强激光在实验室天体物理中的应用:硅不透明度和铁等熵压缩的研究

摘要

天文学是基于观测的一门科学，利用各种不同波段的天文望远镜，观测天体中各种不同物理过程所发射的光子，建立合适的物理模型来了解天体的各种现象以及天体的起源和演化等。实验室天体物理一方面可以通过模拟天体中的物理环境在实验室中进行实验，对提出的理论物理模型进行检验，另一方面还可以通过实验测量理论模型所需要的各种参数，如原子物理中的谱线波长、振子强度、碰撞截面等。近二十年以来，随着高能量的大型激光器以及磁箍缩装置等高能量密度设备的发展，高能量密度物理得以蓬勃发展。高能量密度物理在实验室天体物理中的应用使实验室天体物理的研究范围取得了极大的拓展。高能量密度下的实验室天体物理可以使我们研究以前了解很少的物质处于极限状态下的性质，如恒星内部极端高温高密条件下金属元素的不透明度，物态方程等。这些研究可以更好的揭示恒星的形成、结构和内部动力学问题等。
　　 不透明度问题对于恒星的演化过程有着至关重要的作用。在实验室中利用Nova激光装置和Saturn Z-pinch实验装置测量了Fe在不同密度温度条件下的不透明度，通过与实验结果的比较，对理论计算的不透明度OPAL进行了改进。应用改进后新的铁的不透明度，成功地解决了长期以来造父变星周光关系的难题。但是仍然存在很多难题，如太阳对流区边界难题，即CZ难题，超新星爆发过程中能量的辐射转移等，都需要对相关不透明度进行实验室的测量和理论计算。Si是冷星大气中不透明度的主要来源之一，也是太阳对流区和太阳核球不透明度的重要来源之一。因此对于Si不透明度的研究足有重要意义的工作。
　　 我们在实验室中对Si的K壳层的不透明度首次进行了测量。实验利用上海ShengguangⅡ激光装置，把总能量为2400焦耳的8路主激光注入到圆柱形的金腔中，利用金腔产生的类普朗克辐射场对放在金腔中心的250μm的SiO2薄膜进行辐射加热，从而产生高度电离的Si等离子体样品。背光是用另外一束150 ps激光照射金靶产生。通过改变背光和主激光的时间延迟，我们对光谱进行时间分辨的测量。实验测量的1s-2p的吸收的波长范围是6.6到7.1 A。考虑到观测谱线的范围，我们计算了Si的从类He到类F的所有离子的原子数据，包括原子能级、谱线波长、自发衰减速率等，并对计算的准确程度进行了验证。另外我们还计算了谱线的自然展宽、多普勒展宽以及自电离共振展宽等数据。采用细致能级模型(DLA)，在局域热动平衡条件下我们计算给出了理论光谱。在理论模型中，我们考虑了O的存在对于Si的电离态布局的影响，在当前实验的条件下，这种影响不能忽略。进一步我们考虑了处于高激发态的离子对于不透明度的贡献，当高激发态的主量子数n>8时，这部分的离子对于不透明度的贡献可以忽略。通过对不同延迟时间的实验结果进行分析诊断，我们诊断出等离子体的电子温度范围从65到30 eV，电子的面密度从80到18μg/c㎡。当延迟时间较长时，由于部分等离子体扩散到金腔之外，必须用双分量模型来拟合。细致能级理论模型能够很好的重现出实验结果。
　　 物质密度，温度，压强和内能之间等状态参量的关系定义为物态方程。地球核心的主要成份是Fe，然而对于地球内核外核边界(330GPa，大约5000K)条件下，Fe以及铁的合金的物态方程(EOS)仍然不清楚，尤其对于铁在该压强下的熔化温度争议很大，这极大地限制了对于地球结构和动力学的模拟。利用激光直接驱动的方法我们对铁进行了等熵压缩实验。通过用可编程普克尔盒驱动程序调整激光强度随时间逐渐增强，我们用激光直接烧蚀10μm铁薄膜对铁靶实现等熵压缩。靶自由表面的速度使用两个任意表面速度干涉仪(VISAR)进行了测量。实验达到的最高压强约为2.5 Mbar。Fe的弹塑性特征和α到ε相变都被清晰的观测到。实验结果中α到ε相变和层裂过程的与用SHYLAC程序模拟结果符合的很好。这为在实验室中对Fe在地球内核外核边界条件的熔化曲线等性质的研究开辟了新的途径。
　　 为了实现对高密物质密度的直接诊断，我们还对短脉冲激光产生的硬X射线源(18-60 KeV)进行了研究。对于不同类型的靶材：W，Oy和Mo在不同的激光参数下进行了实验。使用细的W的线靶我们得到了高质量高分辨率的X射线图像。相同激光强度条件下，使用激光倍频技术对于各种材料X射线的产生没有影响，但是可以极大的降低Mo的Kα线成像的噪声。另外实验的空间布局对于Mo的Kα产生和成像质量有很大的影响。

目录

文摘

英文文摘

Contents

图目录

表目录

符号和缩略词

1 引言

1.1 实验室天体物理

1.2 高能量密度物理

1.3 论文研究背景：不透明度和物态方程及硬X射线成像

1.3.1 不透明度

1.3.2 物念方程

1.3.3 X射线成像

1.4 论文内容

2 不透明度理论模型

2.1 辐射转移和不透明度

2.2 细致能级原子模型

2.2.1 冕区等离子体

2.2.2 光电离等离子体

2.2.3 局域热动平衡等离子体

2.3 谱线轮廓

3 辐射加热硅不透明度实验结果和分析

3.1 实验布局

3.2 实验结果

3.2.1 背光测量

3.2.2 自发射测量

3.2.3 谱线归一化

3.2.4 时间分辨的吸收谱

3.3 Si的K壳层的原子数据

3.3.1 原子能级和谱线波长

3.3.2 辐射速率

3.4 实验结果分析

3.4.1 氧的影响

3.4.2 高激发能级的贡献

3.4.3 论和实验结果的比较

3.4.4 存在的差别

3.5 本章小结

4 高能量激光驱动的等熵压缩

4.1 纳秒激光与等离子体的相互作用

4.2 吸收和烧蚀

4.3 兰金雨贡纽关系

4.4 特征线

4.5 等熵压缩

5 铁高压等熵压缩实验结果和分析

5.1 实验布局

5.2 诊断设备

5.3 实验结果

5.4 实验模拟

5.5 小结和展望

6 硬X射线成像

6.1 K α射线的产生

6.2 实验安排

6.2.1 实验靶材

6.2.2 诊断设备

6.2.3 滤片

6.2.4 不同角度的影响

6.3 实验结果

6.3.1 X射线成像结果

6.3.2 X射线产量

6.4 小结与展望

7 总结和展望

参考文献

致谢

博士期间发表论文

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