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核物理与等离子体物理学科研究进展 1 脉冲功率技术及加速器物理 利用雪耙模型，对一个典型的微秒级导通时间等离子体断路开关物理过程进行了模拟计算，分析研究了导通物理机制和雪耙阵面的运动过程，获得了具有指导意义的数据和结果。在国内首次研制成功导通电流可达100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关，开展了等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪数目及其工作电压对开关性能的影响规律实验研究，获得的典型数据和结果对开关的应用及等离子体源参数优化具有重要意义。 开展了电爆炸金属箔断路开关的理论和实验研究，理论计算曲线与实验波形变化趋势基本一致；多条宽度较窄的箔并联可以增大开关截流速率以提高输出电压和电流，采用脉冲预压缩技术可为开关提供前沿更快的电脉冲，应进一步优化电路系统参数来实现断路开关与负载阻抗的良好匹配从而提高能量传输效率。对五种型号的爆磁压缩发生器直接驱动电爆炸裸铜丝开关产生的高功率脉冲高压特性开展了实验研究，在电阻负载上获得的输出脉冲宽度为50~100 ns，其大小与储能电感、电阻负载大小相关，并且缩短发生器驱动源输出脉冲宽度对在电阻负载上获得高功率脉冲输出是有利的。 研制了能产生时序上严格关联、具有五路不同参数高压脉冲输出的大口径等离子体电极电光开关驱动源，解决了大电流脉冲形成、精确数字延时、远程监控及电磁兼容等多项关键技术，达到连续触发1 000次无故障运行并圆满通过相关实验考验。 实验研究了强流二极管中阴极等离子体的膨胀，在一定的物理假设情况下，采用空间电荷限制流进行估算，得到不同间隙和导流系数条件下阴极等离子体膨胀速率，讨论分析了阴极等离子体运动对强流束品质的主要影响。 利用法拉第筒对12 MeV直线感应加速器束靶相互作用后可能产生的回流离子进行了初步实验研究并开展了理论模拟，结果表明目前状态下在60°~70°方向附近未发现回流离子存在。从非线性作用力导致束剖面电流密度分布变化的角度，对直线感应加速器束源注入器发射度演化进行了理论研究和分析，根据研究结果提出了相应的抑制发射度增长的五项技术措施。利用光学渡越辐射方法对18 MeV、2.7 kA的强流脉冲电子束进行了束流诊断实验，实验获得光学渡越辐射的单膜双峰图像，并据此得到束流剖面、能量、发散度和发射角。利用修正三梯度法测量了3.5 MeV注入器出口处脉冲电子束束流发射度，详细分析了发射度的不确定度、半径测量误差及它们之间的关系，获得了有益的实验结果。 在2 MeV注入器上，开展了双脉冲电子束源实验研究，获得了能量为1 MeV的双脉冲电子束，实现了脉冲间隔控制。 对三种典型导体构形的空间电荷限制流进行了理论计算和研究，为同类磁绝缘传输线的设计奠定了基础。对共顶点同轴圆锥形及圆盘形传输线的电参数计算模型进行了研究，找到其电容、电感及阻抗的近似计算方法，推导了相关计算公式。 对用于烟道废气处理的脉冲电晕等离子体反应器能量注入效率进行了实验研究，分析讨论了线-板式反应器阻抗特性、等效电路及Ep与h的关系，研究结论对工程应用具有重要意义。 2 高温高密度等离子体物理与激光惯性约束聚变研究 2.1 激光聚变理论研究与数值模拟 采用Skupsky理论作为讨论能量沉积均匀问题的基础，对多束激光与球靶耦合中的能量沉积均匀性进行了理论研究，从激光束配置模式、束数、激光波形以及打靶方式等7个方面详细分析了对均匀性的影响及变化规律。 发展了新版的一维平板非平衡辐射流体力学程序RKMG并对激光-金平面靶耦合进行了数值模拟，深入研究了等离子体状态及辐射的时空特性，考察了“三温”模型的适用性。对LARED-H程序中积分网络重分方法的网络重构和物理量重构方面做了较大改进，并数值模拟了“神光”-Ⅱ条件下激光与标准黑腔靶耦合的物理过程，计算结果与实验结果基本相符；在此基础上，开展了“神光”-Ⅲ黑腔尺寸设计及相应的激光靶耦合数值模拟计算，结果对今后的实验工作具有指导意义。 利用二维多群辐射输运程序LARED-R-1细致研究了辐射在填充CH和CH掺铜泡沫中传输的物理图像，重点分析了辐射在光学厚度较薄介质中的传输特征及管壁的影响，并与“神光”-Ⅱ实验结果进行了比较，两者符合较好。 研制了二维多介质流体界面不稳定性程序，主要包括单介质内高精度流体力学计算、多介质混合网格内各种介质输运过程和压力驰豫过程计算以及实际状态方程的黎曼解计算，模拟了一些典型实验，并与国际上三个类似程序的计算结果进行了比较。 利用二维粒子模拟(PIC)研究了Weibel不稳定性的发生和非线性饱和过程，利用三维并行PIC程序LARED-P研究了强激光作用在真空-等离子体界面时相对论电子束的产生和向稠密等离子体的传播过程，研究结果对理解“快点火”物理中的输运等过程有一定意义。 2.2 原子物理理论及应用研究 对同类平均原子结构模型进行了改进和修改并应用于等离子体过渡区电子压强的自洽场计算。采用非相对论HFS自洽场平均原子模型及扭曲波玻恩近似框架，系统研究了等离子体在不同温度、密度下的电子与离子直接碰撞电离截面。提了并发展了通过合并组态快速计算等离子体细致组态原子结构的方法，解决了组态过多导致计算困难的问题，算例的结果表明此方法是一种有效的近似。设计了一种新型含温有界超HF自洽场平均原子模型，以解决低温等离子体内的原子结构参数精确计算，计算结果表明，无论动能、势能及总能量均与国际著名的Fishcer程序计算结果符合。 2.3 激光惯性约束聚变实验研究与诊断技术 在“神光”-Ⅱ上进行了辐射输运实验，获得了辐射在多种长度下的CH和CH掺铜泡沫传输时间和中等分辨积分吸收谱，测出沿管壁不同位置的辐射温度，实验中获得了热波传播轨迹清晰图像，观测到热波由匀速变慢的过程。 设计了球壳内界面涂S、氘燃料中掺Ar的辐射驱动内爆靶球并开展了相关实验研究，发展和建立了阵列－晶体谱仪单能X射线成像诊断技术，通过对同一发中获得的Ar和S离子X射线发射谱二维单色图像的比较、分析，并结合条纹-晶体谱仪测得的Ar、S离子发射的X射线线谱时间过程特征结果，从原理上解决了辐射驱动靶球燃料界面诊断难题，获得了辐射驱动内爆靶丸芯部及壳层中掺杂元素离子的时间分辨线谱数据。 依据激光直接驱动状态方程实验要求，研制了高精度铝铜阻抗匹配靶。在“神光”-Ⅱ装置上开展了单路倍频激光直接驱动的Al-Cu阻抗匹配靶实验研究和Cu-Al阻抗反匹配靶实验研究，结果表明了靶制备能力和精度、冲击波速度测量精度有所提高，同时校验了测量方法的可靠性和准确程度。 在星光激光装置上进行了铝样品的Ka吸收谱诊断技术、点背光源实验研究，获得了铝Ka吸收谱实验结果和埋点背光源的光谱、空间及时间特性实验数据，开展了铝Ka吸收谱的细致组态模型理论计算与分析，为辐射不透明度定量测量奠定良好基础。 2.4 微靶制备与检测技术 开展了单层球优化工艺技术、塑料微球内表面掺杂制备技术、塑料微球充气工艺技术、SiO2气凝胶改性、干凝胶法制备空心玻璃微球以及玻璃微球充Ar技术等方面的研究工作，靶丸制备与充气工艺技术研究取得明显技术进步。 完善了掺杂CH聚合物制备工艺，采用热诱导倒相法制备出密度为20~60 mg/cm3的卤素掺杂低密度泡沫材料。采用量子力学程序Mopac和INDO方法对苯乙烯、掺硅苯乙烯、苯以及二氯乙烷的结构进行了优化并对掺硅苯乙烯与苯、二氯乙烷的相溶性进行了计算，为材料掺杂实验提供了理论指导。通过对合成聚苯乙烯的研究以及影响氘代率因素的分析，合成出氘代率为98.5%、密度为20~200 mg/cm3、平均孔径为f0.2~f10 µm的全氘代聚合物泡沫样品。 深入开展了微球CH涂层工艺研究，使涂层表面光洁度、沉积速率等得到较大改善。以溴乙烷单体，考察了单体流量等参数对CH/Br薄膜中溴含量的影响，得到了稳定性良好、具有15 mm掺溴涂层CHBr-PVA -PS三层微球样品。利用多靶头磁控溅射镀膜机开展了Au/Gd多层平面薄膜制备技术研究，得到了Au/Gd (100~200层，每层约5 nm)多层平面薄膜样品。 建立了一套具有自动聚焦功能、纵向测量精度较高的显微测量系统，首次解决了由于内爆靶丸直径大于诊断孔或无诊断孔而无法进行靶装配参数精确测量难题，使内爆靶靶丸装配精度的测量误差优于±3 µm。建立了一套X荧光谱仪(XRF)测量装置及靶丸内诊断气体非破坏性测量技术，解决了塑料靶丸内诊断气体无法进行无损测量的难题。进行了XRF测量靶材料成分分析研究，用无标样分析方法测量Au、Ag、KCl等标准样品的成分，误差不大于5%。 在改进了具有自适应能力丝阵负载结构的基础上，设计了一种新型结构的复合负载，该负载的中间为DPS丝，周围为铝丝或钨丝。进一步优化了钼丝制备工艺，制备出了直径小于15 mm、表面良好的钼丝，并对钼丝的表面粗糙度和力学性能等进行了检测。进一步研究了DPS丝的制备工艺。 2.5 强激光技术 在大量计算和比对的基础上，对“神光”-Ⅱ装置的透镜列阵束匀滑系统进行了优化设计和研制，通过冲击波平面性实验研究考察了匀滑效果。 “神光”-Ⅱ激光装置第九路已基本建成并投入试运行，目前可输出脉宽为2 ns、能量为1.5 kJ的倍频激光；利用编制的激光系统光路传输模拟程序研究了软边光阑各参数对光束质量的影响并设计了第九路激光系统的软边光阑；在权衡增益、光束质量、安全稳定运行和造价等各个因素的影响后，研制成功用于第九路激光系统、具有不同指标要求的片状放大器系列，达到设计目标并运行正常。 2.6 超短脉冲激光技术及强场物理实验研究 采用了全钛宝石CPA技术路线，成功地研制了100 TW级超短超强激光装置；发展和应用了对脉冲光谱振幅和位相主动调制技术、全像传递空间四程放大构型设计以及钛宝石包边处理等关键技术，并且获得了脉冲能量为8.5 J、压缩脉宽为29.8 fs的激光输出，其对应峰值功率为286 TW，光学方法测得的焦斑为5.7 μm。 在100 TW超短超强激光装置上，进行了飞秒激光与铜平面靶及膜靶相互作用实验。铜平面靶情况下，获得了靶前法线方向、靶后激光传播方向和靶前激光反射方向的超热电子能谱以及靶前法线方向超热电子温度与激光功率密度定标规律，分析了超热电子特征及产生机制。铜薄膜靶实验中，测量了穿越不同靶厚度的超热电子能量相对变化，发现在靶厚度为10 mm时超热电子能量急剧下降(约1 000倍)，其后则变化很小，表明其能量沉积主要在前10 mm，这与理论预言的电场阻止模型复合很好。利用渡越辐射研究了超热电子输运，获得靶靶背法线方向的光学渡越辐射光谱分布和空间分布，并对相关物理内涵进行了分析讨论，实验发现不同厚度靶产生的渡越辐射强度在靶厚度10 mm处急剧减小，这个结果与其他超热电子实验结果是自洽的。 进行了飞秒激光与金属薄膜靶相互作用诱发高能质子束实验，研究了质子束产额、空间分布及结构、能量分布与激光功率密度、靶材料及厚度等参数的关系，获得中心结构和环形结构的两种典型质子束空间分布从而验证了TNSA质子加速模型，实验首次演示了质子束对生物样品的背影成像，实现了对低Z和低密度样品的高反差成像，空间分辨率好于3.4 mm。 采用液氮冷却D2、300 mm喷嘴超声速喷射方式产生大尺寸D团簇，并用瑞利散射方法对其平均尺度和密度进行了测量。开展了飞秒激光与D团簇相互作用实验研究，用离子飞行时间谱仪测量了离子能谱，其平均能量达到20 keV。 在“二路”激光装置上，首次实现了皮秒激光驱动瞬态X射线激光的实验演示，X射线激光能量估计为5~10 nJ。
3 核物理与中子物理 3.1 理论研究与计算方法 为了适应中子物理基准实验的细致计算分析，研制了两套中子光子耦合计算用多群核参数，中子能量上限为14.5 MeV，下限延伸至25 eV，核素种类涉及五六十种；利用国内外有关中子积分实验信息，全面检验了参数系统，结果显示该参数库装配于中子学计算程序能够很好地给出同实验一致的结果。 耦合动态系统包含了流体运动与裂变、聚变、反馈裂变核反应的复杂作用，设计了一种解耦合计算方案，实现了耦合动态系统中反馈裂变对泄漏辐射贡献的计算，分析研究了典型计算结果和泄漏g强度的变化过程。 为研究弱中子源引起系统发生持续裂变链的统计涨落行为，开展了随机中子输运方程解析解及其改进的理论研究工作，并以球形堆为例，分析比较了数值解与改进近似解结果之间的差别。 选择核裂变系统的Keff作为考察的响应量，取一个核裂变装置为算例进行了敏感度计算，探讨了核参数敏感度和不确定性分析的理论方法。 3.2 实验研究及应用 为检验数值模拟计算方法和程序，在3种聚乙烯和铝壳组合装置上分别测量了反照中子引起的238U和235U(包隔)裂变反应率，其合成不确定度分别为4.5%~6.6%和4.4%~17.6%。 利用ns-200加速器，研究了钒球在中心d-T中子照射下的介质内中子能谱和伴生γ能谱特征，同时进行了理论模拟计算，研究结果可作为核数据评价的依据。利用ns-200加速器脉冲中子源及时间-能量二维测量系统，实验研究了铍、铁和聚乙烯球壳组合装置内中子能量随时间的变化情况，结果可供二维数值模拟计算方法检验参考。 利用d-T中子源，准确测量了6个能点的181Ta(n , 2n)180Tam反应截面并且与国外结果进行了分析比较，实验结果总的不确定度为3.2%。 利用中子粉末衍射技术确定了77 K温度下DyFe10Si2化合物的晶体结构与磁结构，得到原子坐标、占位数和磁性原子磁矩等信息。 4 核反应堆物理及应用技术 理论分析了裂变链成长初期的统计涨落与临界安全问题，根据建立的模型、公式及相关判据，确定了反应堆启动中保证临界安全的中子源强度要求，并且必须限制反应性的加入速度，尽可能增加中子源强度。 细致分析了提高CFBR-Ⅱ堆特定区域n/g 值的技术措施，按宽束近似重新设计加工了屏蔽体，采取理论与实验结合的方法对n/g值的提高开展了更深入的研究，三轮实验结果与蒙卡方法计算结果具有较好一致性，达到预计目标。 在SPRR-300反应堆上研制了热中子数字成像系统，其主要参数如下：准直比60~660可调，响应中子注量率范围为104~109 n·cm-2·s-1，成像时间为0.5~3 600 s可调，小孔分辨能力约0.124 mm；检测图样表明达到设计指标。 对用于Li-Al靶件产量计算的ORIGEN2程序进行了改造，编制了结果数据提取程序，与实验数据的分析比较表明了计算方法和程序的可行性。 采用改进的门控光电倍增管探测器及负l测量技术，以全屏蔽探测器的方式，精确测量了零功率堆上装置-1、装置-2和装置-3的负l参数，获得较好结果并取得一定技术进步。 为对含硼聚乙烯材料的中子衰减系数进行精确测量，建立了一种实验方法并开展了相关研究，为今后的工程应用及辐射防护评估提供了基础。 5 核测试技术和方法 应用脉冲上开时间法，建立了具有良好n/g分辨能力的液体闪烁体BC501快中子探测器并应用于252Cf自发裂变中子飞行时间谱测量。 对CeF3、YaP:Ce等无机晶体配光电倍增管构成的g探测器的中子灵敏度标定技术开展了实验研究，为解决信噪比问题而采用了两种屏蔽方式，结果表明了全屏蔽法优于引锥法，实现了g探测器的中子灵敏度标定。 针对脉冲裂变中子源的强度和能谱范围、时间特征、n/g混合场及瞬态绝对测量等特点和要求，研究了裂变中子测量和标定技术，建立了一套满足要求的脉冲裂变中子测量系统。 用MCNP程序和ENDF/B-Ⅵ库计算了Livermore实验室的 6Li深测器的中子探测效率，验证了计算方法的正确性；对本实验室建立的6Li玻璃探测器d-D中子探测效率进行理论计算和实验研究，两者结果符合较好；利用芪晶体探测器实验研究了源中子与g射线混合时间谱；据此，建立并掌握了中子飞行时间测量技术。 研制了由二个半导体探测器(ΔE)和一个CsI(TI)闪烁探测器(E)组成的质子反冲闪烁望远镜系统，对其探测效率、能量分辨率等性能参数进行了研究，提出了进一步提高指标的技术措施。 采用固体径迹法测量中子引发铀产生的绝对裂变率，必须标定固体径迹火花自动计数器效率，为此研究了标定方法、蚀刻及放电条件等，获得了准确的效率结果。 建立了放射性气体活度测量装置，考查了重复性和稳定性，测量标准的合成标准不确定度≤1.2%，有关技术指标满足规范和规程要求。研制了XH-3307 a/b表面发射率测量装置并配套了部分大面积a、b标准平面源，经重复性和稳定性考查及实验测量结果的分析比对，本装置可探测的a计数率范围为(20~5)×106粒子(2π·min)-1、b计数率范围为5×102~5×106粒子(2π·min)-1。 6 Z-Pinch实验及诊断技术研究 在“强光”1号上进行了丝阵Z-Pinch和泡沫烧蚀实验，研究了一维空间分布X-Ray辐射特性，结果表明，丝阵负载等离子体发光时间宽度随轴向位置而变化，其速率为2~6 ns/mm，丝阵径向变化速率为(1~2)×107cm/s、收缩比为3~4；泡沫烧蚀实验中观察到复杂的发光过程。 (张保汉) |