘-氚等离子体汇聚形成高温高密度等离子体束团时，x光对等离子体束团进行辅助加热，使等离子体束团温度快速上升，氘核和氚核能量快速升高，提高其核反应概率从而提高其热核聚变及束靶中子产额，特别是可以极大地提高热核聚变中子产额，同时脉冲激光激励金膜黑腔产生的x光也可以快速加热阳极靶，如果阳极靶吸附了氘、氚时，阳极靶将可以快速释放氘、氚，在提升氘、氚等离子体温度的同时可大幅度提升氘、氚等离子体密度，进一步提高中子产额。