激光聚变等离子体Thomson散射诊断

摘要

激光等离子体物理是激光聚变及高能量密度物理研究中的一个重要内容,激光等离子体耦合、电子热传导及相关的X光辐射都和等离子体参数密切相关。作为目前精度最高的一种诊断手段,Thomson散射可以细致测量激光等离子体中的各种密度涨落,研究相关的参量不稳定性过程;还可以高时空分辨地测量等离子体温度、密度和有效电荷数等一整套参数,为激光聚变模拟程序的校核及相关物理机制的研究提供基准数据。Thomson散射诊断已经被发展成为激光等离子体参数诊断的一种标准方法。
　　电子热传导是激光聚变中非常重要的能量输运过程,它对等离子体参数的时空分布有重要影响,从而影响激光等离子体耦合及X辐射场的特性。电子热传导机制的研究对激光等离子体物理细致研究及数值模拟程序正确建模有着重要意义。
　　本论文中,作者在“神光Ⅱ”装置上建立并发展了Thomson散射珍断技术,在国际上首次成功地开展了Au腔靶等离子体的Thomson散射,同时对Au盘靶等离子体中电子热传导机制进行了定量分析。本论文的主要工作有：
　　在“神光Ⅱ”装置上建立了一套较成熟的Thomson散射诊断系统。诊断系统由收光系统,反射镜系统,谱仪、条纹相机和电荷耦合器件(CCD)等设备组成。在精密调试下,诊断系统能够达到≤0.6埃谱分辨,50μm的空间分辨和50ps的时间分辨,满足了高精度参数诊断的要求。为了满足Au腔靶中复杂等离子体位形的Thomson散射诊断的需要,进一步改进了调试方法,设计专用的光学平台提高了诊断系统的探测效率和稳定性,同时为“神光Ⅱ”装置上等离子体参数高精度诊断奠定了技术基础。
　　编写了一套完备的Thomson散射谱拟合程序,对Thomson散射参数诊断开展了数值研究。程序考虑了温度不均匀性引起的电子-离子相对漂移,更全面的分析了等离子体不均匀性对散射的影响。研究发现,等离子体不均匀性和有限收集立体角对它的影响很小,可以用无梯度单一收集立体角的拟合程序简化处理,这对实验设计及数据处理有重要指导作用。拟合程序被用于Thomson散射的精细拟合及电子热传导的研究。
　　先后在“神光Ⅱ”装置上成功地开展了Au盘靶、Au腔靶的Thomson散射实验,通过实验数据分析,得到了如下主要结论:
　　1.在国内首次开展了大能量激光聚变实验条件下的Thomson散射实验,高精度地测量了Au盘靶等离子体一系列空间点的Thomson散射谱。特别地,成功地测量到了离靶面仅50μm距离的高密度等离子体区域的Thomson散射谱,这在国外大激光装置下的Thomson散射实验中也很少见,反映了实验Thomson散射诊断系统在高密度区域诊断能力的优越性,为后面Au腔靶等离子体的Thomson散射诊断奠定了基础。
　　2.高精度地获得了“神光Ⅱ”条件下Au盘靶等离子体参数的一整套时空分布数据。分析发现,Au等离子体可以分为传导区和冕区,其中温度和流速的时空行为在定性上可以用自相似模型解释,由于实验属于三维布局,定量的研究必须依靠大型数值模拟程序。对实验谱形的细致拟合发现,等离予体非均匀性对Thomson散射谱有重要影响,但是并不影响等离子体参数诊断精度。
　　3.利用Thomson散射参数诊断，首次自恰地计算了Thomson散射双峰不对称性，细致地研究了Au盘靶等离子体中电子热传导机制。定性上，Thomson散射双峰强弱由热流方向决定。定量上，热流引起的电子-离子相对漂移影响着双峰强度的比值。利用Au盘靶实验测量得到的ZTe,U1参数及分布自恰地计算了Spitzer-H(a)rm热流引起的Thomson散射谱的双峰强度比值;在近靶区域，计算值和实验值符合得很好，但是在远离靶的区域，二者存在较大的差异，分析表明，这可能是远靶区域密度较低使得Spitzer-H(a)rm热流模型不再成立。
　　4.在国际上首次成功地对Au腔靶等离子体开展了Thonlson散射实验，第一次得到了Au腔靶等离子体参数。高Z材料腔靶是间接驱动实验的基本靶型。实验结果为腔靶物理研究及激光聚变模拟程序的校核提供重要的基准数据。
　　5.在盘靶、瓦片靶、充气腔靶等系列位形下成功地开展了Thomson散射实验，标志着我们Thomson散射诊断能力能满足各种等离子体位形的要求，为“神光Ⅱ”装置上等离子体参数高精度诊断奠定了基础，也为相关的众多物理过程的细致研究及模拟程序的精细校核工作奠定了基础。
　　6.首次发现了瓦片靶和腔靶结构下Thomson散射谱的“异常展宽”，分析认为高温离子是导致“异常展宽”的原因。高温离子可能来源于腔内辐射烧蚀等离子体和弧形腔壁对‘等离子体运动的约束，使得它们在汇心运动过程中发生对穿并由于粘滞效应将定向动能转为离子的内能的过程。散射谱的“异常展宽”和高温离子存在的进一步验证对Thomson散射诊断及腔靶物理研究具有重要意义。
　　7.充气腔靶的Thomson散射谱整体红移，与Au腔靶完全相反，表明了等离子体特性有显著的差别。充气腔内低Z等离子体的运动主要受激光通道等离子体和腔靶高Z等离子体压迫的影响向腔轴运动。与国外充气腔靶实验相比，我们不仅测量了腔内轴线区域等离子参数，还测量了腔内离轴区域的等离子体参数。轴线区域等离子体的演化与国外大充气腔靶结果相似，但是离轴区域等离子体参数的演化与轴线区域有明显不同，这可能反映了腔内等离子体热流传输以非局域热传导为主。
　　8.分析了盘靶、瓦片靶、Au腔靶和充气腔靶的等离子体参数的时空分布:靶的空间位形对等离子体运动有重要影响，盘靶开放结构，约束最小，流速最大;半腔靶次之，腔靶约束最明显，流速最小。等离子体温度与靶位形及能力密度都有关:六路聚焦腔靶下等离子体温度最高，其次是六路离焦;接着是四路激光入射下的瓦片靶和腔靶结构的情况，最后是两路激光入射下的盘靶情况。等离子体参数的时空演化以及于靶位形关系的细致研究必须依赖于数值程序。同时它们也为数值模拟程序的校核提供了重要的比对数据。

目录

作者简介

致谢

文章发表情况

摘要

Abstract

第一章 引言

§1.1 高能量密度物理简介

§1.2 高能量密度物理中的激光等离子体诊断

§1.2.1 激光等离子体参数诊断概述

§1.2.2 粒子诊断

§1.2.3 X射线谱学诊断

§1.2.4 光学诊断

§1.3 激光等离子体中的Thomson散射诊断

参考文献

第二章 激光等离子体中的Thomson散射研究综述

§2.1 等离子体中Thomson散射的理论综述

§2.1.1 等离子体中Thomson散射理论的基本图像

§2.1.2 单离子、麦氏分布、无碰撞、非磁化等离子体

§2.1.3 多离子、麦氏分布、无碰撞、非磁化等离子体

§2.1.4 单离子、麦氏分布、无碰撞、非磁化等离子体

§2.1.5 单离子、麦氏分布、强碰撞和中等碰撞的非磁化等离子体

§2.1.6 磁化等离子体及其它因素的影响

§2.2 等离子体中Thomson散射的实验研究综述

§2.2.1 热相干Thomson散射诊断技术的发展

§2.2.2 热相干Thomson散射在电子热传导研究中的应用

§2.2.3 热相干Thomson散射诊断的其它应用

§2.2.4 超热相干Thomson散射在激光等离子体相互作用中的应用

§2.2.5 国内激光等离子体Thomson散射研究现状

参考文献

第三章 Thomson散射的理论

§3.1 Thomson散射的动力学形状因子

§3.1.1 等离子体中Thomson散射功率谱与动力学形状因子的关系

§3.1.2 动力学形状因子的物理意义

§3.1.3 动力学形状因子的一般表达式

§3.2 无碰撞、麦氏分布、非磁化等离子体的Thomson散射理论

§3.3 强碰撞等离子体的动力学形状因子

参考文献

第四章 “神光Ⅱ”装置下的热相干Thomson散射实验设计

§4.1 Thomson散射实验的基本布局

§4.1.1 激光等离子体Thomson散射实验设计的基本考虑

§4.1.2 神光Ⅱ装置上Thomson散射实验布局

§4.2 Thomson散射诊断系统

§4.2.1 Thomson散射诊断系统的核心设备简介

§4.2.2 Thomson散射诊断系统的建立和调试

§4.2.3 Thomson散射诊断系统的改进

§4.3 激光等离子体中Thomson散射参数诊断的数值分析

§4.3.1 Thomson散射谱拟合程序的理论依据

§4.3.2 Thomson散射诊断的数值分析

§4.4 本章小结

参考文献

第五章 实验结果和讨论

§5.1 Au盘靶等离子体的Thomson散射诊断

§5.1.1 Au盘靶等离子体的Thomson散射诊断

§5.1.2 Thomson散射测量结果一条纹图及分析

§5.1.3 Thomson散射谱的数据处理一参数诊断

§5.1.4 Au等离子体流体参数的时空分布研究

§5.2 Thomson散射在电子热传导研究中的应用

§5.2.1 电子热传导简介

§5.2.2 Thomson散射在电子热传导中的应用

§5.3 Au腔靶等离子体的Thomson散射诊断

§5.3.1 研究背景

§5.3.2 Au腔靶Thomson散射实验的设计

§5.3.3 瓦片靶与腔靶中的Thomson散射谱拟合

§5.3.4 盘靶、瓦片靶与腔靶的等离子体参数分析

§5.3.5 约束位形下Thomson散射谱“异常展宽”及离子高温讨论

参考文献

第六章 总结和展望

§6.1 论文总结

§5.1 未来工作展望

附录一 Thomson散射诊断系统参数的定标分析

附录二 Thomson散射参数诊断的误差分析