高Z等離子體輻射的非平衡特性

1、第15卷第1期強激光與粒子束Vol.15,No.12003年1月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Jan.,2003文章編號:100124322(20030120055206高Z 等離子體輻射的非平衡特性鄭志堅,江少恩,丁永坤,張繼彥(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽621900摘要:對激光直接加熱和X 光輻射加熱Au 等離子體的非平衡特性進行了實驗研究,探討了它們的物理機制。為此,提出了一種新型的錐盤靶結構,并在神光2II 裝置上進行了實驗,結果表明:錐盤靶很好地避免了激光加熱區(qū)的等離子體噴射和散射光對X 光加熱區(qū)的影響,改善了輻射加熱

2、場的干凈性。對錐盤靶激光和輻射加熱進行了模擬計算,所得結果與實驗的結果符合較好。關鍵詞:錐盤靶;環(huán)盤靶;非平衡特性;輻射加熱中圖分類號:TN248.13文獻標識碼:A高溫、高密度等離子體輻射的X 光能譜平衡特性是開展等離子體物理研究的基礎。在天體物理、慣性約束聚變、磁約束聚變及Z 2pinch 研究中,既是經(jīng)典難題,又是目前的熱門課題。眾所周知,處于熱動平衡的稠密等離子體,其輻射為黑體輻射,且呈Planck 譜分布。輻射譜強度I (:I (=2h 3c 31exp (h/k T -1(1式中:為光子頻率;T 為等離子體溫度;c 為光速。目前,在實驗室內(nèi)產(chǎn)生的高溫等離子體很難實現(xiàn)完全的熱動平衡和

3、理想的“黑體輻射”。黑體輻射譜分布僅與等離子體溫度相關,而與構成的材料無關。在理想的完全熱動平衡的等離子體中,假設其電子、離子、光子均應處于平衡態(tài),在空間上等離子體保持足夠的均勻(在光子與粒子相互作用的自由程L 2P 內(nèi)變化小;而在時間上呈穩(wěn)態(tài)(在光子與粒子相互作用的馳豫時間t 2P 內(nèi)變化小,光子與粒子之間有足夠的能量交換時間。這是很難達到的限制條件。在目前的實驗條件下,稠密等離子體的輻射往往偏離黑體輻射Planck 譜,表現(xiàn)為非平衡特性。因此,理論上對等離子體狀態(tài)常作局域熱動平衡(L TE 的假設:等離子體中電子、離子處于熱動平衡,而光子與電子、離子相互作用較弱,輻射不一定是平衡譜。處于平

4、衡態(tài)的等離子體的輻射可用溫度來描述。而非平衡態(tài)的輻射譜的數(shù)值模擬就要解多群方程,工作量極大。所以,研究等離子體輻射譜非平衡特性及如何向平衡態(tài)過渡的過程(通常稱之為X 光的“馳豫過程”或“譜改造”是一個十分有意義的課題。Fig.1Schematic for areas heated by laser and X 2ray圖1激光加熱區(qū)與X 光輻射加熱區(qū)示意圖強激光輻照高Z 元素(Au 可產(chǎn)生高溫、高密度等離子體。然而由于加熱時間僅為1ns 左右,又由于等離子體內(nèi)存在有質動力和電子熱傳導的受阻現(xiàn)象,使其密度梯度變大而不能滿足熱動平衡的要求,因此激光加熱區(qū)的輻射譜明顯偏離Planck 分布1。以間接

5、驅動的黑腔靶為例(圖1:如果把激光直接加熱區(qū)稱為A 區(qū)或源區(qū),把由A 區(qū)所產(chǎn)生的X 光加熱區(qū)簡稱B 區(qū)或再輻射區(qū),那么,把B 區(qū)的非平衡輻射譜改造成Planck 譜是本文主要研究和探討的問題,也是慣性約束聚變(ICF 中輻射輸運、輻射燒蝕等物理過程待以深化的課題。在激光驅動的ICF 研究中,?？珊雎怨庾由⑸漤棥Ｃ枋龇瞧胶廨椛淞鞯妮斶\方程的一維形式為1c 5I 5t +5I 5x =j (1+c 22h3I -I (2式中:I 為輻射強度;j 為自發(fā)射系數(shù);為吸收系數(shù)。收稿日期:2002206203;修訂日期:2002211213基金項目:國家自然科學基金資助課題(19875045作者簡介:鄭志

6、堅(19412,男,研究員,主要研究慣性約束聚變、強場物理、等離子體物理;綿陽9192986信箱。輸運方程的右端:第一項為發(fā)射項,第二項為吸收項。該式表明:無論是輻射輸運,亦或是譜改造,實質上都是研究等離子體對輻射的吸收及再發(fā)射的物理過程。由強激光輻照靶產(chǎn)生的等離子體發(fā)射的X 光攜帶著內(nèi)部電子、離子、光子大量的信息,是實驗研究等離子體輻射譜非平衡特性的主要依據(jù)。本工作安排了“輻射的吸收及再發(fā)射物理過程”的分解實驗。然而由于譜改造問題的實驗診斷非常困難,基于在星光2II 裝置上積累的實驗經(jīng)驗,設計了錐盤靶有效地解決了輻射加熱區(qū)的“干凈性”問題,從而邁出對輻射譜改造的重要一步。1實驗條件和方法1.

7、1激光參數(shù)實驗在上海的神光2II 激光裝置上進行。北4束三倍頻光輸出,每束靶面激光能量約為200J ,脈寬(FWHM 0.8ns ,波長0.35m ;離焦600m 打靶;靶面功率密度I L =(23×1014W/cm 2。1.2實驗靶型實驗采用的錐盤靶和環(huán)盤靶兩種靶型如圖2(a 、(b 所示,靶面由厚度為20m 的Au 箔制成。錐盤靶的A 區(qū)為上端開口的60°錐面,北4束激光分別以與錐外壁15°方式輻照4個對稱點。A 區(qū)輻射的X 光燒蝕<900m 的金盤(B 區(qū)。這種靶型的特點是:A 區(qū)的等離子體以錐面法線方向外噴,散射光以鏡反射為主,兩者均不能打到B 區(qū)的

8、金盤中心部位,這樣便保證了加熱B 區(qū)輻射流的干凈性,亦避免了A ,B 區(qū)等離子體相碰而發(fā)射的X 光的干擾。此外,B 區(qū)輻射是由錐底軸向觀測的,錐面起著屏蔽A 區(qū)輻射的作用。為了比對錐盤靶的優(yōu)點,又設計了環(huán)盤靶。將其A 區(qū)的“錐面”改為“平面環(huán)” 。Fig.2Experimental targets for spectra modification on Shenguang 2II圖2神光2II 譜改造靶型1.3實驗排布為提高診斷結果的可信度,實驗中,同時利用兩種診斷手段測量X 光能譜:10道或7道濾片-X 光二極管(XRD 陣列組成的軟X 光譜儀(SXS 及透射光柵譜儀(TGS 。SXS 指標

9、是:響應能區(qū)0.11.5keV ,譜分辨約為10%,測量的不確定度30%。TGS 指標:能區(qū)50eV 4keV ,譜分辨約為3%,不確定度為35%。若置空間分辨狹縫時,分辨率為30m 。在神光2II 靶室的水平安裝的探測器的布局見圖3。在東偏北30°的位置,安置10道亞千X 光能譜儀(SXS 21測量A 區(qū)輻射的X 光譜的時間特性,在正南方位,安裝7道SXS 譜儀(SXS 22測量B 區(qū)輻射的X 光譜的時間變化。采用兩套絕對標定的透射光柵譜儀(TGS 配X 光CCD 分別測量A 、B 區(qū)的更細致的軟X 光譜。在正東方向放置針孔配X 光條紋相機(XSC ,觀測A 、B 區(qū)等離子體噴射的

10、時間過程。XSC 的時間分辨為15ps ,光陰極狹縫100m ×2cm 。實驗中采用7個不同方位的平響應XRD (F 2XRD 獲取A 、B 區(qū)的X 光角分布,給出X 光總量。在正西方向上安置一臺針孔相機(PHC ,觀測A 、B 區(qū)的X 光圖像,其空間分辨15m 。在南偏西15°位置放置另一臺針孔相機,從A 區(qū)孔觀測B 區(qū)的X 光圖像。65強激光與粒子束第15卷Fig.3Schematic of diagnostic instruments on chamber 圖3靶室水平面上探測器排布示意圖2實驗數(shù)據(jù)及解譜結果對錐盤靶的原始測量譜(未經(jīng)解譜計算如圖4、圖5所示。透射光柵

11、獲得的錐盤靶A 區(qū)、B 區(qū)的原始測量譜見圖4(圖中縱軸為波長,橫軸系空間尺度。由原始譜得到的定性結果:A 區(qū)和B 區(qū)的輻射能譜很不相同。A 區(qū)譜零級附近明顯的M 帶(h 2.5keV 且呈三峰結構,還可觀測到N 帶(h 750eV 、O 帶(h250eV 譜。而B 區(qū)譜則沒有M 帶,只有一個連續(xù)譜(O帶。B 區(qū)譜因波長較長,高級衍射率高,圖中的多譜帶結構為一級、二級衍射所致。圖5的實心圓點表示SXS 譜儀測量的原始譜,A 區(qū)譜中也觀測到N ,O 帶譜結構 。Fig.4TGS measured spectra emitted from areas heated by laser and X 2r

12、ay for cone 2disks圖4透射光柵譜儀對錐盤靶激光和X 光加熱區(qū)測量的譜Fig.5Soft X 2ray spectra emitted from cone 2disk target 圖5錐盤靶實驗及數(shù)值模擬的軟X 光譜更定量的結論須經(jīng)過解譜才能得到。解譜過程要求考慮譜儀所有環(huán)節(jié)的能量響應函數(shù),并去掉高級衍射后得到的X 光能譜。圖5曲線a ,b ,c ,d 分別給出A 區(qū)和B區(qū)的TGS 和SXS 譜的解譜結果。由此,可看出兩種譜儀對A 、B 區(qū)測量的X 光譜在誤差范圍內(nèi)一致。說明數(shù)據(jù)是可信的。由于SXS 譜儀測譜范圍為0.11.5keV ,故測不到M 帶。環(huán)盤靶實驗結果如下:由透

13、射光柵譜儀獲得的A 區(qū)和B 區(qū)原始譜見圖6。A 區(qū)和B 區(qū)能譜都存在M帶,但A 區(qū)強,B 區(qū)弱。圖6(a 可以這樣理解:因TGS 有空間分辨能量,強激光分別輻照在A 區(qū)圓環(huán)上四個對稱位置上。由于B 區(qū)圓盤的遮擋,測量方位僅可以測到兩束激光斑點處的輻射譜。為了更好地比對錐盤靶和環(huán)盤靶的數(shù)據(jù),將TGS 解譜結果示于同一圖7。不難看出兩種靶的A 區(qū)輻射X光譜基本相同,只是M 帶存在一定差異。而兩種靶型的B 區(qū)譜確差異較大,然而h<500eV 的能譜基本一致。當h>500eV 時,環(huán)盤靶的B 區(qū)能譜要強得多,且出現(xiàn)峰值結構(約750eV 和1100eV 。上述兩種靶型分別用SXS ,TGS

14、 譜儀測量的A 區(qū)(激光加熱區(qū)與B 區(qū)(X 光加熱區(qū)能譜如表1。75第1期鄭志堅等:高Z 等離子體輻射的非平衡特性表1SX S 和TG S X 光譜測量結果T able 1R esults of X 2ray spectra measured by SX 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 3con

15、e 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:Near Plank spectrum at radiation temperature T r =70eV 。Fig.6TGS measured spectra emitted from areas heated by laser and X 2ray for annulus 2disks圖6透射光柵譜儀對環(huán)盤靶激光和X 光加熱區(qū)測量的譜

16、Fig.7Soft X 2ray spectra emitted from annulus 2disk and cone 2disk target 圖7環(huán)盤靶懷錐盤靶實驗的軟X 光譜將A 區(qū)和B 區(qū)成像于X 光條紋相機具有空間分辨的光陰極狹縫上,獲得兩種靶型A 、B 區(qū)輻射的時、空分辨圖像見圖8。比較圖8(a 和圖8(b 。圖8(a 為錐盤靶:A 區(qū)、B 區(qū)發(fā)射時間過程清晰,無外噴等離子體的相碰現(xiàn)象;圖8(b 為環(huán)盤靶,可觀測到A 區(qū)和B 區(qū)等離子體發(fā)生的碰撞產(chǎn)生的X 光,這將干擾B 區(qū)能譜的測量精度。3物理實驗分析首先,對激光直接輻照的A 區(qū)進行分析。兩種靶型A 區(qū)的X 光都譜存在較強的帶譜

17、結構:O帶(約250eV 、N 帶(約750eV 、M 帶(約2.5keV 。M 帶較強,尤其是對三倍頻激光打靶,M 帶能量份額大于20%,表明激光加熱Au 靶等離子體的非平衡特性。再從空間密度分布角度來看,因有質動力m 2。根據(jù)目前的認識,N ,O 帶譜源于此區(qū)。而M 帶則源于0.5n c (臨界密度附近。此區(qū)電子密度較低,不足以產(chǎn)生趨向平衡態(tài)所需要的碰撞頻率3,不可能實現(xiàn)“理想平衡態(tài)”。從微觀角度講,帶譜發(fā)射的機制是能級的“束縛2束縛”躍遷,這說明Au 等離子體電離態(tài)也是非平衡的。為了加深對實驗結果的理解,采用德國Maxwell 2Planck 量子物理(MPQ 研究所編制的一維輻射流體力

18、學程序Multi 21d 對實驗進行模擬計算4。計算的初始條件為:激光波長0.35m ,脈寬0.8ns ,強度2.5×1014W/cm 2,限流因子f =0.08。由圖5知道,Multi 21d 計算A 區(qū)輻射的X 光能譜與TGS 測量的X 光能譜基本符合,不過TGS 測量的X 光能譜M 帶有3個峰,而計算的M 帶僅有一個峰。這是由于Au 的不透明度僅有20個能點的數(shù)據(jù),對輻射(505000eV 的計算只能取20群,在M 帶只有5群光子,所以M 帶的譜分辨計算是很粗的,不可能獲得測量所得到M 帶的3個峰結構。其次對錐盤靶B 區(qū)的結果進行分析。對B 區(qū)X 光輻射加熱后,其再輻射譜結構發(fā)

19、生了顯著變化,呈單峰,且接近平衡譜。為了比較,在圖5中繪出了輻射溫度為70eV 的Planck 譜,即平衡譜。在低能部分,再輻射譜85強激光與粒子束第15卷 Fig.8Streaked images of emission heated by laser and X 2ray from two kinds of targets圖8兩種靶型的激光和輻射加熱區(qū)的時空圖像與平衡譜十分接近,而較高能部分稍偏強。B 區(qū)的再發(fā)射譜為Planck 譜分布,可作如下解釋:如果等離子體對于相關頻率的光子大都是光性厚的,它便會象黑體一樣輻射Planck 譜。光學厚度定義為(=k (d x (3式中:x 是觀測方向

20、的厚度;k 是吸收系數(shù)。對平面片狀等離子體發(fā)射強度I 為I =I p 1-exp (-(4式中:I p 為Planck 譜分布。對于光性薄的等離子體<1,其發(fā)射主要是線譜。隨著趨近于1,處于該狀態(tài)的光子被吸收,然后再發(fā)射,細致的平衡過程開始出現(xiàn)。譜線的最大值受限于I p 。隨著等離子體光學厚度的增加,>1,譜發(fā)射達到I p 。具體的實驗條件為:4束激光輻射錐筒外壁,每束面功率密度約3×1014W/cm 2。設吸收系數(shù)a 0.9,X 光轉換系數(shù)0.7,那么,光斑處X 光源的強度為1.9×1014W/cm 2?？紤]4束激光共同產(chǎn)生的X 光效應、X 光角分布cos 及

21、接收角因子,在B 區(qū)平面Au 盤的X 光面功率密度約6×1012W/cm 2。設光子平均能量約700eV ,則輻射燒蝕厚度約1m 2。從實驗結果看來,這對T r =70eV 的輻射譜而言,可認為基本是光性厚的。由圖5所示實驗結果曲線d 與按T r =70eV 計算出的曲線e 相比較,因低能部分易實現(xiàn)>1,故低能的兩曲線接近,對較高能量的光子輻射吸收系數(shù)k 變小,故與I p 有一定差異。Multi 21d 程序僅能模擬計算激光燒蝕過程,不能處理輻射燒蝕過程,需要對程序作較大的改進,以便能對輻射燒蝕過程進行模擬,而且研究輻射燒蝕更有意義。將程序中的激光加熱改為X 光加熱,其它部分不

22、變,經(jīng)過改進的Multi 21d 程序(稱Multi 21X 確實能計算輻射燒蝕。輸入的輻射譜可以是任意譜,可以是實驗測量的能譜如A 區(qū)輻射譜,也可以是Planck 平衡譜,輻射脈沖的時間波形也可以是任意的。改進后的Multi 21d 程序還可以處理輻射燒蝕薄膜靶的問題,如計算熱波在薄膜中的傳播時間等。圖5中給出了用Multi 21X 程序計算B 區(qū)再輻射的X 光譜,計算時考慮了A ,B 區(qū)間的幾何位置關系,將A 區(qū)的譜乘以位置關系的系數(shù)之后進行計算,比較計算和測量結果,符合較好,這說明改進的Multi 21X 程序是可靠的。關于環(huán)盤靶與錐盤靶比較,兩者激光加熱的A 區(qū)輻射譜基本相同,但是,在

23、M 帶存在一定差異,這是由于TGS 觀測的方位與兩種靶A 區(qū)的法線方向不同所致。因等離子體是非平衡的,其譜將各向異性,這可能是造成A 區(qū)譜差異的原因。至于環(huán)盤靶的B 區(qū)再發(fā)射譜,因該區(qū)除被A 區(qū)X 光輻射外,還因A 區(qū)為平面環(huán)型結構,入射激光的鏡向反射光也可打在B 區(qū)上。此外,A ,B 區(qū)外噴等離子體相互碰撞產(chǎn)生的X 光也可加熱B 區(qū)盤。因此,環(huán)盤靶B 區(qū)的輻射條件復雜,本文暫不討論。4結論通過高Z 元素Au 的激光加熱等離子體的輻射譜對等離子體的非平衡態(tài)特性進行了探討,認為:95第1期鄭志堅等:高Z 等離子體輻射的非平衡特性60 強 激 光 與 粒 子 束 第 15 卷 致謝 感謝北京應用物

24、理與計算數(shù)學研究所賴東顯 、 王光裕研究員的有益討論 ,感謝中物院 8 所制靶人員的辛勤勞作 , 對 “神光2II” 運行及靶場人 員表示深深的謝意 。 tion was made in t his paper. The p hysical mechanism was investigated and analyzed. Two kinds of targets , which were cone2disk and spectrum from X2ray ablating disk is ” pure and clear” but annulus2cone couldn avoid effec

25、ts of plasma and scattering laser. , t ( 1 激光直接加熱的等離子體非平衡特性明顯 。其輻射譜明顯偏離黑體輻射的 Planck 譜 ,由 M ,N ,O 帶 譜構成 。較硬的 M 帶還由 3 個峰組成 ( 5f23d 等躍遷 ,其能量分額高達 20 %以上 。 ( 2 利用神光2II 的 4 束三倍頻強激光 ( 總功率約為 1 TW 加熱產(chǎn)生的 X 光源再加熱另一 Au 盤 ,在加熱的 X 光強度 I X6 × 12 W/ cm2 時 ,可產(chǎn)生近光性厚的等離子體 ,其再發(fā)射譜近 Planck 分布 ,等效 T r70eV 。 10 ( 3 本文

26、設計的實驗用錐盤靶 ,其結構合理 ,可很好地避免激光加熱區(qū)等離子體噴射和散射對輻射加熱區(qū) 參考文獻 : Key words : Cone2disk target ; Annulus2disk target ; Reemission ; Non2equilibrium © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. lation on re2emission from gold disk heated by X2ray , High Power L aser and Particle B

27、eams , 1998 , 10 (11 : 562 565 m unications , 1988 , 49 (2 : 475 505. 的影響 ,使輻射加熱區(qū)獲得了 “干凈” X 光能流源 。 的 ( 4 通過 Multi21d 程序對錐盤靶激光加熱區(qū)的輻射進行了模擬計算 , 所得能譜與實驗的結果基本符合 。 經(jīng)過改進的 Multi21d 程序即 Multi21X 可以研究輻射燒蝕問題 ,采用 Multi21X 對 X 光加熱區(qū)的再輻射過程進 行了計算 ,結果與實驗符合較好 。 2 Babonneau D , Bocher J L , Bayer C , et al. X2ray emission by t he rear side of laser2irradiated gold targetsJ . L aser and Particle Beams , 1990 , 9 (2 :527 540. X ,et al. Experimental investigation on re2emission from gold double disks irradiated by laser. A cta Physica S i nica ,2001 , 50 (4 : 730 733 1 江少恩 ,鄭志堅 ,孫可煦 ,等 . 激光加熱金雙盤靶輻射與再輻射實驗研究 J