高Z等离子体辐射的非平衡特性精.docx
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高Z等离子体辐射的非平衡特性精
第15卷 第1期
强激光与粒子束Vol.15,No.1 2003年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJan.,2003 文章编号:
100124322(20030120055206
高Z等离子体辐射的非平衡特性
Ξ
郑志坚, 江少恩, 丁永坤, 张继彦
(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900 摘 要:
对激光直接加热和X光辐射加热Au等离子体的非平衡特性进行了实验研究,探讨了它
们的物理机制。
为此,提出了一种新型的锥盘靶结构,并在神光2II装置上进行了实验,结果表明:
锥盘
靶很好地避免了激光加热区的等离子体喷射和散射光对X光加热区的影响,改善了辐射加热场的干净
性。
对锥盘靶激光和辐射加热进行了模拟计算,所得结果与实验的结果符合较好。
。
关键词:
锥盘靶;环盘靶;非平衡特性;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
μm。
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
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