【資訊】慣性約束聚變中X射線燒蝕早期過程中的高次諧波產(chǎn)生 | ICF新知

2024-12-03 14:51:08

　　在慣性約束聚變中，內(nèi)爆性能的退化很大程度上歸因于流體力學(xué)不穩(wěn)定性，而材料界面瑕疵(不穩(wěn)定性種子)是決定流體力學(xué)不穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。因此解析內(nèi)爆早期過程中材料界面瑕疵演化的物理規(guī)律具有重要科學(xué)意義。本期“ICF新知”，上海交通大學(xué)吳棟副教授將為我們介紹北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的研究人員有關(guān)內(nèi)爆早期階段材料界面瑕疵演化物理規(guī)律的最新研究成果。

　　當(dāng)材料受到輻射后，其表面物質(zhì)快速升溫、離化并向外膨脹，同時(shí)通過所謂的“火箭效應(yīng)”產(chǎn)生向內(nèi)的燒蝕壓強(qiáng)(ablation pressure)并驅(qū)動(dòng)沖擊波，這就是輻射燒蝕(radiative ablation)現(xiàn)象。輻射燒蝕現(xiàn)象廣泛存在于等離子體物理的各個(gè)領(lǐng)域之中，間接驅(qū)動(dòng)激光聚變(indirect-drive ICF)方案正是利用黑腔產(chǎn)生的x射線輻照燃料靶丸，從而通過燒蝕壓驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆來實(shí)現(xiàn)燃料的壓縮和加熱;在天體物理中，大質(zhì)量恒星產(chǎn)生的紫外線會(huì)燒蝕星際介質(zhì)，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，從而影響恒星形成的過程。

　　實(shí)際的輻射燒蝕過程往往伴隨著流體不穩(wěn)定性的產(chǎn)生。由于燒蝕材料的表面并不完全光滑，材料表面瑕疵的形狀會(huì)在燒蝕過程中持續(xù)地發(fā)生演化。按照現(xiàn)有理論，在沖擊波通過階段，這些瑕疵的幅度會(huì)在Richtmyer-Meshkov不穩(wěn)定性(RMI)的作用下隨時(shí)間振蕩。RMI產(chǎn)生了材料不均勻性的“種子”，在之后的加速階段中，這種“種子”又會(huì)被Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性(RTI)持續(xù)地放大，造成更為嚴(yán)重的不均勻性。該過程是導(dǎo)致ICF內(nèi)爆性能下降的主要因素，因此研究燒蝕早期階段材料表面瑕疵的演化過程具有至關(guān)重要的科學(xué)意義。

　　2024年9月24日，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的研究人員在Physical Review Letters上發(fā)表題為“Early-Time Harmonic Generation from a Single-Mode Perturbation Driven by X-Ray Ablation”的研究論文，首次發(fā)現(xiàn)并研究了x射線燒蝕早期過程中預(yù)制單模擾動(dòng)平面靶上的高次諧波產(chǎn)生。這一過程發(fā)生于RMI的線性階段，因此無法由現(xiàn)有的非線性耦合理論解釋。作者通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方式，研究了這一過程的演化規(guī)律并建立了完整的物理模型，指出在傳統(tǒng)的燒蝕RMI階段發(fā)生之前，存在與高次諧波產(chǎn)生過程相對(duì)應(yīng)的燒蝕前沿形變主導(dǎo)階段。北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的陳竹與中國工程物理研究院激光聚變研究中心的袁永騰為本文的共同第一作者，北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所的王立鋒為通訊作者。

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)置

　　實(shí)驗(yàn)在神光100 kJ激光裝置上進(jìn)行。作者使用2.2 ns方波激光驅(qū)動(dòng)金制黑腔，利用黑腔產(chǎn)生的x射線燒蝕一個(gè)表面預(yù)制正弦波紋形狀的C50H47Br3平面靶，并通過x射線背光圖像對(duì)靶材料進(jìn)行診斷。

　　圖1 (a)實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖，(b)x射線分幀相機(jī)得到的圖像，(c)從x射線分幀相機(jī)圖像測得的光學(xué)深度

　　黑腔為空心圓柱體，長為4680 μm，直徑為2600 μm。38束波長0.35 μm，每束能量約2.1 kJ的驅(qū)動(dòng)激光通過兩側(cè)的激光入口進(jìn)入黑腔并激發(fā)x射線。平面靶被置于黑腔側(cè)壁上的洞中，具有波紋的一面朝向黑腔內(nèi)側(cè)。為了便于診斷，作者在平面靶中加入了一條金制細(xì)絲作為基準(zhǔn)。在正對(duì)著平面靶的方向，作者利用8束激光照射鉬制背光源靶，從而產(chǎn)生診斷用的x射線，其能譜中心在約2.5 keV附近。診斷用x射線穿過C50H47Br3平面靶，將密度擾動(dòng)信息轉(zhuǎn)化為曝光量，最終被靶后的x射線分幀相機(jī)(X-ray framing camera)接收。對(duì)分幀相機(jī)獲得的背光圖像進(jìn)行處理后，即可得到靶材面密度的空間分布及其時(shí)間演化。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　作者進(jìn)行了兩個(gè)發(fā)次的實(shí)驗(yàn)，并使用輻射流體程序LARED-S對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了模擬。作者觀察到靶材內(nèi)的基模發(fā)生了類似于正弦形狀的振蕩。值得注意的是，雖然在前1 ns整個(gè)靶材內(nèi)基模的光學(xué)深度發(fā)生了增長，但這種增長由沖擊波波前的振蕩主導(dǎo)，而在燒蝕前沿的基模擾動(dòng)幅度實(shí)際上逐漸減小，這種行為一直持續(xù)到?jīng)_擊波穿過靶后表面。此后，從靶后表面返回的稀疏波使得燒蝕前沿發(fā)生RT不穩(wěn)定性，基模的幅度出現(xiàn)指數(shù)增長。

　　圖2(a)2020145發(fā)次(實(shí)心方形)與20210113發(fā)次(空心方形)得到的光學(xué)深度幅度以及模擬結(jié)果(曲線)，黑色為基模，紅色為二次諧波，(b)模擬得到的擾動(dòng)幅度

　　而作為實(shí)驗(yàn)的關(guān)注重點(diǎn)，靶材內(nèi)的二次諧波發(fā)生了從無到有的明顯增長，在0.6 ns左右，面密度擾動(dòng)的二次諧波與基模之比達(dá)到了0.5以上。之后，二次諧波經(jīng)歷了相位反轉(zhuǎn)的振蕩階段，并在燒蝕RTI階段發(fā)生指數(shù)增長。作者比較了二次諧波的面密度和燒蝕前沿?cái)_動(dòng)幅度的演化過程，發(fā)現(xiàn)兩者展現(xiàn)的規(guī)律基本一致，這證明二次諧波的演化主要發(fā)生在燒蝕前沿，不同于基模前期演化受到靶材內(nèi)沖擊波波前影響。

　　作者同時(shí)指出，在前0.8 ns中，燒蝕前沿基模的幅度持續(xù)減小，而二次諧波的幅度卻發(fā)生了顯著的增長。在基模的幅度始終處于線性階段的情況下(η<0.1λ)，傳統(tǒng)理論中的非線性模式耦合不可能發(fā)生，因此二次諧波的產(chǎn)生一定有其他的物理原因。

　　圖 3(a)燒蝕前沿形狀的演化，(b)二次諧波強(qiáng)度與初始擾動(dòng)幅值、波長的關(guān)系

　　理論分析

　　為了理解高次諧波的產(chǎn)生，作者建立了燒蝕表面的理論模型。作者指出，輻射產(chǎn)生的燒蝕壓垂直于燒蝕面，因此不均勻形狀表面的燒蝕將產(chǎn)生不均勻的沖擊波，而燒蝕前沿上各點(diǎn)的速度將沿著該點(diǎn)的局域法向量方向。在這種情況下，擾動(dòng)波峰區(qū)域?qū)⒆兊酶?，而擾動(dòng)波谷區(qū)域?qū)⒆兊酶鼘挕Ｕ沁@個(gè)形變過程造成了二次諧波的產(chǎn)生。

　　通過分析表面上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，作者建立了燒蝕前沿形狀演化的公式，其很好地描述了二次諧波的產(chǎn)生與演化。理論分析表明，在擾動(dòng)幅度遠(yuǎn)小于擾動(dòng)波長的線性階段，二次諧波的幅度隨時(shí)間線性增長，增長率為該公式得到了模擬結(jié)果的驗(yàn)證。此外，在模擬中作者觀察到二次諧波在增長過程中發(fā)生了飽和。作者指出，由于燒蝕表面的不均勻性，沖擊波將傾向于匯聚于更靠近輻射驅(qū)動(dòng)的波峰處，造成局部的壓強(qiáng)增大。由于相同的理由，在遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)的波谷處，局部的壓強(qiáng)減小，因此產(chǎn)生了由波峰處指向波谷處的橫向抵抗力。當(dāng)這種抵抗力將燒蝕前沿的橫向動(dòng)量耗散后，二次諧波的增長就會(huì)達(dá)到飽和。作者利用沖量定理估計(jì)了這種阻滯過程的時(shí)間尺度，得到的結(jié)果1.1 ns基本與模擬得到的飽和時(shí)間0.8 ns吻合。

　　作者還通過模擬研究了該過程對(duì)于初始擾動(dòng)波長的依賴性。模擬結(jié)果表明，不同擾動(dòng)波長下，二次諧波的增長基本遵循相同的規(guī)律。對(duì)于不同的擾動(dòng)波長，二次諧波的擾動(dòng)幅值與初始擾動(dòng)幅值之比的色散曲線的極大值都為0.3左右，這意味著在研究燒蝕前沿的演化時(shí)，高次諧波產(chǎn)生的影響不能被忽略。此外作者指出，在線性階段二次諧波的最大幅值基本與初始擾動(dòng)的幅值成正比，這一性質(zhì)與擾動(dòng)波長無關(guān)。

　　總結(jié)展望

　　這項(xiàng)工作極大提升了我們對(duì)于輻射燒蝕前沿形狀演化過程的認(rèn)識(shí)，對(duì)于ICF的設(shè)計(jì)與診斷、天體物理中的分子云動(dòng)力學(xué)研究都有著重要的指導(dǎo)意義。作者也在最后指出，在更大的初始擾動(dòng)幅度或是初始多模共存的情況下，燒蝕過程中還可能存在更為豐富的物理現(xiàn)象。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[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).

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