一种包含环状红外注入的ICF装置及靶丸冰层制备温控方法

本发明涉及冷冻靶系统温度场技术领域，具体涉及一种包含环状红外注入的icf装置及靶丸冰层制备温控方法。

背景技术：

惯性约束核聚变(icf)是一种核聚变的技术，利用激光的冲击波来引发核聚变反应，是实现巨变点火的主要方法之一。为了抑制瑞利-泰勒不稳定性的增长，冷冻靶中氘氘(dd)层厚度均匀度必须大于99％且内表面粗糙度的均方根要小于1μm，对应为表面温差小于0.1mk。燃料冰层的低模粗糙度主要受靶丸周围的温度场所决定，因此冷冻靶温度场控制的重要性尤为突出。

为了满足如此苛刻的点火要求，制备出尽可能光滑的氘氘冰层，需要通过添加外界激励的方式使得燃料冰层更为均匀。传统的温度场控制是通过调控热力机械结构外的加热带功率来实现的，由于热力机械结构的柱腔的形状限制，对靶丸表面温度场均匀性改善效果相当有限。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种包含环状红外注入的icf装置及靶丸冰层制备温控方法，能够实现靶丸表面温度的局部调控，并且燃料冰层吸收红外之后会产生类似于β衰变的自均化现象，可以明显改善靶丸内燃料冰层的均匀性。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种包含环状红外注入的icf装置，包括热力机械结构1，热力机械结构1的中心固定有靶丸，靶丸由外而内分别为碳氢聚合物靶壳9、燃料冰层10及燃料气体腔；热力机械结构1的南北半腔两侧各设置一个冷环与北极冷臂2、南极冷臂3一端接触，北极冷臂2、南极冷臂3另一端与低温冷座6连接，北极冷臂2上设置有第一加热块4，南极冷臂3上设置有第二加热块5，第一加热块4、第二加热块5与第一计算机13连接；

所述的热力机械结构1北半腔外表面设置有第一加热环带7，南半腔外表面设置有第二加热环带8，第一加热环带7、第二加热环带8与第一计算机13连接；

所述的热力机械结构1赤道区域两侧开设对称的观察孔，并由镀铝pi膜密封；观察孔外分别设置led准直光源11和ccd照相机12，led准直光源11和第二计算机20连接，ccd照相机12和第一计算机13连接；

所述的热力机械结构1南北半腔两极开设有激光入射口，并由镀铝pi膜密封；南北半腔两极外侧布置环状红外注入装置，北极外侧布置有第一红外准直光源14，第一红外准直光源14经第一散光棱镜15、第一聚焦棱镜16将红外射入北半腔内；南极外侧设置有第二红外准直光源17，第二红外准直光源17经第二散光棱镜18、第二聚焦棱镜19将红外射入南半腔内；第一红外准直光源14、第二红外准直光源17和第二计算机20连接。

利用一种包含环状红外注入的icf装置的温度控制方法，包括以下步骤：

1)靶丸内充注完燃料气体后，迅速降温，形成南极厚、北极薄的月牙状燃料冰层轮廓分布；

2)第二加热块5开始工作，此时南极冷臂3的温度会逐渐升高，导致热力机械结构1的南极温度升高，使得靶丸内燃料冰层南极区域冰层逐渐减薄，赤道和北极区域逐渐增厚；

3)通过ccd照相机12观察靶丸内燃料冰层厚度分布情况，当靶丸内南北两极区域的燃料冰层厚度一致时，第一加热块4开始工作，且加热功率与第二加热块5相等，通过ccd照相机12观察到靶丸内燃料冰层的迁移行为停止；

4)第一加热环带7、第二加热环带8开始工作，逐渐提升第一加热环带7、第二加热环带8的功率，靶丸赤道区域的温度开始抬升，通过ccd照相机12观察到靶丸内赤道区域的燃料冰层开始向南北两极迁移，控制第一加热环带7、第二加热环带8的功率至靶丸内赤道区域的燃料冰层厚度与南北两极的燃料冰层厚度相等即可；

5)第一红外准直光源14、第二红外准直光源17开始工作，靶丸内燃料冰层受到均匀红外辐照的作用吸热，发生升华作用；燃料冰层薄的区域吸热少温度低，发生凝华，靶丸内燃料冰层开始发生自均化，从而制备出满足点火条件的燃料冰层。

本发明的有益效果为：传统冷冻靶温度控制手段主要借助于热力机械结构外侧的加热带来进行调控，由于热力机械结构的形状限制，并且加热带的控温方式为间接控温，靶丸燃料冰层轮廓的2～5模数无法满足点火需求。本发明通过南北两侧注入的环形红外光实现对靶丸表面的精准控温，并且靶丸内燃料冰层吸收红外后产生的类似β自均化效果可以有效改善燃料冰层的均匀性，从而满足点火需求。

附图说明

图1为本发明包含环状红外注入的icf装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图还是的实施例对本发明做详细描述。

参照图1，一种包含环状红外注入的icf装置，包括热力机械结构1，热力机械结构1的中心固定有靶丸，靶丸由外而内分别为碳氢聚合物靶壳9、燃料冰层10及燃料气体腔；热力机械结构1的南北半腔两侧各设置一个冷环与北极冷臂2、南极冷臂3一端接触，北极冷臂2、南极冷臂3另一端与低温冷座6连接，北极冷臂2上设置有第一加热块4，南极冷臂3上设置有第二加热块5，第一加热块4、第二加热块5与第一计算机13连接；

所述的热力机械结构1北半腔外表面设置有第一加热环带7，南半腔外表面设置有第二加热环带8，第一加热环带7、第二加热环带8与第一计算机13连接；

所述的热力机械结构1赤道区域两侧开设对称的观察孔，并由镀铝pi膜密封；观察孔外分别设置led准直光源11和ccd照相机12，led准直光源11和第二计算机20连接，ccd照相机12和第一计算机13连接；

所述的热力机械结构1南北半腔两极开设有激光入射口，并由镀铝pi膜密封；南北半腔两极外侧布置环状红外注入装置，北极外侧布置有第一红外准直光源14，第一红外准直光源14经第一散光棱镜15、第一聚焦棱镜16将红外射入北半腔内；南极外侧设置有第二红外准直光源17，第二红外准直光源17经第二散光棱镜18、第二聚焦棱镜19将红外射入南半腔内；第一红外准直光源14、第二红外准直光源17和第二计算机20连接。

本发明包含环状红外注入的icf装置的工作原理为：

由低温冷座6提供的冷量通过北极冷臂2、南极冷臂3传导至热力机械结构1，为热力机械结构1提供冷量；通过第一加热块4、第二加热块5分别控制北极冷臂2、南极冷臂3的温度，实现温度控制。第一加热环带7、第二加热环带8经过计算机13的控制，配合第一加热块4、第二加热块5实现对热力机械结构1的温度调控。led准直光源11和ccd照相机12可以通过背光成像的手段实现对靶丸内冰层形貌的实时监控；第一红外准直光源14、第二红外准直光源17发射的准直红外光，经过第一散光棱镜15、第二散光棱镜18，第一聚焦棱镜16、第二聚焦棱镜19后投射至热力机械结构1的内表面，再经过表面反射作用均匀地辐照在靶丸外表面，热量被碳氢聚合物靶壳9和燃料冰层10吸收后可以产生自均化的效果。

利用一种包含环状红外注入的icf装置的温度控制方法，包括以下步骤：

1)靶丸内充注完燃料气体后，迅速降温，靶丸内的燃料气体会逐渐液化后凝固，受重力作用，形成南极厚、北极薄的月牙状燃料冰层轮廓分布；

2)第二加热块5开始工作，此时南极冷臂3的温度会逐渐升高，导致热力机械结构1的南极温度升高，进一步地，靶丸南极区域温度升高，靶丸内的燃料冰层受热开始升华，由于靶丸赤道和北极区域的温度低于靶丸南极温度，靶丸内的燃料冰层会在靶丸赤道和北极区域发生凝华，这一过程使得靶丸内燃料冰层南极区域冰层逐渐减薄，赤道和北极区域逐渐增厚；

3)通过ccd照相机12观察靶丸内燃料冰层厚度分布情况，当靶丸内南北两极区域的燃料冰层厚度一致时，第一加热块4开始工作，且加热功率与第二加热块5相等，通过ccd照相机12观察到靶丸内燃料冰层的迁移行为停止；

4)第一加热环带7、第二加热环带8开始工作，逐渐提升第一加热环带7、第二加热环带8的功率，靶丸赤道区域的温度开始抬升，通过ccd照相机12观察到靶丸内赤道区域的燃料冰层开始向南北两极迁移，控制第一加热环带7、第二加热环带8的功率至靶丸内赤道区域的燃料冰层厚度与南北两极的燃料冰层厚度相等即可；

5)第一红外准直光源14、第二红外准直光源17开始工作，靶丸内燃料冰层受到均匀红外辐照的作用吸热，燃料冰层厚的区域吸热多温度高，发生升华作用；燃料冰层薄的区域吸热少温度低，发生凝华，靶丸内燃料冰层开始发生自均化，从而制备出满足点火条件的燃料冰层。