本實用新型涉及激光聚變黑腔設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種激光聚變正交三柱黑腔。

背景技術(shù)：

在間接驅(qū)動激光聚變中，激光束通過注入孔注入到一個高原子序數(shù)材料制成的命名為黑腔的中空腔體內(nèi)，轉(zhuǎn)化為X光輻照黑腔中心的低原子序數(shù)材料靶丸，使靶丸中心燃料達到高溫高密度的聚變點火條件。為達到該點火條件，需要將靶丸壓縮30倍以上，因而黑腔輻射驅(qū)動不對稱性需控制在1%以下，這正是一個好的黑腔設(shè)計的關(guān)鍵要求。目前，兩端各開一個注入孔的圓柱狀黑腔是傳統(tǒng)主流設(shè)計，并在美國點火攻關(guān)等項目中被大量研究。為了在柱腔中達到需要的高對稱性，采用了多環(huán)注入的方式，通過調(diào)控內(nèi)外環(huán)功率比來控制低階不對稱性。但內(nèi)環(huán)激光由于靠近靶丸燒蝕出的低原子序數(shù)等離子體和壓縮的填充氣體，會產(chǎn)生相當大份額的背向反射，且多束激光交疊會產(chǎn)生難以控制的束間能量轉(zhuǎn)移，且外環(huán)產(chǎn)生的高原子序數(shù)等離子體還會影響內(nèi)環(huán)光束的傳輸，這些都使得多環(huán)注入和內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控非常困難。而且，內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控技術(shù)非常依賴于程序模擬，而激光等離子體相互作用區(qū)域的等離子體是非局域熱動平衡的，很難精確計算。除了柱腔，橢球腔、四或六孔球腔等許多其它形狀的黑腔也被提出和研究能否改善黑腔內(nèi)的輻射環(huán)境：橢球腔雖能提高能量耦合效率，但類似柱腔有多環(huán)注入和內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的困難；四孔或六孔球腔在輻射均勻性上有天然的優(yōu)勢，但四孔球腔用單環(huán)注入很難控制不對稱性到1.0%以下，而六孔球腔耦合效率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供了一種激光聚變正交三柱黑腔，可有效創(chuàng)建一個高均勻性、高溫、干凈的黑腔輻射環(huán)境，有利于實現(xiàn)聚變點火。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案為：

一種激光聚變正交三柱黑腔，其特征在于：由三個相同的圓柱狀空腔經(jīng)中心對齊、正交拼接而成，交叉部位中空無腔壁，每個所述圓柱狀空腔的兩端面中心開孔形成激光注入孔。

進一步的，在設(shè)計靶丸直徑為1.8~2.4mm的前提下，所述圓柱狀空腔的長度為9~10mm，內(nèi)徑為4~5mm。所述注入孔的直徑為2.2~2.8mm。

進一步的，所述圓柱狀空腔的內(nèi)壁由高原子序數(shù)材料制成。更進一步的，所述圓柱狀空腔的內(nèi)壁由金制成。

以上所述的激光聚變正交三柱黑腔，具有以下優(yōu)點：

（1）激光注入：正交三柱黑腔共有六個激光注入孔，每個注入孔的激光注入相互獨立，每個注入孔均采用單環(huán)激光注入，不存在多環(huán)注入所帶來的束間能量交換、高背反份額、外環(huán)等離子體泡對內(nèi)環(huán)激光傳輸?shù)恼趽醯葐栴}，當進行激光注入時，所有激光束都以相對各自腔軸成相同50°~60°的入射角入射各個注入孔，每一個注入孔的激光近似柱對稱注入，在研究激光等離子體相互作用問題時可采用二維近似。

（2）時變對稱性：視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交三柱黑腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，在全時間過程中保持不對稱性小于1.0%，在主脈沖階段不對稱性小于0.62%。

（3）背反份額：激光等離子體相互作用導(dǎo)致的背反份額很低，接近于相近直徑和充氣密度的柱腔的外環(huán)。

（4）耦合效率：正交三柱黑腔的耦合效率接近甚至略優(yōu)于相應(yīng)尺寸的六孔球腔和近真空大柱腔，且還能結(jié)合加裝注入口擋板等方式提高耦合效率。

（5）等離子體填充：正交三柱黑腔每個柱里的等離子體填充時間接近于相應(yīng)柱腔。

綜上優(yōu)點，新設(shè)計的正交三柱黑腔具有柱腔、球腔等幾種黑腔的大部分優(yōu)勢，且可預(yù)見的風(fēng)險較小，是一種極具競爭力的點火候選腔型。

附圖說明

圖1是本實用新型的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型各圓柱狀空腔3D空間方位結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實用新型各圓柱狀空腔3D激光注入結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型Y-Z平面內(nèi)圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，圓柱狀空腔1，注入孔2，激光束3。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明，但本發(fā)明的保護范圍不限于以下實施例。

實施例1

一種激光聚變正交三柱黑腔，如圖1所示，由三個相同的圓柱狀空腔1經(jīng)中心對齊、正交拼接而成，即如圖2所示，三個相同的圓柱狀空腔1分別沿三維直角坐標的X軸、Y軸、Z軸的方向正交拼接而成，三個相同的圓柱狀空腔1交叉部位中空無腔壁，每個圓柱狀空腔1的兩端面中心開孔形成注入孔2，共有六個注入孔2。

進一步的，為綜合滿足點火條件的耦合效率和輻射對稱性等的要求，在設(shè)計靶丸直徑為2mm的前提下，圓柱狀空腔1的長度設(shè)計為9mm，內(nèi)徑為4mm。

激光注入孔開孔較大則便于激光注入，但能量漏失較多降低了黑腔耦合效率；開孔較小則激光較難注入，所以綜合考慮注入孔2的直徑設(shè)計為2.2mm。

進一步的，圓柱狀空腔1的內(nèi)壁由金制成。

進行激光注入時，每個注入孔2均采用單環(huán)激光注入，結(jié)合圖3和圖4所示，所有激光束3都以相對各自圓柱狀空腔1的腔軸呈相同的入射角θ入射各個注入孔2，θ為50°。其中，圖4中所示的為Y-Z平面內(nèi)圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖，在X-Z平面和X-Y平面的圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)也與Y-Z平面的結(jié)構(gòu)相同。視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交三柱黑腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，正交三柱黑腔的耦合效率接近于相應(yīng)尺寸的六孔球腔。其激光等離子體相互作用導(dǎo)致的背反份額很低，接近于相近直徑和充氣密度的柱腔的外環(huán)。其等離子體填充時間接近于相應(yīng)柱腔。

實施例2

一種激光聚變正交三柱黑腔，如圖1所示，由三個相同的圓柱狀空腔1經(jīng)中心對齊、正交拼接而成，即如圖2所示，三個相同的圓柱狀空腔1分別沿三維直角坐標的X軸、Y軸、Z軸的方向正交拼接而成，三個相同的圓柱狀空腔1交叉部位中空無腔壁，每個圓柱狀空腔1的兩端面中心開孔形成注入孔2，共有六個注入孔2。

進一步的，為綜合滿足點火條件的耦合效率和輻射對稱性等的要求，在設(shè)計靶丸直徑為2.2mm的前提下，圓柱狀空腔1的長度設(shè)計為9.5mm，內(nèi)徑為4.5mm。

激光注入孔開孔較大則便于激光注入，但能量漏失較多降低了黑腔耦合效率；開孔較小則激光較難注入，所以綜合考慮注入孔2的直徑設(shè)計為2.5mm。

進一步的，圓柱狀空腔1的內(nèi)壁由金制成。

進行激光注入時，每個注入孔2均采用單環(huán)激光注入，結(jié)合圖3和圖4所示，所有激光束3都以相對各自圓柱狀空腔1的腔軸呈相同的入射角θ入射各個注入孔2，θ為55°。其中，圖4中所示的為Y-Z平面內(nèi)圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖，在X-Z平面和X-Y平面的圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)也與Y-Z平面的結(jié)構(gòu)相同。視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交三柱黑腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，正交三柱黑腔的耦合效率接近于相應(yīng)尺寸的六孔球腔。其激光等離子體相互作用導(dǎo)致的背反份額很低，接近于相近直徑和充氣密度的柱腔的外環(huán)。其等離子體填充時間接近于相應(yīng)柱腔。

實施例3

一種激光聚變正交三柱黑腔，如圖1所示，由三個相同的圓柱狀空腔1經(jīng)中心對齊、正交拼接而成，即如圖2所示，三個相同的圓柱狀空腔1分別沿三維直角坐標的X軸、Y軸、Z軸的方向正交拼接而成，三個相同的圓柱狀空腔1交叉部位中空無腔壁，每個圓柱狀空腔1的兩端面中心開孔形成注入孔2，共有六個注入孔2。

進一步的，為綜合滿足點火條件的耦合效率和輻射對稱性等的要求，在設(shè)計靶丸直徑為2.4mm的前提下，圓柱狀空腔1的長度設(shè)計為10mm，內(nèi)徑為5mm。

激光注入孔開孔較大則便于激光注入，但能量漏失較多降低了黑腔耦合效率；開孔較小則激光較難注入，所以綜合考慮注入孔2的直徑設(shè)計為2.8mm。

進一步的，圓柱狀空腔1的內(nèi)壁由金制成。

進行激光注入時，每個注入孔2均采用單環(huán)激光注入，結(jié)合圖3和圖4所示，所有激光束3都以相對各自圓柱狀空腔1的腔軸呈相同的入射角θ入射各個注入孔2，θ為60°。其中，圖4中所示的為Y-Z平面內(nèi)圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)示意圖，在X-Z平面和X-Y平面的圓柱狀空腔交叉的結(jié)構(gòu)也與Y-Z平面的結(jié)構(gòu)相同。視角因子程序計算結(jié)果顯示，在不用內(nèi)外環(huán)功率比調(diào)控的情況下，正交三柱黑腔也表現(xiàn)出優(yōu)良的輻射對稱性，正交三柱黑腔的耦合效率接近于相應(yīng)尺寸的六孔球腔。其激光等離子體相互作用導(dǎo)致的背反份額很低，接近于相近直徑和充氣密度的柱腔的外環(huán)。其等離子體填充時間接近于相應(yīng)柱腔。

其中，上述實施例1~3中，靶丸尺寸與圓柱狀空腔的長度、直徑以及注入孔直徑之間的計算關(guān)系，為現(xiàn)有技術(shù)，計算方法可參照以下外國文獻：（1）Lindl, J. D. Development of the Indirect-Drive Approach to Inertial Confinement Fusion and the Target Physics Basis for Ignition and Gain. Phys. Plasmas 2, 3933-4024 (1995)；（2）Lindl, J. D. et al. The physics basis for ignition using indirect-drive targets on the National Ignition Facility. Phys. Plasmas 11, 339-491 (2004)；（3）Atzeni, S. & Meyer-ter-Vehn, J. in The Physics of Inertial Fusion 5 (Clarendon Press, Oxford, 2004)；（4）Haan, S. W. et al. Point design targets, specifications, and requirements for the 2010 ignition campaign on the National Ignition Facility. Phys. Plasmas 18, 051001 (2011)。