激光排布确定方法、激光装置使用方法、六孔球腔和系统与流程

本申请涉及能源领域，特别是一种激光排布确定方法、激光装置使用方法、六孔球腔和球形辐射场产生系统。

背景技术：

间接驱动是实现点火及高增益惯性约束聚变(icf)的重要途径，而产生一个具有高辐照均匀度的辐射场是实现聚变点火的先决条件。在间接驱动研究中，激光被以一定的角度从一个黑腔的激光注入孔注入到高z(即高核电荷数)材料黑腔腔壁上，激光在腔壁上转换为x光，形成具有高辐照均匀度的x光辐射场，驱动并压缩位于黑腔中心的氘氚靶丸，靶丸被压缩加热至极高的温度、密度和压力后实现聚变并释放出足够的能量。激光注入黑腔所产生的辐射场的均匀性主要取决于黑腔构型和激光排布。

在长达近五十年的间接驱动研究中，具有两个激光注入孔(leh)的柱形黑腔是国际icf领域中研究得最多的腔型。包括现今世界上最大的两个激光装置——于2009年建成的美国国家点火装置nif和尚在建设中的法国兆焦耳激光器lmj，日本大阪大学的gekko-xii、美国利弗摩尔国家实验室的nova、英国的orion、中国的神光系列装置等等，都是针对柱腔设计的。在含靶丸的柱腔中，其构型通常可以用三个几何比例来描述：柱腔长度与其直径之比、柱腔与其激光注入孔的直径之比、柱腔与靶丸的直径之比。若不采用其它人为调节方法，柱腔中无法获取具有高辐照均匀度的黑腔辐射场来驱动靶丸内爆。

在惯性约束聚变中，内爆靶丸对辐射场的均匀性有极高的要求，通常要求辐照不均匀度要低于1％。为了在柱腔中创造出具有高辐照均匀度的球形辐射驱动力，激光通常由位于柱腔两端的激光注入孔以多个角度注入黑腔。在中国神光装置上，一共有48束激光，其入射角分别为28.5度、35度、49.5度和55度。在美国nif装置上，一共有192束激光，形成48个集束，从柱腔两端分别以23.5度、30度、44.5度和50度由激光注入孔注入柱腔。其中，以两个较小角度注入的激光统称为内环激光，以两个较大角度注入的激光统称为外环激光。特别地，激光装置的构型设计主要取决于黑腔构型及其激光排布。比如，耗资30多亿美元的美国nif装置占地有三个足球场大，而其整个结构设计就是针对柱腔及其双环4角度激光排布。这样的激光装置一旦建成，几乎无法再根据其它构型的黑腔改建其激光排布。然而，仅采用激光多环、多角度注入柱腔的方式仍然无法创造出满足点火靶丸所需要的球形辐射驱动力。因此，美国利弗摩尔国家实验室的科学家还同时采用束间功率平衡方法，使得不同角度的激光具有不同的功率时间波形；并发明了三色光技术，通过交叉束能量转移将外环激光的能量转移至内环激光，以期获取满足内爆靶丸实现聚变点火所要求的具有高辐照均匀度的辐射驱动力。

然而，用于调节辐射场均匀性的束间功率平衡技术和三色光技术均对理论及数值模拟有极高的要求，而目前的理论研究难以给出精准的束间功率平衡设计和三色光设计。此外，针对柱腔设计的传统激光排布，由于其中柱腔内环激光距靶丸很近，这不仅会严重影响靶丸内爆性能，还会产生严重的激光-等离子体不稳定性并导致高份额的激光背向散射，从而使黑腔中的辐射环境非常复杂，难以产生具有高辐照均匀度的球形辐射驱动力。事实上，自美国nif装置建成至今已经十年多过去了，尽管它在激光聚变点火研究中取得了许多重大进展，但到目前为止，仍未能成功实现点火这一最为重要的目标。对nif实验的深度研究表明，nif实现点火的三大障碍分别来自于靶丸上的辐照不均匀度难以满足物理要求、内环光存在严重的激光-等离子体不稳定性、及靶丸流体力学不稳定性，其中前两个障碍都与黑腔构型及其激光排布直接相关，而第三个障碍也与黑腔构型及其激光排布密切相关。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例中一方面提出一种激光排布确定方法和一种激光装置使用方法，另一方面提出一种六孔球腔和一种球形辐射场产生系统，用以利用已有激光装置产生均匀的黑腔辐射场。

本发明实施例中提出的一种激光排布确定方法，包括：

根据针对两孔柱腔构型设计的激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据六孔球腔的腔内辐射场的温度要求，确定对应所述激光装置的六孔球腔模型；

根据六孔球腔的理想激光排布，确定出激光注入的限制条件；

根据所述激光注入限制条件，对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移，得到所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布。

在一个实施方式中，所述激光注入的限制条件包括：

激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；

禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；

避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；

避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表1所示激光光束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表1

所述确定对应的六孔球腔模型满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔模型的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则得到的所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表2所示激光集束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表2

所述确定对应的六孔球腔模型满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔模型的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表2中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则得到的所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

在一个实施方式中，进一步包括：根据所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布，对所述六孔球腔模型的激光注入孔进行适配性的优化微调。

在一个实施方式中，进一步包括：对所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布中对应所述六孔球腔赤道区和极区的激光注入孔的能量差进行调节，以优化六孔球腔中心处辐射场均匀度。

本发明实施例中提出的一种激光装置的使用方法，所述激光装置为针对两孔柱腔构型设计的激光装置；该方法包括：

确定所述激光装置用于一六孔球腔模型的激光排布；其中，所述六孔球腔模型根据所述激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据六孔球腔的腔内辐射场温度要求确定；所述激光排布根据预先确定的激光注入限制条件，通过对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移得到；

利用满足所述激光排布的激光束或集束注入所述六孔球腔模型中。

在一个实施方式中，所述激光注入的限制条件包括：

激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；

禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；

避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；

避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表1所示激光光束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表1

所述六孔球腔模型满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔模型的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表2所示激光集束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表2

所述六孔球腔模型满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔模型的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表2中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

本发明实施例中提出的一种六孔球腔包括一球形腔体，且所述腔体上开有六个激光注入孔；

所述腔体的球腔半径和激光注入孔半径根据一针对两孔柱腔构型设计的激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据所述腔体内辐射场所需温度确定；

所述六个激光注入孔用于接收来自所述激光装置的满足设定激光排布的激光注入；所述设定激光排布为根据预先确定的激光注入限制条件，对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移后得到的用于所述六孔球腔的激光排布；其中，所述激光注入限制条件根据六孔球腔的理想激光排布确定。

在一个实施方式中，所述激光注入的限制条件包括：

激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；

禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；

避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；

避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表1所示激光光束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表1

所述腔体的结构满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光装置用于所述六孔球腔的激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表2所示激光集束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表2

所述腔体的结构满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表2中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光装置用于所述六孔球腔的激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

本发明实施例中提出的一种球形辐射场产生系统，包括：一针对两孔柱腔构型设计的激光装置和一六孔球腔，其特征在于，

所述六孔球腔包括一球形腔体，所述球形腔体的内腔壁上含有高核电荷数材料，且所述腔体上开有六个激光注入孔；所述腔体的球腔半径和激光注入孔半径根据所述激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据所述腔体内辐射场所需温度确定；

所述激光装置用于采用针对所述六孔球腔确定的激光排布向所述六孔球腔的激光注入孔注入激光束，以使得所述激光束注入到所述六孔球腔壁后产生球形辐射场；其中，所述激光排布根据预先确定的激光注入限制条件，通过对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移得到。

在一个实施方式中，所述激光注入的限制条件包括：

激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；

禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；

避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；

避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表1所示激光光束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表1

所述腔体的结构满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

在一个实施方式中，所述激光装置为具有如下表2所示激光集束的激光装置；其中，θ和分别表示光束在一设定坐标系里的极角和方位角；

表2

所述腔体的结构满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度；

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表2中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

从上述方案中可以看出，本发明实施例中由于针对已有的针对两孔柱腔构型设计的激光装置，通过对其激光束组成按照六孔球腔模型的应用需求进行光束选择和光束微移，得到所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布，从而不仅可以充分利用已有针对两孔柱腔构型设计的激光装置，而且还可以得到一个球形的高辐照均匀度的辐射场。

进一步地，通过分别针对中国神光装置和美国nif装置确定其用于所述六孔球腔模型的激光排布，使得针对传统柱腔进行点火攻关效果不佳的激光装置可以获得具有高辐照均匀度的黑腔辐射场。

此外，通过调节赤道区与极区激光注入孔的能量差，可进一步提高六孔球腔中心处辐射场的辐照均匀度。

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中：

图1为目前一种六孔球腔的理想激光排布方案的示意图；

图2为本发明实施例中一种激光排布方法的示例性流程图；

图3a至图3f为神光装置六孔球腔最佳光束排布方案下标准六孔球腔模型中的光斑分布与腔内光束分布示意图。其中，图3a为极区孔周围腔壁上光斑分布；图3b为赤道区孔周围腔壁上光斑分布；图3c为角空间光斑分布图(横轴为激光注入角θ，纵轴为方位角)；图3d为32束方案下球腔内光束传播图；图3e为极区孔平面光束交叉重叠形貌图；图3f为赤道孔平面光束交叉重叠形貌图；

图4为美国nif装置六孔球腔最佳光束排布方案下标准六孔球腔激光注入示意图；

图5为本发明实施例中一种激光装置的使用方法的流程示意图；

图6为本发明实施例中提出的一种六孔球腔的结构示意图；

图7为本发明实施中一种球形辐射场产生系统的结构示意图。

具体实施方式

为了克服柱腔及其排布的以上缺点，本申请人提出了一种具有八面体对称性的六孔球腔及其激光排布方案，利用该腔型及其激光排布方案可产生天然的、皮实的、具有高辐照均匀度的、干净的辐射场，具有高能量耦合效率和低激光-等离子体不稳定性等独特优点。这里，激光排布至关重要，而六孔球腔的这些优点离不开它的理想激光排布设计。例如，图1示出了一种六孔球腔的理想激光排布方案。在理想激光排布方案中，所有光束或集束以相同的注入角θ入射到相应的注入孔中，注入角θ的范围处在50-60度之间，方位角均匀分布，φ＝-φ0+k*360°/nq(k＝1,…,nq)。其中，θ是激光束与相应的注入孔法线之间的张角，-φ0是初始的方位角，0＜φ0＜φm，φm＝360°/2nq，nq是每孔入射的激光集束数目。激光集束的总数目为6nq。可以看到，与柱腔激光注入方案多环、多角度、含小角度激光注入等特点非常不同的是：六孔球腔激光排布方案具有单环、单角度、大角度注入的特点，这使得激光束远离靶丸，从而使激光背反份额大大降低且激光传播不受靶丸烧蚀等离子体的影响。特别地，六孔球腔中靶丸内爆性能也不受激光束的影响。因此，六孔球腔具有高辐照均匀度、高能量耦合效率的独特优势，其点火概率远大于传统柱腔，是最佳点火黑腔构型，是未来点火装置的首选腔型。

然而，目前世界上所有用于icf研究的现有激光装置都是针对两孔柱腔构型设计的，而激光装置一旦建成，要再改动其激光排布则是一项耗时耗力耗巨资的庞大而复杂的工程，这使得改建激光装置几乎不可能。因此，在不改建激光装置的前提下，利用现有针对两孔柱腔构型设计的激光装置开展基于六孔球腔的激光聚变实验验证、研究和应用至关重要，因为这样可以为未来基于六孔球腔的点火装置及点火靶设计提供重要的参考。

为了利用现有针对两孔柱腔构型设计的激光装置实现基于六孔球腔的激光聚变，本申请发明人经过了大量的创造性劳动，考虑通过光束选择及移动光束瞄准点等方法，把现有激光装置的光束以接近六孔球腔理想激光排布方案的方式从六个激光注入孔注入到六孔球腔中，是利用现有激光装置产生具有高辐射均匀度的辐射场、实现六孔球腔激光聚变的最具可行性的方法。本发明实施例中，以中国神光装置和美国nif装置为例，给出了产生高辐照均匀度辐射场的最佳激光瞄准方法。利用本发明给出的最佳激光瞄准方法，可以利用六孔球腔在中国神光装置和美国nif装置上产生具有高辐照均匀度的辐射场，用于icf点火研究、流体力学不稳定性研究及其它需要具有高辐照均匀度辐射场的物理研究。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下举实施例对本发明进一步详细说明。

图2为本发明实施例中一种激光排布方法的示例性流程图。如图2所示，该方法可包括如下步骤：

步骤201，根据针对两孔柱腔构型设计的激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据六孔球腔的腔内辐射场所需温度，确定对应所述激光装置的六孔球腔模型。

本步骤中，六孔球腔一般是在球体的两侧极区分别设置一个激光注入孔，例如，对应实验室坐标系中的角度为(0°，0°)和(180°，0°)；在球体的赤道区均匀设置四个激光注入孔，例如，对应实验室坐标系中的角度为(90°，0°)、(90°，180°)、(90°，90°)、(90°，270°)。

考虑到激光装置的激光能量以及六孔球腔的腔内辐射场所需温度有可能会影响六孔球腔的球腔半径，而激光装置的激光注入角度及激光光束半径则可能影响六孔球腔的激光注入孔半径等，因此在确定对应的六孔球腔模型时可将上述条件考虑在内。

例如，在一个实施方式中，针对中国神光装置确定的六孔球腔模型可以为：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm。其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。

在一个实施方式中，针对美国nif装置确定的六孔球腔模型可以为：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm。

步骤202，根据六孔球腔的理想激光排布，确定激光注入的限制条件。

本步骤中，为了充分发挥六孔球腔的优势，考虑应使得激光装置的最终光束排布尽量接近六孔球腔的理想激光排布，为此需要确定出激光装置的激光注入应满足的条件，也即激光注入限制条件。

例如，本发明的一个例子中确定的激光注入的限制条件可包括：

(1)激光注入角θ必须接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内，即50-60度。这里涉及到两个要求。第一、θ不能小于45度。不能将激光打到对面半球，否则激光离靶丸近，会引起严重的激光-等离子体不稳定性并使球腔内等离子体环境变得复杂，从而影响靶丸内爆。第二、激光注入角不能大于临界角度θc。这里，θc由(rlcosθc-rqsinθc)＞hsinθc定义，其中，rl、rq、h的定义与前面一致，即rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。这是为了防止激光挂边、防止激光穿越腔壁烧蚀下来的稠密等离子体并产生严重的激光-等离子体不稳定性。

例如，针对中国神光装置，计算得到的临界角度θc＝67.5°。

(2)禁止激光光束从相邻leh等其他leh穿出，以防破坏靶室中光学组件和诊断元器件。为此，腔壁上的光斑边缘离leh的最小距离必须大于激光瞄准误差。

(3)避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠，以降低激光-等离子体不稳定性和高频x光(m带)的份额。

(4)避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉，以避免束间能量转移。

上述步骤201和步骤202没有严格的执行顺序，二者可以同步执行，或者也可以反过来执行，即先执行步骤202，再执行步骤201。

步骤203，根据所述激光注入限制条件，对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移，得到所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布。

例如，针对中国神光装置，表1中示出了神光装置的48束激光方位。这里，θ和分别表示光束在实验室坐标系里的极角和方位角。

表1

在考虑上述所有限制条件的情况下，在获取高辐照均匀度的同时，为了充分利用神光装置的能量，显然所用激光束越多越好。然而，研究结果表明：采用所有48束激光、甚至40束激光是不可能的。比如，对于48束方案，直接应用到六孔球腔时，会存在大于70°的激光入射角、由赤道leh注入的光束会从位于两极的leh穿出、及光束交叉等问题。对于40束方案，也存在着与48束方案类似的问题。综合考虑选择光束及重新瞄准激光的限制条件、黑腔能量学、靶丸辐照均匀性等因素，经过全面评估和选择，最终给出了含32束激光的神光装置最佳激光瞄准方案，即激光排布方案。

假如将六孔球腔的六个孔分别标记为：leh-i、leh-ii、leh-iii、leh-iv、leh-v、leh-vi，这些激光注入孔在实验室坐标系中的角度为：(90°，0°)、(90°，180°)、(90°，90°)、(90°，270°)、(0°，0°)和(180°，0°)。在神光装置上，激光从上、下两个方向以角度θ注入柱腔，这里θ为激光与柱腔注入孔法线方向的夹角。假如用uθ-n和dθ-n分别标记从上面和下面以角度θ注入黑腔的第n条光束，比如u28.5-1表示以角度28.5°从上面激光注入孔进入柱腔的第一条激光。在六孔球腔最佳光束排布方案中，位于极区的2个注入孔leh-v和leh-vi各有8条光束以49.5°或55°注入，位于赤道区的4个注入孔leh-i、leh-ii、leh-iii及leh-iv各有4条光束以61.5°或62.1°注入。因此，六孔球腔最佳光束排布方案中所有的激光注入角都落在50°至60°附近，接近六孔球腔的理想激光排布方案。六孔球腔最佳光束排布方案具体为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

图3a至图3f为神光装置六孔球腔最佳光束排布方案下标准六孔球腔模型中的光斑分布与腔内光束分布示意图。其中，图3a为极区孔周围腔壁上光斑分布；图3b为赤道区孔周围腔壁上光斑分布；图3c为角空间光斑分布图(横轴为激光注入角θ，纵轴为方位角图3d为32束方案下球腔内光束传播图；图3e为极区孔平面光束交叉重叠形貌图；图3f为赤道孔平面光束交叉重叠形貌图。可见，各激光束都是满足前述的激光注入限制条件的。

针对上述激光排布，发明人利用下面的功率平衡关系式对神光装置标准六孔球腔中的辐射温度进行了估计：

这里，ηal是吸收激光效率、ηlx是激光-x光转换效率，pl是激光功率，σ是stefan-boltzmann常数，αw和αc分别是黑腔腔壁和靶丸的反照率，aw和ac分别是黑腔内壁和靶丸的面积，aleh是所有激光注入孔的总面积。对于神光装置3ns平顶脉冲，每一束激光的功率为0.9tw，tw＝10¹²w/cm²(瓦/平方厘米)。由一维设计给出的靶丸半径为0.4mm。采用神光黑腔的典型数据：ηal＝90％，ηlx＝87％、αw＝0.83、αc＝0.3，则可得到神光标准六孔球腔中靶丸上辐射温度为176ev(电子伏)。之后，本发明人进一步利用数值模拟结果和实验验证了这一辐射温度结果。利用实验中的三维视因子程序vf3d，可以得到靶丸上的球谐展开模值为：y20＝0.021、y40＝0.0018、y44＝0.0014。注意，神光装置上六孔球腔中的辐射场仍然是y20为主，但其带来的辐照不均匀度远低于柱腔。可以看到，采用神光装置最佳光束排布方案，可以在标准六孔球腔获取一个非常均匀的球形辐射场。

又如，针对美国nif装置，表2中示出了美国nif装置的48个集束的方位，其中，θ和分别表示光束在实验室坐标系里的极角和方位角。

表2

若要将nif装置的48个集束或40个集束注入六孔球腔，也存在着与神光装置类似的问题。基于与神光装置同样的选择光束和重新瞄准激光的限制条件，经过全面评估和选择，最终得到了含32个集束的美国nif装置最佳激光瞄准方案。该方案中，最小激光注入角为44.5°、最大激光注入角为67°，在最佳范围(50°,60°)附近。对于充气六孔球腔，nif装置最佳光束排布方案存在着激光-等离子体不稳定性较高的风险，因此nif装置最佳光束排布方案更适宜于真空六孔球腔。美国nif装置六孔球腔最佳光束排布方案具体为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

图4为美国nif装置六孔球腔最佳光束排布方案下标准六孔球腔激光注入示意图。可见，各激光束都是满足前述的激光注入限制条件的。通过进一步研究表明，利用该最佳光束排布方案，可以在nif标准六孔球腔中产生温度为255ev、辐照不均匀度y20＝0.0058、y40≈0、y44≈0的具有高辐照均匀度的辐射场。

此外，考虑到黑腔能量学和靶丸辐照均匀度等的需求，本实施例中进一步包括：对所述激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布中对应所述六孔球腔赤道区和极区的激光注入孔的能量差进行调节，以进一步优化六孔球腔中心处辐射场均匀度，得到能够使得所述六孔球腔中心处辐射场均匀度高的优化的激光排布。因为靶丸通常放置在球腔的中心点，因此对六孔球腔赤道区和极区激光注入孔的能量差进行调节，可以使得靶丸感受到的辐射场尽量均匀。例如，针对神光装置，位于极区的2个注入孔各有8条光束，位于赤道区的4个注入孔各有4条光束，因此如果不对六孔球腔赤道区和极区激光注入孔的能量差进行调节，则8条光束的极区注入能量会高于4条光束的赤道区注入能量，因此为了使靶丸感受到的辐射场尽量均匀，应适当减小8条光束的极区注入能量。在最佳光束排布方案下，通过调节赤道区与极区激光注入孔的能量差，可以获得更高的六孔球腔辐射场的辐照均匀度。

此外，在确定针对两孔柱腔构型设计的激光装置用于所述六孔球腔模型的激光排布后，也可以进一步对步骤201中确定的六孔球腔模型的激光注入孔进行优化微调，以更好的匹配步骤203中所确定的激光排布。但需要注意的是，六孔球腔的激光注入孔不宜过大，否则会降低辐射场的均匀性。

以上对本发明实施例中的激光排布确定方法进行了详细描述，下面再对本发明实施例中的激光装置的使用方法、六孔球腔和球形辐射场产生系统进行详细描述。为了省略不必要的赘述，对于本发明实施例中关于激光装置的使用方法、六孔球腔和球形辐射场产生系统中未详细披露的细节可参考本发明实施例中激光排布确定方法相对应的描述。

图5为本发明实施例中一种激光装置的使用方法的流程示意图。其中，所述激光装置为针对两孔柱腔构型设计的激光装置。如图5所示，该方法流程可包括如下步骤：

步骤501，确定所述激光装置用于一六孔球腔模型的激光排布。其中，所述六孔球腔模型根据所述激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据六孔球腔的腔内辐射场温度要求确定。所述激光排布根据预先确定的激光注入限制条件，通过对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移得到。其中，所述激光注入限制条件根据六孔球腔的理想激光排布确定，例如，所述激光注入的限制条件可包括：激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

对于激光装置为中国神光装置的情况，所述六孔球腔模型可满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布可以为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

对于激光装置为美国nif装置的情况，所述六孔球腔模型可满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布可以为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

步骤502，利用满足所述激光排布的激光束或集束注入所述六孔球腔模型中。

图6为本发明实施例中提出的一种六孔球腔的结构示意图。如图6所示，该六孔球腔可包括一球形或近球形腔体61，且所述腔体61上开有六个激光注入孔62，即位于赤道区的四个激光注入孔621～624和位于极区的两个激光注入孔625、626。其中，腔体61的球腔半径和激光注入孔62的半径根据一针对两孔柱腔构型设计的激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据所述腔体61内辐射场所需温度确定。

六个激光注入孔62用于接收来自所述激光装置的满足设定激光排布的激光注入。所述设定激光排布为根据预先确定的激光注入限制条件，对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移后得到的用于所述六孔球腔的激光排布；其中，所述激光注入限制条件根据六孔球腔的理想激光排布确定。

例如，在一个实施方式中，所述激光注入的限制条件包括：激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

对于激光装置为中国神光装置的情况，所述腔体61的结构可满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光装置用于所述六孔球腔的激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

对于激光装置为美国nif装置的情况，所述腔体61的结构可满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表2中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光装置用于所述六孔球腔的激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

图7为本发明实施中一种球形辐射场产生系统70的结构示意图。如图7所示，该系统70可包括：一针对两孔柱腔构型设计的激光装置71和一六孔球腔72。

其中，六孔球腔72可如图6所示包括一球形(或近球形)腔体61，所述腔体61的内腔壁上含有高核电荷数材料，且所述腔体61上开有六个激光注入孔62。腔体61的球腔半径和激光注入孔半径根据所述激光装置的激光能量、激光注入角度，以及根据所述腔体内辐射场所需温度确定。

激光装置71用于采用针对所述六孔球腔确定的激光排布向所述六孔球腔的激光注入孔62注入激光束，以使得所述激光束注入到所述六孔球腔壁后产生球形辐射场。其中，所述激光排布根据预先确定的激光注入限制条件，通过对所述激光装置的激光束组成进行光束选择和光束微移得到。

例如，一个实施方式中，所述激光注入的限制条件包括：激光注入角接近或落在六孔球腔理想激光排布方案的入射角度范围内；禁止注入一激光注入孔的激光光束从其他激光注入孔穿出；避免激光光束在六孔球腔腔壁上所产生的光斑发生重叠；避免激光光束在六孔球腔腔内传播路径发生交叉。

对于激光装置71为中国神光装置的情况，六孔球腔72的腔体61的结构可满足：rh＝2.4mm、rl＝0.7mm、rq＝0.25mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表1中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u28.5-1，u35-3，d28.5-3，d35-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u28.5-4，u35-2，d28.5-2，d35-1；从leh-iii注入球腔的光束为：u28.5-3，u35-4，d28.5-1，d35-3；从leh-iv注入球腔的光束为：u28.5-2，u35-1，d28.5-4，d35-2；从leh-v注入球腔的光束为：u49.5-1，u49.5-2，u49.5-3，u49.5-4，u55-1，u55-2，u55-3，u55-4；从leh-vi注入球腔的光束为：d49.5-1，d49.5-2，d49.5-3，d49.5-4，d55-1，d55-2，d55-3，d55-4。

对于激光装置为美国nif装置的情况，六孔球腔72的腔体61的结构可满足：rh＝5.5mm、rl＝1mm、rq＝0.5mm、h＝0.04mm；其中，rh为六孔球腔半径，rl为激光注入孔半径、rq为激光光束半径、h为球腔腔壁厚度。

将所述六孔球腔的六个孔分别标记为：对应赤道区的leh-i、leh-ii、leh-iii和leh-iv和对应极区的leh-v和leh-vi；表2中的θ表示激光与柱腔注入孔法线方向的夹角，用uθ-n和dθ-n分别表示从上面和下面以角度θ注入腔体的第n条光束，则所述激光排布为：从leh-i注入球腔的光束为：u23.5-4，u30-1，d23.5-1，d30-4；从leh-ii注入球腔的光束为：u23.5-2，u30-3，d23.5-3，d30-2；从leh-iii注入球腔的光束为：u23.5-1，u30-2，d23.5-2，d30-1；从leh-iv注入球腔的光束为：u23.5-3，u30-4，d23.5-4，d30-3；从leh-v注入球腔的光束为：u44.5-2，u44.5-4，u44.5-6，u44.5-8，u50-1，u50-3，u50-5，u50-7；从leh-vi注入球腔的光束为：d44.5-1，d44.5-3，d44.5-5，d44.5-7，d50-2，d50-4，d50-6，d50-8。

能够产生一个具有高辐照均匀度的球形辐射场是实现聚变点火的先决条件，但美国nif点火攻关失败表明采用传统柱腔难以获得具有高辐照均匀度的球形黑腔辐射场。利用本发明实施例中的技术方案，可以在为柱腔构型建造的激光装置如美国nif和我国神光装置上产生具有高辐照均匀度的球形黑腔辐射场。采用本发明实施例中给出的神光装置最佳光束排布方案，在神光标准六孔球腔中可以产生辐射温度为176ev、辐照不均匀度为y20＝0.021、y40＝0.0018、y44＝0.0014的具有高辐照均匀度的辐射场。采用本发明实施例中给出的美国nif装置最佳光束排布方案，在nif标准六孔球腔中可以产生辐射温度为255ev、辐照不均匀度为y20＝0.0058、y40≈0、y44≈0的具有高辐照均匀度的辐射场。其中，采用尺寸更小的六孔球腔可进一步提高辐射场温度。此外，通过调节赤道区与极区激光注入孔的能量差，则可进一步提高六孔球腔中心处辐射场的辐照均匀度。利用具有高辐照均匀度的辐射场，可以在一维辐射场驱动下，充分开展icf点火研究、流体力学不稳定性研究及其它需要具有高辐照均匀度辐射场的物理研究。

上述仅列举了本发明中的几个实施例，其并不用以限制本发明。实际应用中，还可以根据本发明实施例中的描述，变换出其它的具体实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。