[0001] 本发明涉及激光聚变黑腔设计领域，具体涉及一种激光聚变正交椭球腔。

[0002] 激光惯性约束聚变，作为人类科学利用聚变能的“终极能源梦”解决方案之一，是采用激光作为驱动器压缩氘氚燃料靶丸，在高密度燃料等离子体的惯性约束时间内，实现热核聚变点火燃烧科学研究领域。

[0003] 在间接驱动激光聚变中，激光束通过注入孔注入到一个高原子序数材料制成的命名为黑腔的中空腔体内，转化为X光辐照黑腔中心的低原子序数材料靶丸，使靶丸中心燃料达到高温高密度的聚变点火条件。为达到该点火条件，需要将靶丸压缩30倍以上，因而黑腔辐射驱动不对称性需控制在1%以下，这正是一个好的黑腔设计的关键要求。目前，两端各开一个注入孔的圆柱状黑腔是传统主流设计，并在美国点火攻关等项目中被大量研究。为了在柱腔中达到需要的高对称性，采用了多环注入的方式，通过调控内外环功率比来控制低阶不对称性。但内环激光由于靠近靶丸烧蚀出的低原子序数等离子体和压缩的填充气体，会产生相当大份额的背向反射，且多束激光交叠会产生难以控制的束间能量转移，且外环产生的高原子序数等离子体还会影响内环光束的传输，这些都使得多环注入和内外环功率比调控非常困难。而且，内外环功率比调控技术非常依赖于程序模拟，而激光等离子体相互作用区域的等离子体是非局域热动平衡的，很难精确计算。除了柱腔，椭球腔、四或六孔球腔等许多其它形状的黑腔也被提出和研究能否改善黑腔内的辐射环境：椭球腔虽能提高能量耦合效率，但类似柱腔有多环注入和内外环功率比调控的困难；四孔或六孔球腔在辐射均匀性上有天然的优势，但四孔球腔要保持良好的辐射均匀性则很难采用单环注入方式，而六孔球腔则耦合效率较低。

[0004] 本发明提供了一种激光聚变正交椭球腔，可有效改善黑腔内的辐射环境。

[0005] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：三个相同的椭球腔中心对齐、正交拼接成正交椭球腔，所述椭球腔为椭圆沿椭圆长轴旋转而成的中空椭球腔体，交叉部位中空无腔壁，平行于每个椭球腔短轴方向切除两端头形成开孔椭球腔，开孔作为激光注入孔。

[0006] 进一步的，在设计靶丸直径为1.8 2.4mm的前提下，所述开孔椭球腔的两个注入孔~所在端面之间的间距为9 11mm，所述椭球腔不含腔壁厚度的短轴长度为5 6mm。
~ ~

[0007] 进一步的，所述激光注入孔的直径为2.4 3mm。~

[0008] 进一步的，所述椭球腔腔壁厚度≥10μm。优选的，所述椭球腔腔壁厚度≤100μm。

[0009] 进一步的，所述正交椭球腔的内壁由金制成。

[0010] 本发明还提供了利用以上所述的正交椭球腔进行激光聚变的方法，包括以下步骤：每个注入孔均采用单环激光注入，所有激光束都以相对所在的椭球腔长轴成相同的入射角入射各个注入孔，所述入射角为50°60°。~

[0011] 以上所述的激光聚变正交椭球腔，具有以下优点：（1）激光注入：正交椭球腔的每个椭球两端开孔，共有六个激光注入孔，每个注入孔的激光注入相互独立，每个注入孔均采用单环激光注入，不存在多环注入所带来的束间能量交换、高背反份额、外环等离子体泡对内环激光传输的遮挡等问题。当进行激光注入时，所有激光束都以相对所在的椭球腔长轴成相同50°60°的入射角入射各个注入孔，每一个注~
入孔的激光近似旋转对称注入，在研究激光等离子体相互作用问题时可方便地采用二维近似。

[0012] （2）时变对称性：视角因子程序计算结果显示，在不用内外环功率比调控的情况下，正交椭球腔也表现出优良的辐射对称性，其时变不对称性在整个驱动过程中始终小于1.0%。

[0013] （3）背反份额：由于正交椭球腔每个注入孔均采用单环激光注入，其激光等离子体相互作用导致的背反份额很低，接近于相近直径和充气密度的柱腔的外环。

[0014] （4）耦合效率：正交椭球腔的耦合效率大幅高于其他黑腔，平均比典型近真空柱腔高约22%、比典型四孔球腔高约17%、比典型六孔球腔高约29%。

[0015] （5）等离子体填充：由于正交椭球腔内激光打击点所在环面的几何尺寸与相应柱腔相近，由解析公式计算，其等离子体填充时间接近于相应柱腔。

[0016] 综上，本发明正交椭球腔具有柱腔、四孔或六孔球腔等几种黑腔的大部分优势，特别是其耦合效率大幅高于其他黑腔，且可预见的风险较小，是一种极具竞争力的点火候选腔型。附图说明

[0017] 图1是本发明正交椭球腔立体结构示意图。

[0018] 图2是本发明X-Y平面内椭球状空腔交叉的结构示意图。

[0019] 图3是本发明正交椭球腔三维激光注入结构示意图。

[0020] 图中，正交椭球腔1，注入孔2，激光束3。

[0021] 以下结合具体实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于以下实施例。

[0022] 实施例1一种激光聚变正交椭球腔，如图1所示，由三个相同的椭球腔中心对齐、分别沿三维直角坐标的X轴、Y轴、Z轴的方向正交拼接而成，所述椭球腔为椭圆沿椭圆长轴旋转而成的中空椭球腔体，交叉部位中空无腔壁。平行于每个椭球腔短轴方向切除两端头形成开孔椭球腔1，开孔作为激光注入孔2，共有六个注入孔2。

[0023] 图2是本发明X-Y平面内椭球状空腔交叉的结构示意图，虚线所示意的部分为无实体的部分，由椭球腔交互切割而成；在X-Y平面上，长轴沿X轴方向的椭球腔，短轴方向即平行于Y轴的方向，沿该方向切除该腔两端头形成开孔作为激光注入孔2，激光束3从激光注入孔2注入；其它两个长轴分别沿Y轴、Z轴方向的椭球腔类似；在X-Z平面和Y-Z平面，正交椭球腔1的结构类似。

[0024] 进一步的，基于激光聚变点火、激光等离子体相互作用理论计算和激光器等的工程实际，靶丸尺寸、结构、材料，激光束尺寸、排布、持续时间和波形，等离子体聚心运动时间和填充气体密度等都有一定要求，相应椭球腔尺寸也限定在一定范围内，黑腔尺寸较小时耦合效率较高，同时还需综合考虑辐射对称性等。根据激光聚变理论设计，靶丸直径为2mm时，本实施例的开孔椭球腔的两个注入孔所在端面之间的间距为9mm，椭球腔内的短轴全长为5mm，腔壁厚度为20μm。

[0025] 进一步的，注入孔开孔较大便于激光注入，但能量漏失较多降低了黑腔耦合效率；开孔较小则激光较难注入，综合考虑以上黑腔耦合效率和激光注入难度，本实施例注入孔的直径为2.4mm。

[0026] 进一步的，所述开孔椭球腔的内壁由金制成。

[0027] 结合图2和图3所示，利用以上所述的正交椭球腔进行激光聚变的方法，包括以下步骤：每个注入孔均采用单环激光注入，所有激光束3都以相对所在的椭球腔长轴成相同的入射角入射各个注入孔2，所述入射角θ为50°。

[0028] 视角因子程序计算结果显示，在不用内外环功率比调控的情况下，正交椭球腔也表现出优良的辐射对称性，其时变不对称性在整个驱动过程中始终小于1.0%；其耦合效率比典型近真空柱腔高约24%、比典型四孔球腔高约19%、比典型六孔球腔高约31%；由于正交椭球腔每个注入孔均采用单环激光注入，其激光等离子体相互作用导致的背反份额很低，接近于相近直径和充气密度的柱腔的外环；由于正交椭球腔内激光打击点所在环面的几何尺寸与相应柱腔相近，由解析公式计算，其等离子体填充时间接近于相应柱腔。

[0029] 实施例2一种激光聚变正交椭球腔，如图1所示，由三个相同的瘦长形椭球腔中心对齐、分别沿三维直角坐标的X轴、Y轴、Z轴的方向正交拼接而成，所述椭球腔为椭圆沿椭圆长轴旋转而成的中空椭球腔体，交叉部位中空无腔壁。平行于每个椭球腔短轴方向切除两端头形成开孔椭球腔1，开孔作为激光注入孔2，共有六个注入孔2。

[0030] 图2是本发明X-Y平面内椭球状空腔交叉的结构示意图，虚线所示意的部分为无实体的部分，由椭球腔交互切割而成；在X-Y平面上，长轴沿X轴方向的椭球腔，短轴方向即平行于Y轴的方向，沿该方向切除该腔两端头形成开孔作为激光注入孔2，激光束3从激光注入孔2注入；其它两个长轴分别沿Y轴、Z轴方向的椭球腔类似；在X-Z平面和Y-Z平面，正交椭球腔1的结构类似。

[0031] 进一步的，基于激光聚变点火、激光等离子体相互作用理论计算和激光器等的工程实际，靶丸尺寸、结构、材料，激光束尺寸、排布、持续时间和波形，等离子体聚心运动时间和填充气体密度等都有一定要求，相应椭球腔尺寸也限定在一定范围内，黑腔尺寸较小时耦合效率较高，同时还需综合考虑辐射对称性等。根据激光聚变理论设计，靶丸直径为2.2mm时，本实施例的开孔椭球腔的两个注入孔所在端面之间的间距为10mm，椭球腔内的短轴全长为5.5mm，腔壁厚度为20μm。

[0032] 进一步的，注入孔开孔较大便于激光注入，但能量漏失较多降低了黑腔耦合效率；开孔较小则激光较难注入，综合考虑以上黑腔耦合效率和激光注入难度，本实施例注入孔的直径为2.4mm。

[0033] 进一步的，所述开孔椭球腔的内壁由金制成。

[0034] 结合图2和图3所示，利用以上所述的正交椭球腔进行激光聚变的方法，包括以下步骤：每个注入孔均采用单环激光注入，所有激光束3都以相对所在的椭球腔长轴成相同的入射角入射各个注入孔2，所述入射角θ为55°。

[0035] 视角因子程序计算结果显示，在不用内外环功率比调控的情况下，正交椭球腔也表现出优良的辐射对称性，其时变不对称性在整个驱动过程中始终小于1%；其耦合效率比典型近真空柱腔高约22%、比典型四孔球腔高约17%、比典型六孔球腔高约29%；由于正交椭球腔每个注入孔均采用单环激光注入，其激光等离子体相互作用导致的背反份额很低，接近于相近直径和充气密度的柱腔的外环；由于正交椭球腔内激光打击点所在环面的几何尺寸与相应柱腔相近，由解析公式计算，其等离子体填充时间接近于相应柱腔。

[0036] 实施例3一种激光聚变正交椭球腔，如图1所示，由三个相同的瘦长形椭球腔中心对齐、分别沿三维直角坐标的X轴、Y轴、Z轴的方向正交拼接而成，所述椭球腔为椭圆沿椭圆长轴旋转而成的中空椭球腔体，交叉部位中空无腔壁。平行于每个椭球腔短轴方向切除两端头形成开孔椭球腔1，开孔作为激光注入孔2，共有六个注入孔2。

[0037] 图2是本发明X-Y平面内椭球状空腔交叉的结构示意图，虚线所示意的部分为无实体的部分，由椭球腔交互切割而成；在X-Y平面上，长轴沿X轴方向的椭球腔，短轴方向即平行于Y轴的方向，沿该方向切除该腔两端头形成开孔作为激光注入孔2，激光束3从激光注入孔2注入；其它两个长轴分别沿Y轴、Z轴方向的椭球腔类似；在X-Z平面和Y-Z平面，正交椭球腔1的结构类似。

[0038] 进一步的，基于激光聚变点火、激光等离子体相互作用理论计算和激光器等的工程实际，靶丸尺寸、结构、材料，激光束尺寸、排布、持续时间和波形，等离子体聚心运动时间和填充气体密度等都有一定要求，相应椭球腔尺寸也限定在一定范围内，黑腔尺寸较小时耦合效率较高，同时还需综合考虑辐射对称性等。根据激光聚变理论设计，靶丸直径为2.4mm时，本实施例的开孔椭球腔的两个注入孔所在端面之间的间距为11mm，椭球腔内的短轴全长为6mm，腔壁厚度为20μm。

[0039] 进一步的，注入孔开孔较大便于激光注入，但能量漏失较多降低了黑腔耦合效率；开孔较小则激光较难注入，综合考虑以上黑腔耦合效率和激光注入难度，本实施例注入孔的直径为3mm。

[0040] 进一步的，所述开孔椭球腔的内壁由金制成。

[0041] 结合图2和图3所示，利用以上所述的正交椭球腔进行激光聚变的方法，包括以下步骤：每个注入孔均采用单环激光注入，所有激光束3都以相对所在的椭球腔长轴成相同的入射角入射各个注入孔2，所述入射角θ为60°。

[0042] 视角因子程序计算结果显示，在不用内外环功率比调控的情况下，正交椭球腔也表现出优良的辐射对称性，其时变不对称性在整个驱动过程中始终小于1%；其耦合效率比典型近真空柱腔高约20%、比典型四孔球腔高约15%、比典型六孔球腔高约27%；由于正交椭球腔每个注入孔均采用单环激光注入，其激光等离子体相互作用导致的背反份额很低，接近于相近直径和充气密度的柱腔的外环；由于正交椭球腔内激光打击点所在环面的几何尺寸与相应柱腔相近，由解析公式计算，其等离子体填充时间略大于相应柱腔。

[0043] 实施例3的参数设计虽然降低了一些耦合效率，但提高了辐射均匀性，更便于激光注入，也增大了等离子体填充时间。

[0044] 其中，上述实施例1 3中，靶丸尺寸与两个注入孔所在端面之间的间距、椭球腔内~的短轴全长、注入孔的直径之间的计算关系，为现有技术，计算方法可参照以下外国文献：
（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).
验证实施例
以下对计算方法和证明过程进行说明：
辐射流不对称性、耦合效率、等离子体填充等是评估黑腔品质的最重要方面，辐射流不对称性用视角因子程序计算，耦合效率和等离子体填充可用解析模型计算。典型结果如表1所示，可见正交椭球腔(采用实施例2参数)的时变不对称性均方根在整个驱动过程中始终小于0.08%，极值始终小于0.19%，优于典型近真空柱腔和典型六孔球腔；靶丸吸收的能量份额即是实际有用的黑腔到靶丸的能量耦合效率，正交椭球腔为12.31%，大幅高于其他黑腔，比靶丸吸收10.05%的典型近真空柱腔高约22%、比靶丸吸收9.55%的典型六孔球腔高约29%；
等离子体填充时间接近于典型近真空柱腔。

[0045] 表1为典型近真空柱腔、典型六孔球腔和正交椭球腔的评估比较表，都选用相同的直径为2.2mm的靶丸，和直径为2.4mm的注入孔。激光光斑区域相对黑腔壁的辐射流比率设为2。时间平均的腔壁和靶丸的反照率分别设为0.8和0.3。近真空柱腔的等离子体环境复杂，激光束细致排布尚未明确，其辐射流不对称性未给出，但定性上差于其它腔。填充体积设为等同黑腔体积。表1中的填充时间相对τf-Rev5归一化，τf-Rev5为美国点火攻关项目中第五版柱腔Rev5-CH (辐射温度300 eV)的填充时间。

[0046] 表1正交椭球腔的最大优势是其耦合效率大幅高于其他黑腔，更高的耦合效率能节省激光能量，提高聚变增益，放大黑腔尺寸等以便降低充气密度和调控出更优的对称性，以及便于放宽其他条件。根据黑腔反照率和辐射温度空间均匀性的简化近似，当黑腔变化量相对较小时，稳态下的黑腔内功率平衡可描述为：
，(1)
其中 为散射光能量份额， 为激光-X光转化效率， 为激光总能量， 为Stefan-Boltzmann常数， 为黑腔辐射温度， 分别为黑腔内壁、靶丸和注入孔的面积，分别为黑腔内壁、靶丸和注入孔的反照率。

[0047] 因而腔壁漏失、靶丸吸收、注入孔漏失的能量份额可被描述为一个统一的表达式：  ，(2)
利用公式（2）可计算得表1中的各项能量份额，其中靶丸吸收的能量份额即是实际有用的黑腔到靶丸的能量耦合效率。