激光原理与技术激光在科学技术前沿问题中的应用.pptx

10.1 激光核聚变1.核聚变发生条件 核聚变是由较轻原子核聚合成较重原子核释放反应，常见的是由氢的同位素氘与氚聚合成氦并释放出能量。我们知道，所有原子核都带正电，两个原子核要聚到一起，必须克服静电斥力。两个核之间靠得越近，静电产生的斥力就越大，只有当它们之间互相接近的距离达到大约万亿分之三毫米时，核力（强作用力）才会伸出强有力的手，把它们拉到一起，从而放出巨大的能量。在太阳上由于引力巨大，可以把粒子压缩到核力作用的范围，氢的剧变可以自然而然地发生，但在地球自然条件下无法实现自发的持续核聚变。但如果粒子的动能非常大，足以克服静电排斥力，那么我们就可以人工实现核聚变。要达到如此大的动能，需要把温度升高到上亿摄氏度，所以剧变反应又叫“热核反应”，这个温度也叫“点火温度”。2.劳森条件 引发核聚变是需要供给能量使燃料达到其点火温度。但要建成一个有实用价值的反应器，就必须使热核反应放出的能量至少要和加热燃料所用的能量相等。这就得需要燃料能够充分反应。为了达到这一目的，就必须增加核燃料的密度，同时，由于等离子体极不稳定，所以还必须设法延长等离子体存在的时间。燃料核的密度越大，它们之间碰撞的机会越多，反应也就越充分。在一定燃料核密度下，稳定时间越长，反应也越充分。反应越充分，释放的能量的密度也就越多。计算表明要使热核反应器成为一个自行维持反应的系统的条件是 n(离子数密度)(稳定时间)常数 这一条件称为劳森判据。3.惯性约束控制方法 为了达到劳森条件，就需要建立特殊的装置，它能够将高温的等离子体进行压缩和约束，防止核燃料在上亿摄氏度的温度下迅速膨胀而使其密度变低。目前比较实用的能够满足劳森条件的装置有两类：磁力约束方法（Magnetic Confinement Fusion,MCF）和惯性约束方法（Inertial Confinement Fusion,ICF）。其中惯性约束是利用高功率的激光束或粒子束均匀照射用聚变材料制成的微型靶丸，在极短的时间内迅速加热压缩聚变材料使之达到极高的温度和密度，在其分离以前打到聚变反应时间，引起核聚变反应。如果使用通常的固态氘、氚密度来估计，它要求激光器在 秒内产生10亿焦耳的能量，从而对高功率的激光器提出了很高的要求。为了摆脱这种困境，科学家们设想大大提高氘、氚的密度来降低激光器能量的要求。4.光压力 早在1864年，麦克斯韦依据他的电磁波学说指出：射落在物体表面的光能够对该物体表面施加压力对于理想导体其理想光压 ，对于黑体其光为 。1990年俄国物理学家列别捷夫在实验中首次验证了这也理论。这样估计110万焦耳数量级的激光能量就可以实现热 核反应的点火。核燃料的压缩需要很高的压力，要把固体氘、氚的密度提高到1000倍左右就必须加上1000亿个大气压的超高压力。不过光有压力，通过高功率激光聚焦后，可以产生几百万至上千万个大气压的压力。光的电磁波学说认为：电磁波（意即光）落在理想导体表面上，导体中的自由电子便处在交变电磁场的作用范围内，按照电磁感应原理，在变化的磁场中的电荷应当获得附加的速度而形成的感应电流，但电流在磁场中要受到力，所以就形成了“光压力”。光的量子学说认为：射落到物体表面的一束光是一股微粒流，其中的每颗微粒（光量子）都具有能量（）和动量（）。如果被照射的物体能全部反射光，这就相当于光量子碰撞物体表面以后右一个一个地全部反推回越，于是每个光量子给物体表面的动量是：。若每秒每平方厘米内通过的光子数为 n,则物体每平方厘米的表面上每秒光动量变化为 ，即光压为 （）；如果是黑体可同样算出压 ，这与光的电磁波理论的结论一致。4.激光向心压缩技术 这是非常复杂的物理过程，通过多台高功率激光束几乎同时对位于中心的核材料进行照射，通过激光的光压力使得核材料满足劳森条件。经 过 10余年实际制造，美国的“国家点火装置”(包括192束激光）在2009年投入试验，下图为其外壳：虽然高功率的激光能够产生几百万至上千万个大气压的光力，但还远达不到劳森条件的要求，所以科学家们发展了一种激光向心压缩技术。5.黑洞靶（或称炮球靶）的引用 在激光向心压缩技术中重要的问题是如何使驱动能量最有效地被吸收和产生最大压缩。所以有人提出，利用相似于黑洞的原理来提高入射光能的利用率。原理图 在靶外球直径约为400-500um,壁厚4-6um,球壁上的小孔直径40-100um.入射激光镜头聚焦后的焦点，就在这小孔 上。这样激光几乎可全部进入球内，最终 被吸收。黑洞靶的原理：当激光由小孔进入后，首先被外球壳内表面吸收，产生高温等离 体 和X光，使外球壳与内球外的空间，充满着X光和等离子体的气，这种气就在两个面之间产生来回不断地冲击波和反射波，同时也不断地压缩内球并提高它的温度，使得激光的利用率提高很多。这两图分别为美国“国家点火装置”中黑洞靶，以及激光入射时的模拟图。在燃料舱（即左上图的圆柱体）放着豌豆大小的冰冻氢燃料6.激光束的转换 激光束在进入目标舱内之前，必须要先由红外线转换成紫外线，因为紫外线对加热目标燃料更为有效。激光转换过程必须要使用磷酸二氢钾晶体。图中的这块磷酸二氢钾晶体重约360公斤。首先将一粒籽晶放入一个高约2米的溶液桶中，经过两个月的培养才可形成如此巨型的晶体。然后将晶体切割成一个个截面积约为40平方厘米的小块。“国家点火装置”共需要大约600多块这样的晶体小块。7最大脉冲装置建成，中国跻身世界四强最大脉冲装置建成，中国跻身世界四强 美国日前建成世界最大激光器，而由华中科技大学科研人员自主研制的中国最大脉冲强磁场实验装置样机系统也组装、调试完成。3月31日，该系统首次向前来参加“脉冲强磁场下的前沿科学问题”国际学术研讨会的国内外专家进行开放演示。该校电气工程学院副院长陈晋表示，该样机系统自身就是一套完整的脉冲强磁场实验装置，脉冲强磁场中心将接受校内外用户申请，使用该装置开展一系列科学实验。目前，该实验站已经开始科学实验，测量精度超过比利时鲁汶大学同类型实验站。脉冲强磁场实验装置拥有多学科前沿基础研究必需的实验测量系统和技术支撑系统，能够满足我国前沿科学研究对于脉冲强磁场极端实验条件的需要。实验装置建成后，将成为面向国内外开放的公共实验平台，并成为与美国、法国、德国脉冲强磁场实验室并列的世界四大强磁场科学研究中心之一。谢谢观赏