【资讯】惯性约束聚变中X射线烧蚀早期过程中的高次谐波产生 | ICF新知

2024-12-03 14:51:08

　　在惯性约束聚变中，内爆性能的退化很大程度上归因于流体力学不稳定性，而材料界面瑕疵(不稳定性种子)是决定流体力学不稳定性的关键因素之一。因此解析内爆早期过程中材料界面瑕疵演化的物理规律具有重要科学意义。本期“ICF新知”，上海交通大学吴栋副教授将为我们介绍北京应用物理与计算数学研究所的研究人员有关内爆早期阶段材料界面瑕疵演化物理规律的最新研究成果。

　　当材料受到辐射后，其表面物质快速升温、离化并向外膨胀，同时通过所谓的“火箭效应”产生向内的烧蚀压强(ablation pressure)并驱动冲击波，这就是辐射烧蚀(radiative ablation)现象。辐射烧蚀现象广泛存在于等离子体物理的各个领域之中，间接驱动激光聚变(indirect-drive ICF)方案正是利用黑腔产生的x射线辐照燃料靶丸，从而通过烧蚀压驱动内爆来实现燃料的压缩和加热;在天体物理中，大质量恒星产生的紫外线会烧蚀星际介质，改变其物理化学性质，从而影响恒星形成的过程。

　　实际的辐射烧蚀过程往往伴随着流体不稳定性的产生。由于烧蚀材料的表面并不完全光滑，材料表面瑕疵的形状会在烧蚀过程中持续地发生演化。按照现有理论，在冲击波通过阶段，这些瑕疵的幅度会在Richtmyer-Meshkov不稳定性(RMI)的作用下随时间振荡。RMI产生了材料不均匀性的“种子”，在之后的加速阶段中，这种“种子”又会被Rayleigh-Taylor不稳定性(RTI)持续地放大，造成更为严重的不均匀性。该过程是导致ICF内爆性能下降的主要因素，因此研究烧蚀早期阶段材料表面瑕疵的演化过程具有至关重要的科学意义。

　　2024年9月24日，北京应用物理与计算数学研究所的研究人员在Physical Review Letters上发表题为“Early-Time Harmonic Generation from a Single-Mode Perturbation Driven by X-Ray Ablation”的研究论文，首次发现并研究了x射线烧蚀早期过程中预制单模扰动平面靶上的高次谐波产生。这一过程发生于RMI的线性阶段，因此无法由现有的非线性耦合理论解释。作者通过实验结合数值模拟的方式，研究了这一过程的演化规律并建立了完整的物理模型，指出在传统的烧蚀RMI阶段发生之前，存在与高次谐波产生过程相对应的烧蚀前沿形变主导阶段。北京应用物理与计算数学研究所的陈竹与中国工程物理研究院激光聚变研究中心的袁永腾为本文的共同第一作者，北京应用物理与计算数学研究所的王立锋为通讯作者。

　　实验设置

　　实验在神光100 kJ激光装置上进行。作者使用2.2 ns方波激光驱动金制黑腔，利用黑腔产生的x射线烧蚀一个表面预制正弦波纹形状的C50H47Br3平面靶，并通过x射线背光图像对靶材料进行诊断。

　　图1 (a)实验设置示意图，(b)x射线分帧相机得到的图像，(c)从x射线分帧相机图像测得的光学深度

　　黑腔为空心圆柱体，长为4680 μm，直径为2600 μm。38束波长0.35 μm，每束能量约2.1 kJ的驱动激光通过两侧的激光入口进入黑腔并激发x射线。平面靶被置于黑腔侧壁上的洞中，具有波纹的一面朝向黑腔内侧。为了便于诊断，作者在平面靶中加入了一条金制细丝作为基准。在正对着平面靶的方向，作者利用8束激光照射钼制背光源靶，从而产生诊断用的x射线，其能谱中心在约2.5 keV附近。诊断用x射线穿过C50H47Br3平面靶，将密度扰动信息转化为曝光量，最终被靶后的x射线分帧相机(X-ray framing camera)接收。对分帧相机获得的背光图像进行处理后，即可得到靶材面密度的空间分布及其时间演化。

　　实验结果

　　作者进行了两个发次的实验，并使用辐射流体程序LARED-S对实验进行了模拟。作者观察到靶材内的基模发生了类似于正弦形状的振荡。值得注意的是，虽然在前1 ns整个靶材内基模的光学深度发生了增长，但这种增长由冲击波波前的振荡主导，而在烧蚀前沿的基模扰动幅度实际上逐渐减小，这种行为一直持续到冲击波穿过靶后表面。此后，从靶后表面返回的稀疏波使得烧蚀前沿发生RT不稳定性，基模的幅度出现指数增长。

　　图2(a)2020145发次(实心方形)与20210113发次(空心方形)得到的光学深度幅度以及模拟结果(曲线)，黑色为基模，红色为二次谐波，(b)模拟得到的扰动幅度

　　而作为实验的关注重点，靶材内的二次谐波发生了从无到有的明显增长，在0.6 ns左右，面密度扰动的二次谐波与基模之比达到了0.5以上。之后，二次谐波经历了相位反转的振荡阶段，并在烧蚀RTI阶段发生指数增长。作者比较了二次谐波的面密度和烧蚀前沿扰动幅度的演化过程，发现两者展现的规律基本一致，这证明二次谐波的演化主要发生在烧蚀前沿，不同于基模前期演化受到靶材内冲击波波前影响。

　　作者同时指出，在前0.8 ns中，烧蚀前沿基模的幅度持续减小，而二次谐波的幅度却发生了显著的增长。在基模的幅度始终处于线性阶段的情况下(η<0.1λ)，传统理论中的非线性模式耦合不可能发生，因此二次谐波的产生一定有其他的物理原因。

　　图 3(a)烧蚀前沿形状的演化，(b)二次谐波强度与初始扰动幅值、波长的关系

　　理论分析

　　为了理解高次谐波的产生，作者建立了烧蚀表面的理论模型。作者指出，辐射产生的烧蚀压垂直于烧蚀面，因此不均匀形状表面的烧蚀将产生不均匀的冲击波，而烧蚀前沿上各点的速度将沿着该点的局域法向量方向。在这种情况下，扰动波峰区域将变得更薄，而扰动波谷区域将变得更宽。正是这个形变过程造成了二次谐波的产生。

　　通过分析表面上各点的运动轨迹，作者建立了烧蚀前沿形状演化的公式，其很好地描述了二次谐波的产生与演化。理论分析表明，在扰动幅度远小于扰动波长的线性阶段，二次谐波的幅度随时间线性增长，增长率为该公式得到了模拟结果的验证。此外，在模拟中作者观察到二次谐波在增长过程中发生了饱和。作者指出，由于烧蚀表面的不均匀性，冲击波将倾向于汇聚于更靠近辐射驱动的波峰处，造成局部的压强增大。由于相同的理由，在远离驱动的波谷处，局部的压强减小，因此产生了由波峰处指向波谷处的横向抵抗力。当这种抵抗力将烧蚀前沿的横向动量耗散后，二次谐波的增长就会达到饱和。作者利用冲量定理估计了这种阻滞过程的时间尺度，得到的结果1.1 ns基本与模拟得到的饱和时间0.8 ns吻合。

　　作者还通过模拟研究了该过程对于初始扰动波长的依赖性。模拟结果表明，不同扰动波长下，二次谐波的增长基本遵循相同的规律。对于不同的扰动波长，二次谐波的扰动幅值与初始扰动幅值之比的色散曲线的极大值都为0.3左右，这意味着在研究烧蚀前沿的演化时，高次谐波产生的影响不能被忽略。此外作者指出，在线性阶段二次谐波的最大幅值基本与初始扰动的幅值成正比，这一性质与扰动波长无关。

　　总结展望

　　这项工作极大提升了我们对于辐射烧蚀前沿形状演化过程的认识，对于ICF的设计与诊断、天体物理中的分子云动力学研究都有着重要的指导意义。作者也在最后指出，在更大的初始扰动幅度或是初始多模共存的情况下，烧蚀过程中还可能存在更为丰富的物理现象。

　　参考文献：

　　[1] Z. Chen, Y. T. Yuan, L. F. Wang, et al, Early-Time Harmonic Generation from a Single-Mode Perturbation Driven by X-Ray Ablation, Physical Review Letters, 133. 135101 (2024).

　　[2] V. N. Goncharov, Theory of the ablative Richtmyer-Meshkov instability, Physical review letters, 82. 2091 (1999).

　　[3] J. H. Oort and L. Spitzer, Acceleration of Interstellar Clouds by O-Type Stars, Astrophysical Journal, 121. 6 (1955).

　　免责声明：

　　网站资讯内容来源于互联网，目的在于传递信息，提供专业服务，不代表本网站及新媒体平台赞同其观点和对其真实性负责。如对文、图等版权问题存在异议的，请联系我们将协调给予删除处理。行业资讯仅供参考，不存在竞争的经济利益。