點(diǎn)火裝置 美國國家點(diǎn)火裝置
這些圖像顯示了實(shí)驗(yàn)中使用的膠囊表面每單位面積的計(jì)算激光功率 。黑點(diǎn)表示膠囊表面上的點(diǎn) 。來源:勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室 。
【點(diǎn)火裝置 美國國家點(diǎn)火裝置】在國家點(diǎn)火裝置(NIF)使用的極性直接驅(qū)動爆炸推進(jìn)器(PDXP)平臺上測試了純硼、碳化硼、高密度碳和氮化硼燒蝕材料的性能 。這些燒蝕材料包圍聚變?nèi)剂?nbsp;， 并在實(shí)驗(yàn)中與激光或腔輻射耦合 。該平臺使用極性直接驅(qū)動配置來驅(qū)動室溫膠囊中的高離子溫度 ， 并在等離子體物理研究和作為中子源方面具有潛在的應(yīng)用 。
這項(xiàng)工作的重要發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)在高能量密度物理學(xué)中 ， 表明這些備用燒蝕體并沒有改善PDXP內(nèi)爆的對稱性 ， 根據(jù)作者希瑟·惠特利(Heather whitley)的說法 ， 勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL) ， 高能量密度基礎(chǔ)科學(xué)武器物理系的相關(guān)項(xiàng)目主任 。
她說 ， “雖然我們的模擬預(yù)測 ， 由于缺乏內(nèi)爆對稱性 ， 這個(gè)平臺無法接受電子-離子耦合測量 ， 但替代材料確實(shí)可以使激光和膠囊之間的耦合更好 。”\"我們計(jì)劃在未來的中子源實(shí)驗(yàn)中測試這些預(yù)測的影響.\"
LLNL的中子源工作組正在研究耦合的改進(jìn) ， 因?yàn)樗梢詭椭黾訕O性直驅(qū)中子源的輸出 ， 最終為直驅(qū)模擬的激光建模的有效性提供數(shù)據(jù) 。
通過這項(xiàng)工作 ， 團(tuán)隊(duì)還幫助慣性約束聚變模擬代碼的開發(fā)者實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的電子-離子耦合模型 ， 直接驅(qū)動內(nèi)爆的建模與這項(xiàng)代碼開發(fā)密切相關(guān) 。
NIF提供了獲取極熱等離子體數(shù)據(jù)的途徑 ， 這有助于驗(yàn)證和改進(jìn)各種實(shí)驗(yàn)室和天體物理系統(tǒng)的輻射流體動力學(xué)模型 。NIF的主要目標(biāo)之一是在實(shí)驗(yàn)室的氘氚等離子體中點(diǎn)火 ， 但成功設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)一直是一個(gè)挑戰(zhàn) 。這些實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)在很大程度上取決于基于對這些熱等離子體行為的理解和假設(shè)的計(jì)算機(jī)模型 。
作為博士后 ， 惠特利參與了Cimarron項(xiàng)目 ， 這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)的研發(fā)項(xiàng)目 ， 旨在利用高性能計(jì)算研究點(diǎn)火等離子體的物理 。
“Cimarron的目標(biāo)是開發(fā)新的模型來描述微觀層面的傳熱傳質(zhì) ， 以幫助改進(jìn)我們的點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?nbsp;， ”她說 。“在完成計(jì)算機(jī)模型的工作后 ， 我們想用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來測試我們的新模型 ， 并開發(fā)了PDXP平臺作為創(chuàng)建非平衡等離子體的一種方式 。”
在這些實(shí)驗(yàn)中 ， 在非常強(qiáng)的激光的沖擊下 ， 離子比電子受熱更快 。該團(tuán)隊(duì)打算使用時(shí)間分辨光譜 ， 這是一種測量等離子體在特定頻率下發(fā)出多少光的方法 ， 以便在實(shí)驗(yàn)過程中測量離子和電子的溫度作為時(shí)間的函數(shù) 。這些數(shù)據(jù)將使研究小組能夠直接與Cimarron項(xiàng)目開發(fā)的“電子-離子耦合”模型進(jìn)行比較 。“電子-離子耦合”是描述等離子體中離子和電子如何交換能量的參數(shù) 。
在NIF下測試實(shí)驗(yàn)材料的性能 。
“PDXP平臺是由NIF開發(fā)的 ， 用于研究電子離子平衡 ， 但它最終成為了其他幾項(xiàng)活動的理想中子源 ， ”論文的合著者、該平臺的第一位實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人Marilyn Schneider說 。
施耐德說 ， “這個(gè)平臺最大的優(yōu)點(diǎn)是簡單——一個(gè)充滿燃料的球形外殼 ， 允許從任何(和所有)NIF港口進(jìn)行多次診斷 ， 以獲得數(shù)據(jù)并產(chǎn)生高中子產(chǎn)額 。”“這項(xiàng)研究從理論上研究了性能(中子產(chǎn)額)與彈殼成分和厚度的關(guān)系 。”
LLNL的物理學(xué)家查爾斯·耶曼斯(Charles Yeamans)正準(zhǔn)備用一些實(shí)驗(yàn)來替代論文中描述的燒蝕材料 。他說 ， 這項(xiàng)工作通過非常復(fù)雜的物理計(jì)算描述了一種特殊的方式 ， 然后將這種方法應(yīng)用于預(yù)測不同膠囊材料在NIF實(shí)驗(yàn)中可能產(chǎn)生的影響 。
這項(xiàng)工作描述了LLNL物理學(xué)家施耐德和麻省理工學(xué)院的瑪利亞·加托·約翰遜先前對塑料膠囊進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如何用于理解為什么某些方法在系統(tǒng)建模和預(yù)測觀察中最有效 。該過程的下一步是基于對不同膠囊材料的方法學(xué)應(yīng)用進(jìn)行新的預(yù)測 。
他解釋說:“我們基于這些模型設(shè)計(jì)了新的實(shí)驗(yàn) ， 這些實(shí)驗(yàn)預(yù)測了特別有用的性能改善 ， 如更高的產(chǎn)量 ， 或預(yù)測了測量量的巨大變化 ， 如內(nèi)爆膠囊的軌跡或核燃燒的溫度 。”“然后 ， 我們進(jìn)行了NIF實(shí)驗(yàn) ， 以測試計(jì)算是否真的成功預(yù)測了性能的變化 。”
他說 ， 他的任務(wù)是了解現(xiàn)有的NIF拍攝數(shù)據(jù) ， 理解模型預(yù)測的意義 ， 并綜合這兩種信息來設(shè)計(jì)接下來的一系列實(shí)驗(yàn) ， 并為這些實(shí)驗(yàn)做準(zhǔn)備 。
最初的設(shè)計(jì)始于2016年 ， 使用塑料外殼或燒蝕器 ， 其中填充了含有微量氬摻雜劑的氘氣 。光譜采用氬氣測量 ， 設(shè)計(jì)保證了電子和離子之間的溫度分離 ， 使得測量可行 。
施耐德·加托·約翰遜拍攝的2016-2017年拍攝的內(nèi)爆圖像顯示 ， 塑料外殼在內(nèi)爆過程中變形非常嚴(yán)重 。直接擊中太空艙Tai 空的激光束在內(nèi)爆外殼上留下了非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu) 。在這些爆炸之后 ， 惠特利和他的團(tuán)隊(duì)假設(shè) ， 通過增加氘壓力或改善材料和激光之間的相互作用 ， 改用不同的燒蝕材料可能會產(chǎn)生更對稱的內(nèi)爆 。
NIF實(shí)驗(yàn)匯集了大型團(tuán)隊(duì) 。
惠特利表示 ， 該項(xiàng)目很好地展示了實(shí)驗(yàn)室如何與學(xué)術(shù)界合作 ， 應(yīng)用計(jì)算資源和實(shí)驗(yàn)平臺來提高對點(diǎn)火等離子體的理解和預(yù)測建模的能力 。
Frank Graziani是Cimarron項(xiàng)目經(jīng)理和LLNL高能量密度科學(xué)中心的負(fù)責(zé)人 。他說 ， PDXP平臺和燒蝕材料運(yùn)動是一項(xiàng)國際努力 ， 涉及設(shè)計(jì) ， 實(shí)驗(yàn)和計(jì)算專業(yè)知識 ， 來自LLNL ， 激光能量學(xué) ， 原子武器建立實(shí)驗(yàn)室 ， 麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)伯克利分校 。
他說 ， “我們繼續(xù)對等離子體物理模型的驗(yàn)證感興趣 ， 比如高能量密度物理機(jī)制下的電子-離子耦合 。”“PDXP平臺是向前邁出的重要一步 ， 它允許我
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