利用核共振荧光谱学开展无中子核聚变等离子体离子温度的超快诊断研究

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:核聚变作为一种绿色、可持续的能源产生方式受到了广泛的研究和关注。其中,质子硼聚变等无中子核聚变因为具有电能转化效率高和没有中子辐射等优势,成为了近年来研究的热点。然而,因为无中子核聚变的末态产物不包含中子,所以难以使用中子能谱诊断聚变等离子体离子温度。本文提出利用核共振荧光(NRF)谱学开展无中子核聚变等离子体离子温度的超快诊断。论文研究了用于驱动NRF反应的准直超亮伽马源。采用PW激光辐照微米细丝靶的物理方案,利用PIC模拟得到高亮度(1012),发散角峰值为1°的伽马光束。同时开展了无中子聚变核素的NRF理论计算,构建了NRF峰宽与离子温度的理论关系式,结果表明NRF峰宽是温度引起的多普勒展宽和探测器的固有分辨的耦合,NRF峰宽随离子温度的升高而快速增加。另外,论文构建了利用NRF谱学诊断无中子聚变等离子体离子温度的模型,开展了以下模拟研究。本文开展了基于NRF谱学的质子硼聚变等离子体温度诊断研究。结合11B的NRF截面,模拟得到沉积谱,拟合沉积谱中的NRF峰得到NRF产额和NRF峰宽。论文研究了激光功率对NRF产额的影响以及温度对NRF峰宽的影响。结果表明,当激光功率高于1 PW时,NRF产额达到数千,可以清晰地从沉积谱中识别出11B的5个NRF信号。当离子面密度高于0.1 g/cm~2,离子温度高于2.4 ke V时,NRF谱学可用于开展质子硼聚变等离子体离子温度诊断。其次,开展了基于NRF诊断其他无中子聚变等离子体(~6Li,~7Li,15N)温度的模拟研究。计算了~6Li,~7Li,15N的NRF反应截面,模拟得到了~6Li,~7Li,15N的沉积谱,在能谱中可清楚观察到~6Li,15N的NRF峰。研究了利用NRF谱学诊断~6Li,~7Li,15N等离子体的温度阈值和面密度阈值。结果显示,对于无中子聚变同位素~6Li,15N,实现诊断所需的阈值面密度约为0.1 g/cm~2,可探测的离子温度阈值约为2ke V。相比于其他无中子聚变同位素,由于~7Li的共振能量(0.478 Me V)明显偏小,强辐射本底会对~7Li同位素的离子温度诊断带来严重干扰。论文在利用PW激光辐照细丝靶产生的准直超亮伽马源作为驱动光源的情况下,探讨了基于NRF发射光谱开展无中子核聚变等离子体离子温度诊断的可行性,相关研究结果有望为未来无中子聚变等离子体离子温度诊断实验提供技术方案。
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