激光等離子體級化光譜診斷研究.pdf

1、激光驅(qū)動X射線源的實驗研究是慣性約束聚變(Inertial confinement fusion,ICF)相關(guān)物理研究的重要內(nèi)容之一。激光產(chǎn)生高溫等離子體輻射的X射線包含著十分豐富的信息,如等離子體溫度、密度、離化度、不透明度以及各種輸運波動和不穩(wěn)定性等參數(shù)。為真實了解高溫等離子體內(nèi)部的狀態(tài)及各種運動過程,必須通過一定的實驗手段對等離子體中各種離子和電子的上述狀態(tài)參數(shù)進行測量。等離子體X射線極化度作為反映等離子體內(nèi)部各向異性的主要物理參

2、數(shù),可以輔助校驗等離子體密度、溫度等參量,是激光等離子體X射線極化光譜診斷的重要研究內(nèi)容。極化光譜學主要研究對象是離子-電子碰撞產(chǎn)生的極化光譜,極化X射線對電子分布及磁場非常敏感,能夠提供等離子體各向異性的信息。
　　 本論文是在國家自然科學基金項目(NSAF,No.10576041)的資助下,對激光等離子體X射線極化光譜進行較深入研究。分析等離子體X射線極化機理、診斷方法和X射線晶體衍射理論,設計了以正交布置的“雙晶技術(shù)”為基

3、礎的激光等離子體X射線極化譜儀,在中國工程物理研究院激光聚變研究中心20焦耳激光裝置上實驗,得到了鋁元素激光等離子體類氦極化光譜,驗證了激光等離子體內(nèi)部存在各向異性現(xiàn)象。重點闡述了激光等離子體X射線極化度分析模型、極化光譜診斷方法、極化晶體譜儀設計和實驗過程,利用實驗數(shù)據(jù)分析并計算了等離子體X射線的極化度和電子密度。
　　 論文主要內(nèi)容包括:
　　 1.在國內(nèi)率先開展激光等離子體極化光譜基礎理論及極化度計算模型的研究。通

4、過激光等離子體中激光與等離子體相互作用、以及離子與原子碰撞產(chǎn)生分裂的激發(fā)輻射分析,在磁量子數(shù)變化AMJ=0或△MJ=±1的情形下會發(fā)生塞曼躍遷并輻射極化光譜。綜合分析了基于斯托克斯參量、輻射截面和布居排列輻射的三種極化度算法,這三種方法本質(zhì)上具有一致性,表明極化度會隨著碰撞電子能量增加而減小,并逐漸趨近于零。
　　 2.針對現(xiàn)有雙晶法和激光裝置接口問題,提出了修正雙晶綜合診斷方法。該方法的特點是不受光程和全偏振角限制,能夠滿足晶

5、體診斷X射線的實際應用情況。其中雙晶技術(shù)相對于角矢量輻射法和旋轉(zhuǎn)分光計法,更適合激光等離子體極化光譜診斷。本文根據(jù)實驗裝置接口情況,結(jié)合等光程和全偏振角雙晶法的優(yōu)缺點,提出了激光等離子體極化光譜修正雙晶綜合診斷方法,實驗表明該方法是非常有效的極化光譜診斷方法。
　　 3.根據(jù)激光等離子體極化光譜診斷方法,研制了結(jié)構(gòu)新穎的激光等離子體極化晶體譜儀。傳統(tǒng)晶體譜儀一般只有一個通道或者對稱的雙通道,很難滿足等離子體X射線極化光譜診斷。本

6、文采用新型的正交布置雙晶結(jié)構(gòu),即在與入射電子束方向垂直的平面內(nèi)正交布置兩片晶體分析器,形成正交雙通道。而每一個通道的晶體分析器可以靈活采用不同幾何結(jié)構(gòu),如平面、橢圓及球面,其色散元件也可以采用不同的晶體材料。
　　 4.探索激光等離子體極化光譜診斷的實驗方案,驗證等離子體內(nèi)部存在各向異性現(xiàn)象?；谒雇锌怂箙⒘克惴?計算了等光程和不等光程兩輪實驗數(shù)據(jù),獲得鋁離子類氦共振線w及互組合線y的極化度,分別為+0.1204+0.0204-

7、0.0096和+0.0885+0.0679-0.0916,與極化度理論值較吻合,結(jié)果顯示鋁激光等離子體內(nèi)部存在各向異性。
　　 5.根據(jù)類氦共振線與互組合線強度比密度診斷法,結(jié)合實驗光譜數(shù)據(jù),推算出Al離子電子密度為0.9～1.5×1020cm-3,與激光等離子體電子密度理論值基本一致。通過所測極化度和密度值探討了這兩個物理參量的定性關(guān)系。實驗結(jié)果數(shù)據(jù)分析表明該極化晶體譜儀的性能已滿足設計要求,適合激光等離子體X射線極化光譜診斷