高Z等离子体辐射的非平衡特性精Word格式.docx

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辐射加热

　　中图分类号:

TN248.13　　　　文献标识码:

A

　　高温、高密度等离子体辐射的X光能谱平衡特性是开展等离子体物理研究的基础。

在天体物理、惯性约束聚变、磁约束聚变及Z2pinch研究中,既是经典难题,又是目前的热门课题。

众所周知,处于热动平衡的稠密

等离子体,其辐射为黑体辐射,且呈Planck谱分布。

辐射谱强度I（ν

:

I（ν=2hν3c31exp（h

ν/kT-1（1式中:

ν为光子频率;

T为等离子体温度;

c为光速。

　　目前,在实验室内产生的高温等离子体很难实现完全的热动平衡和理想的“黑体辐射”。

黑体辐射谱分布仅与等离子体温度相关,而与构成的材料无关。

在理想的完全热动平衡的等离子体中,假设其电子、离子、光子均应处于平衡态,在空间上等离子体保持足够的均匀（在光子与粒子相互作用的自由程Lν2P内变化小;

而在时间上呈稳态（在光子与粒子相互作用的驰豫时间tν2P内变化小,光子与粒子之间有足够的能量交换时间。

这是很难达到的限制条件。

在目前的实验条件下,稠密等离子体的辐射往往偏离黑体辐射Planck谱,表现为非平衡特性。

因此,理论上对等离子体状态常作局域热动平衡（LTE的假设:

等离子体中电子、离子处于热动平衡,而光子与电子、离子相互作用较弱,辐射不一定是平衡谱。

处于平衡态的等离子体的辐射可用温度来描述。

而非平衡态的辐射谱的数值模拟就要解多群方程,工作量极大。

所以,研究等离子体辐射谱非平衡特性及如何

向平衡态过渡的过程（通常称之为X光的“驰豫过程”或“谱改造”

是一个十分有意义的课题。

Fig.1　SchematicforareasheatedbylaserandX2ray

图1　激光加热区与X光辐射加热区示意图

　　强激光辐照高Z元素（Au可产生高温、高密度等离子

体。

然而由于加热时间仅为1ns左右,又由于等离子体内

存在有质动力和电子热传导的受阻现象,使其密度梯度变

大而不能满足热动平衡的要求,因此激光加热区的辐射谱

明显偏离Planck分布[1]。

以间接驱动的黑腔靶为例（图

1:

如果把激光直接加热区称为A区或源区,把由A区所

产生的X光加热区简称B区或再辐射区,那么,把B区的

非平衡辐射谱改造成Planck谱是本文主要研究和探讨的

问题,也是惯性约束聚变（ICF中辐射输运、辐射烧蚀等物理过程待以深化的课题。

　　在激光驱动的ICF研究中,常可忽略光子散射项。

描述非平衡辐射流的输运方程的一维形式为

1c5I5t+5I5x=j（1+c22h

ν3I-μI（2式中:

I为辐射强度;

j为自发射系数;

μ为吸收系数。

Ξ收稿日期:

2002206203;

　修订日期:

2002211213基金项目:

国家自然科学基金资助课题（19875045

作者简介:

郑志坚（19412,男,研究员,主要研究惯性约束聚变、强场物理、等离子体物理;

绵阳9192986信箱。

　　输运方程的右端:

第一项为发射项,第二项为吸收项。

该式表明:

无论是辐射输运,亦或是谱改造,实质上都是研究等离子体对辐射的吸收及再发射的物理过程。

　　由强激光辐照靶产生的等离子体发射的X光携带着内部电子、离子、光子大量的信息,是实验研究等离子体辐射谱非平衡特性的主要依据。

本工作安排了“辐射的吸收及再发射物理过程”的分解实验。

然而由于谱改造问题的实验诊断非常困难,基于在星光2II装置上积累的实验经验,设计了锥盘靶有效地解决了辐射加热区的“干净性”问题,从而迈出对辐射谱改造的重要一步。

1　实验条件和方法

1.1　激光参数

　　实验在上海的神光2II激光装置上进行。

北4束三倍频光输出,每束靶面激光能量约为200J,脉宽（FWHM0.8ns,波长0.35μm;

离焦600μm打靶;

靶面功率密度IL=（2~3×

1014W/cm2。

1.2　实验靶型

　　实验采用的锥盘靶和环盘靶两种靶型如图2（a、

（b所示,靶面由厚度为20μm的Au箔制成。

锥盘靶的A区为上端开口的60°

锥面,北4束激光分别以与锥外壁15°

方式辐照4个对称点。

A区辐射的X光烧蚀

<

900

μm的金盘（B区。

这种靶型的特点是:

A区的等离子体以锥面法线方向外喷,散射光以镜反射为主,两者均不能打到B区的金盘中心部位,这样便保证了加热B区辐射流的干净性,亦避免了A,B区等离子体相碰而发射的X光的干扰。

此外,B区辐射是由锥底轴向观测的,锥面起着屏蔽A区辐射的作用。

为了比对锥盘靶的优点,又设计了环盘靶。

将其A区的“锥面”改为“平面环”

Fig.2　ExperimentaltargetsforspectramodificationonShenguang2II

图2　神光2II谱改造靶型

1.3　实验排布

　　为提高诊断结果的可信度,实验中,同时利用两种诊断手段测量X光能谱:

10道或7道滤片-X光二极管（XRD阵列组成的软X光谱仪（SXS及透射光栅谱仪（TGS。

SXS指标是:

响应能区0.1~1.5keV,谱分辨约为10%,测量的不确定度30%。

TGS指标:

能区50eV~4keV,谱分辨约为3%,不确定度为35%。

若置空间

分辨狭缝时,分辨率为30

μm。

　　在神光2II靶室的水平安装的探测器的布局见图3。

在东偏北30°

的位置,安置10道亚千X光能谱仪（SXS21测量A区辐射的X光谱的时间特性,在正南方位,安装7道SXS谱仪（SXS22测量B区辐射的X光谱的时间变化。

采用两套绝对标定的透射光栅谱仪（TGS配X光CCD分别测量A、B区的更细致的软X光谱。

在正东方向放置针孔配X光条纹相机（XSC,观测A、B区等离子体喷射的时间过程。

XSC的时间分辨为

15ps,光阴极狭缝100μm×

2cm。

实验中采用7个不同方位的平响应XRD（F2XRD获取A、B区的X光角分

布,给出X光总量。

在正西方向上安置一台针孔相机（PHC,观测A、B区的X光图像,其空间分辨15

在南偏西15°

位置放置另一台针孔相机,从A区孔观测B区的X光图像。

65强激光与粒子束第15卷

Fig.3　Schematicofdiagnosticinstrumentsonchamber图3　靶室水平面上探测器排布示意图

2　实验数据及解谱结果

　　对锥盘靶的原始测量谱（未经解谱计算如图4、

图5所示。

　　透射光栅获得的锥盘靶A区、B区的原始测量谱

见图4（图中纵轴为波长,横轴系空间尺度。

由原始

谱得到的定性结果:

A区和B区的辐射能谱很不相同。

A区谱零级附近明显的M带（hν≈2.5keV且呈三峰

结构,还可观测到N带（hν≈750eV、O带（h

ν≈250eV谱。

而B区谱则没有M带,只有一个连续谱（O

带。

B区谱因波长较长,高级衍射率高,图中的多谱

带结构为一级、二级衍射所致。

图5的实心圆点表示

SXS谱仪测量的原始谱,A区谱中也观测到N,O带谱

结构

Fig.4　TGSmeasuredspectraemittedfromareasheatedbylaserandX2rayforcone2disks

图4　透射光栅谱仪对锥盘靶激光和X光加热区测量的谱

Fig.5　SoftX2rayspectraemittedfromcone2disktarget图5　锥盘靶实验及数值模拟的软X光谱

　　更定量的结论须经过解谱才能得到。

解谱过程要求考虑谱仪所有环节的能量响

应函数,并去掉高级衍射后得到的X光能

谱。

图5曲线a,b,c,d分别给出A区和B

区的TGS和SXS谱的解谱结果。

由此,

可看出两种谱仪对A、B区测量的X光谱

在误差范围内一致。

说明数据是可信的。

由于SXS谱仪测谱范围为0.1~1.5keV,

故测不到M带。

　　环盘靶实验结果如下:

　　由透射光栅谱仪获得的A区和B区

原始谱见图6。

A区和B区能谱都存在M

带,但A区强,B区弱。

　　图6（a可以这样理解:

因TGS有空间

分辨能量,强激光分别辐照在A区圆环上四个对称位置上。

由于B区圆盘的遮挡,测量方位仅可以测到两束激光斑点处的辐射谱。

　　为了更好地比对锥盘靶和环盘靶的数据,将TGS解谱结果示于同一图7。

不难看出两种靶的A区辐射X

光谱基本相同,只是M带存在一定差异。

而两种靶型的B区谱确差异较大,然而h

ν<

500eV的能谱基本一致。

当h

ν>

500eV时,环盘靶的B区能谱要强得多,且出现峰值结构（约750eV和1100eV。

上述两种靶型分别用SXS,TGS谱仪测量的A区（激光加热区与B区（X光加热区能谱如表1。

75第1期　　　　　　　　　　　　　　郑志坚等:

　　　　　　　　　　　　　高Z等离子体辐射的非平衡特性

表1　SXS和TGSX光谱测量结果

Table1　ResultsofX2rayspectrameasuredbySXSandTGS

targettype

diagnosticinstrumentsareaheatedbylaserareaheatedbyX2rayinstrumentslasercone2disk

TGSM,N,Obandssinglepeak,nearPlanckspectrum3cone2disk

SXSN,Obandssinglepeak,nearPlanckspectrum3annulus2disk

TGSM,N,ObandsN,Obands

annulusdiskSXSN,Obands　　　　3:

NearPlankspectrumatradiationtemperatureTr=70eV

Fig.6　TGSmeasuredspectraemittedfromareasheatedbylaserandX2rayforannulus2disks

图6　透射光栅谱仪对环盘靶激光和X光加热区测量的谱

Fig.7　SoftX2rayspectraemittedfromannulus2diskandcone2disktarget图7　环盘靶怀锥盘靶实验的软X光谱　　将A区和B区成像于X光条纹相机具有空

间分辨的光阴极狭缝上,获得两种靶型A、B区辐

射的时、空分辨图像见图8。

比较图8（a和图8

（b