Dynamics of LaseR-produced Plasmas & Diagnosis of the FirstWall Materials of Fusion Devices

摘要

本论文第一部分主要研究内容为，采用飞秒激光和纳秒激光研究不同的环境气压（真空到大气压）下激光烧蚀金属等离子体的发射光谱及等离子羽辉膨胀动力学演化过程，实验用的激光源分别为钛宝石飞秒激光，其激光脉宽30fs，激光波长为800nm;Nd∶YAG纳秒激光，其脉宽为6ns，激光波长为1064nm，532nm，355nm可选。研究中运用了具有快门的光谱仪，多维度对比研究了不同压强环境下，飞秒和纳秒激光烧蚀等离子体的发射及其羽辉膨胀动力学演化过程，并对等离子体发射光谱进行了的时空分辩进行了详细研究，实验结果显示，在环境气体的影响下，等离子体羽辉演化呈现出非常复杂的过程，如羽辉的分裂、约束以及等离子体冲击波和羽辉内部分型的出现。在环境气压对等离子体发射光谱影响的研究上，论文着重对激光烧蚀光谱的绝对线强度、信号背景比、等离子体羽辉演化和激光烧蚀坑的形貌及激光和金属靶材相互作用的物理机制进行了细致的研究。结果显示飞秒激光和纳秒激光与材料的相互作用过程以及与等离子的相互耦合机制上存在显著差异，导致飞秒激光和纳秒激光在对材料的烧蚀形貌及等离子体的演化动力学过程呈现很大不同。
　　论文第二部分主要研究在真空环境下，使用法拉第杯离子探测器结合离子飞行时间测量，对比研究了不同种类的金属及非金属靶材（碳、铝、硅、铜、钼、钽、钨）的激光烧蚀等离子体中的离子的演化动力学。结果显示在相同实验条件下，随着被辐照靶材的元素原子质量的增加，其发射的离子通量呈现下降趋势。对金属而言，根据实验结果推断出金属的离子通量与金属材料的升华能具有确定关系。实验通过监测离子动能，对比研究不同金属元素的瞬态离子通量，测得其离子通量的峰值，发现靶材原子序数高的元素在飞行时间谱上呈现多峰结构。由实验结果推断出激光烧蚀等离子体中慢离子的动能一般为1到5电子伏，快离子则具有更高的动能。采用高速并带有快门的ICCD相机系统，分析等离子体发射光谱的时间和空间分辨特性，详细研究了激光等离子体的性质，结果显示，激光烧蚀等离子体中离子的产生存在多种机制，并且高原子序数的元素其高能离子的起源与瞬时反冲电子发射相关。
　　论文第三部分主要研究了在真空环境下，飞秒激光烧蚀钨靶材，产生钨纳米粒子的特性。实验采用ICCD相机拍摄飞秒激光等离子体，结果显示飞秒激光等离子体和飞秒激光烧蚀材料产生的纳米粒子具有不同的时间尺度，飞秒激光产生的等离子的持续时间一般为500ns，而激光烧蚀产生的纳米粒子的持续时间一般为100us，其中离子和纳米粒子的速度相差约25倍，发现随时间和空间的增加，纳米粒子的温度呈下降趋势。实验对比研究了飞秒激光激发不同原子序数的材料产生的纳米粒子，观察到高原子序数材料（如钨）产生纳米离子的能力显著的高于低原子序数材料（如硅）。
　　论文第四部分主要研究内容为，脉冲高能激光辐照钨金属材料的损伤行为。可控核聚变一个重要的研究课题是，等离子体与第一壁材料的相互作用、高能离子对壁材料的轰击及高热流粒子对壁材料的辐照导致壁材料的损伤与侵蚀。本文采用脉冲激光模拟研究聚变装置中高能粒子对钨壁材料的辐照损伤效应。实验上使用激光功率密度为GWcm-2的脉冲激光辐照钨材料，通过分析激光等离子体发射光谱，发现在高热通量的激光辐照下，在初始阶段将形成钨等离子体，并在后续过程中伴随有强烈的钨粒子发射。通过对被辐照后的钨壁材料的破裂情况及再结晶结构的研究，结果显示高能激光辐照钨材料的损伤及粒子发射的特性与采用高能离子束轰击钨靶材的损伤及粒子发射特征具有相似性。