高Z等离子体辐射的非平衡特性精Word格式.docx

1、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Z 2pinch 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 （:I （=2h 3c 31exp （h/k T -1（1式中: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

2、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L 2P 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t 2P 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（L TE 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

3、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.1Schematic for areas heated by laser and X 2ray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

4、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1c 5I 5t +5I 5x =j （1+c 22h3I -I （2式中:I 为辐射强度;j 为自发射系数;为吸收系数。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

5、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（FWHM

6、 0.8ns ,波长0.35m ;离焦600m 打靶;靶面功率密度I L =（231014W/cm 2。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20m 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900m 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

7、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.2Experimental targets for spectra modification on Shenguang 2II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0.11.5keV ,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

8、缝时,分辨率为30m 。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（SXS 21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（SXS 22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100m 2cm 。实验中采用7个不同方位的平响应XRD （F 2XRD 获取A 、B 区的X 光角分布,给出X 光总量。

9、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.3Schematic of diagnostic instruments on chamber 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（h 2.5keV 且呈三峰结构,还可观

10、测到N 带（h 750eV 、O 带（h250eV 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.4TGS measured spectra emitted from areas heated by laser and X 2ray for cone 2disks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.5Soft X 2ray spectra emitted from cone 2disk target 图5锥盘靶

11、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0.11.5keV ,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

12、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h500eV 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1SX S 和TG S X 光谱测量结果T able 1R esults of X 2ray spectra measured by SX

13、S and TG Starget typediagnostic instruments area heated by laser area heated by X 2ray instruments laser cone 2diskTGS M ,N ,O bands single peak ,near Planck s pectrum 3cone 2diskSXS N ,O bands single peak ,near Planck s pectrum 3annulus 2diskTGS M ,N ,O bands N ,O bandsannulus disk SXS N ,O bands 3

14、:Near Plank spectrum at radiation temperature T r =70eVFig.6TGS measured spectra emitted from areas heated by laser and X 2ray for annulus 2disks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.7Soft X 2ray spectra emitted from annulus 2disk and cone 2disk target 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