激光核聚变靶物理基础 Fundaments of the Target Physics for Laser FusionPDF电子书下载

第1章 惯性约束聚变的基本原理 1

1.1 引言 1

1.2 实现惯性约束聚变的基本条件 4

1.3 实现惯性约束聚变的主要技术途径 6

1.3.1 内爆增压技术 6

1.3.2 氘氚中心点火与热核燃烧 7

1.4 惯性聚变能发电的基本原理 9

参考文献 13

第2章 激光的传播与吸收 14

2.1 引言 14

2.2 等离子体的基本概念 14

2.2.1 德拜屏蔽长度 15

2.2.2 电子等离子体频率 16

2.2.3 电子被离子散射偏转90°的时间 18

2.3 激光在等离子体中传播的波动方程和色散关系 20

2.4 激光在非均匀等离子体中传播的WKB解 22

2.5 激光在常密度梯度等离子体中传播的解析解 25

2.6 斜入射激光在非均匀等离子体中的传播与共振吸收 28

2.6.1 斜入射S—极化光波 29

2.6.2 斜入射P—极化光波和共振吸收 30

2.7 激光在等离子体中的碰撞吸收 34

2.7.1 光波包括碰撞阻尼时的色散关系 34

2.7.2 激光的逆韧致吸收系数 38

2.7.3 逆韧致吸收的非线性减小 38

2.8 参量过程 40

2.9 激光束的几何光学近似 41

2.9.1 激光束的几何光路方程 41

2.9.2 激光几何光路的物理解释 43

2.9.3 几何光路方程在一种特殊情况下的解 45

2.9.4 几何光路的数值求解 46

2.9.5 沿激光传播路径的逆韧致吸收 46

2.10 碰撞阻尼系数的推导 50

参考文献 54

第3章 激光与靶耦合晕区物理 55

3.1 引言 55

3.2 高功率斜入射激光与高Z靶耦合非局域吸收的理论模型 58

3.2.1 激光的传播和能量沉积 59

3.2.2 原子的离化和x射线的发射机制 62

3.2.3 激光平面靶耦合的流体力学方程组 64

3.2.4 分区求解 65

3.2.5 整体解、激光吸收效率和x射线转换效率 68

3.3 三温或多温电子等离子体的自由膨胀模型 72

3.3.1 描述一维平面三温电子等离子体自由膨胀的列方程组 73

3.3.2 相似解与离子的速度分布 74

3.4 超热电子的阻止功率及其在慢化过程中产生的韧致谱 80

3.4.1 超热电子在等离子体中的能耗机制及其阻止功率 81

3.4.2 超热电子的韧致谱 84

3.5 激光与腔靶耦合产生的超热电子和快离子 88

3.5.1 硬X射线的穿透率 88

3.5.2 硬X射线的角分布 90

3.5.3 超热电子转换成硬x射线的效率 91

3.5.4 超热电子的能量和数目 91

参考文献 93

第4章 电子热传导和电子烧蚀压 95

4.1 激光等离子体的流场分布 95

4.2 电子经典热传导 97

4.3 经典热传导的局限性和多群限流扩散 100

4.4 非局域电子热输运 102

4.5 影响电子热输运的其它因素 104

4.6 实验观察到的热流受阻现象 105

4.7 在数值模拟计算中电子热传导的唯象处理 107

4.8 电子烧蚀压与激光吸收功率密度的定标关系 109

4.8.1 电子烧蚀的理论模型 109

4.8.2 电子烧蚀压的实验测量结果 113

参考文献 114

第5章 激光—X射线转换物理 116

5.1 引言 116

5.2 激光等离子体的空间特性 118

5.3 激光等离子体的非平衡特性和弛豫时间 119

5.3.1 带电粒子的弛豫时间 119

5.3.2 辐射与物质相互作用的弛豫过程 122

5.4 简化的原子动力学模型 127

5.4.1 平均原子模型 128

5.4.2 离化势的改进计算公式 131

5.5 束缚电子占据数概率Pn方程的建立 132

5.5.1 光电吸收和光电复合发射 132

5.5.2 电子碰撞电离和碰撞复合 135

5.5.3 电子碰撞激发与退激发 136

5.5.4 谱线吸收与谱线发射 140

5.5.5 总的Pn动力学方程组 142

5.6 X射线的发射速率和吸收系数 143

5.6.1 X射线能量发射速率和吸收系数 143

5.6.2 光子的发射和吸收概率 144

5.6.3 电子和光子能量方程中的能量交换项 146

5.7 几种简化的等离子体模型 147

5.7.1 局部热动平衡模型 148

5.7.2 电晕模型和碰撞辐射模型 149

5.7.3 多次电离离化度的近似计算方法 150

5.8 数值模拟激光—X射线转换的物理方程组 157

5.8.1 流体力学方程组 157

5.8.2 在能量方程中的源项和能量交换项 160

5.9 激光产生的X射线特性 163

5.9.1 非平衡电离与复合 163

5.9.2 X射线的发射机制 163

5.9.3 X射线转换的空间分布 163

5.9.4 X射线发射的能谱特性 164

5.9.5 X射线发射的时间特性 164

5.10 腔靶辐射场的定标规律 164

5.10.1 解析规律 164

5.10.2 定标规律的数值模拟研究 166

参考文献 166

第6章 内爆动力学 168

6.1 激光聚变核物理基础 168

6.1.1 库仑势垒 168

6.1.2 热核反应 169

6.1.3 热核反应速率 171

6.1.4 核聚变反应 173

6.1.5 次级带电粒子的能量 174

6.1.6 热核反应截面 175

6.2 实现激光聚变的两种途径 178

6.2.1 两种驱动方式 178

6.2.2 聚变靶丸的理论分析 179

6.2.3 球形靶丸的内爆效率 195

6.2.4 辐射烧蚀规律的辐射流体力学描述 199

6.3 实现高压缩度的方法 219

6.3.1 实现等熵压缩对驱动源脉冲的要求 219

6.3.2 防止超热电子和硬X射线对燃料的预热 223

6.4 状态方程 225

6.4.1 理想气体状态方程 225

6.4.2 费米简并电子气体 227

6.4.3 托马斯—费米模型 228

6.4.4 托马斯—费米—狄拉克理论 229

6.4.5 辐射能和辐射压 230

6.4.6 部分电离等离子体的理想气体状态方程 232

6.5 数值模拟内爆和热核燃烧的辐射流体力学方程组 235

6.6 点火条件和能量增益 240

6.6.1 点火条件 240

6.6.2 热核增益 245

6.7 惯性约束聚变的进展与展望 251

参考文献 254

第7章 对称性和流体力学不稳定性 256

7.1 引言 256

7.2 流体力学不稳定性的实验研究 257

7.3 内爆对驱动源辐照均匀性的要求 270

7.4 流体力学不稳定性的理论描述 275

7.5 理想流体的平面瑞利—泰勒不稳定性 278

7.5.1 不可压流体力学方程组 278

7.5.2 物质界面上的条件 279

7.5.3 Taylor不稳定性 281

7.5.4 Richtmyer-Meshkov（R-M）不稳定性 284

7.5.5 Kelvin-Helmholtz（KH）不稳定性 285

7.6 烧蚀致稳效应 287

7.7 多模非线性发展的开始 289

7.8 具有二阶模耦合的模态模型 293

7.8.1 二阶模耦合方程 294

7.8.2 饱和开关和饱和后的模耦合 297

参考文献 299

第8章 输运理论概要 301

8.1 输运理论的研究对象和研究内容 301

8.2 输运方程 304

8.2.1 粒子分布函数 304

8.2.2 输运方程一般形式的推导 308

8.2.3 各种粒子输运理论的扼要比较 318

8.2.4 在轴对称圆柱坐标系中输运方程的形式 324

8.2.5 考虑流体力学运动时输运方程的形式 327

8.3 输运方程的求解 330

8.3.1 单群和多群近似 331

8.3.2 对粒子运动方向Ω的近似 336

8.4 辐射输运方程 351

8.4.1 辐射输运方程的建立 351

8.4.2 扩散近似和Rosseland辐射平均自由程 355

8.5 几何自由程 358

8.6 在介质运动情况下光子的扩散方程 361

参考文献 370

第9章 激光聚变“快点火”物理基础 371

9.1 引言 371

9.2 等密度内爆预压缩和能量增益 372

9.2.1 内爆预压缩所需的能量 372

9.2.2 能量增益 373

9.3 “快点火”点火物理 376

9.3.1 点火与低倍增益 376

9.3.2 点火所需能量和快点火的其它优越性 376

9.4 超强激光与等离子体相互作用 378

9.4.1 相对论电子动力学 379

9.4.2 超强激光和次临界等离子体的相互作用 383

9.4.3 超强激光在稠密等离子体中的传输 386

9.4.4 超热电子流和强磁场 387

9.4.5 超热电子在稠密等离子体中的传输 388

参考文献 393

附录A 量纲分析和自型解 396

A.1 引言 396

A.2 量纲和量纲公式 397

A.3 π定理 399

A.4 求无量纲组合的步骤 400

A.5 判断量纲相关和无关的方法 402

A.6 辐射热传导方程的自型解 408

A.6.1 常温驱动的辐射波 408

A.6.2 e指数增长的边界温度驱动的辐射波 416

A.7 辐射流体力学方程组的自相似变换 423

A.7.1 辐射流体力学方程组的相似变换 423

A.7.2 在几种特殊情况下自型解的幂指数规律 427

A.7.3 边界温度与辐射穿透之间的定标规律 431

A.7.4 结果讨论 433

A.7.5 物理量随时间e指数变化的自型解 435

A.8 辐射烧蚀的自调制准定态模型 437

A.8.1 自调制准定态模型的数学描述 438

A.8.2 整体解和烧蚀参量的定标规律 442

A.8.3 冲击波区的能量 444

A.8.4 模型计算结果与实验测量值的比较 446

A.8.5 结果讨论 448

参考文献 449