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软X射线能谱诊断原理
等离子体放电，不仅能产生可见光，还会辐射出大量人肉眼看不见的电磁辐射，其中，能量在1~30Kev的高能射线即软X射线。
随着等离子体放电的温度不断升高，对软X射线的诊断就显得越来越重要了。
在高温等离子体里，软X射线主要是由电子与离子间碰撞产生的连续谱的韧致辐射和复合辐射组成。
由于这些连续谱的强度与电子的温度和密度密切相关，因此，只要测出连续谱的强度，就可以得到电子的温度Te。
不仅如此，当实验也测得增强因子（即总的连续谱对纯氢韧致辐射的比）时，由软X射线，还能求出等离子体的有效电荷Zeff；由于重金属杂质的特征线辐射恰好处于软X射线段，当重金属杂质的含量较高时，也能利用软X射线能谱对重金属杂质进行分析。
实验上，为减少射线在空气中的衰减，整个射线通过的路径处于10-4Pa的真空中；50µm 的铍膜吸收低于1.5Kev的超软X射线，5mm的Si(Li)探测器使大于30Kev的射线透过，剩下2到30Kev之间的软X射线被5mm的Si(Li)探测器（为了维持探测器正常工作，用液态氮通过冷致对其制冷）吸收。
再经后续电子线路（前放，主放，脉冲处理器，数模转换器，MCA，计算机）处理，就得到了软X射线的能谱图，运用程序，进而就可以求出电子的温度。
第24卷,第1期 光谱学与光谱分析Vol 124,No 11,pp 1232004年1月 Spectroscopy and S pectral Analysis January ,2004 激光等离子体软X 射线光源光谱强度测量方法尼启良,巩 岩,陈 波,曹健林中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林长春 130022摘 要 提出了一种新的探测和测量激光等离子体软X 射线源光谱强度的方法。
该方法使用通道电子倍增器和定标过的硅光电二极管为探测器,前者是非标准探测器,后者为标准探测器。
应用电荷灵敏前置放大器测量探测器产生的电量,并以高分辨率的光谱仪为分光元件,在已知光栅效率、通道电子倍增器增益、硅光电二极管能量响应的条件下,给出了计算激光等离子体软X 射线源在某一波长光谱强度的公式。
主题词 软X 射线源;激光等离子体;光谱强度中图分类号:O536 文献标识码:A 文章编号:100020593(2004)0120001203 收稿日期:2002208215,修订日期:2002212228 基金项目:国家自然基金(10333010)资助项目 作者简介:尼启良,1966年生,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室副研究员引 言 激光等离子体(Laser 2Produced Plasma ,简称L PP )软X射线光源是以高功率激光脉冲(功率密度大于1010W ・cm -2)照射物质表面产生高温、高密度激光等离子体,并由等离子体辐射出1到几十纳米的软X 射线的小型高亮度点光源。
激光等离子体软X 射线源产生的光信号是极快的脉冲信号。
对于使用脉冲宽度为皮秒甚至于飞秒量级的激光器的激光等离子体软X 射线光源,其光谱的探测通常使用价格昂贵的背照射X 射线CCD 。
实际上,短脉冲激光与气体形成的团簇靶相互作用时辐射的软X 射线可以持续几个纳秒[1]。
对于使用脉冲宽度为几个纳秒的激光器的激光等离子体软X 射线光源,它产生脉冲宽度是几个纳秒的光脉冲。
等离子体物理学中的等离子体诊断方法等离子体诊断方法在等离子体物理学中起着重要的作用。
本文将介绍一些主要的等离子体诊断方法，包括光谱诊断、微波诊断和中子诊断，并探讨它们的原理和应用。
光谱诊断是等离子体物理学中最常用的诊断方法之一。
等离子体通过发射或吸收特定波长的光线来测量等离子体的温度、密度和成分等参数。
利用精密光谱仪可以测量等离子体中不同元素发射或吸收的谱线强度，并通过分析这些谱线的频率和强度来推断等离子体的性质。
例如，利用可见光谱仪可以测量太阳上等离子体的温度和密度，帮助我们理解太阳的运行机制。
光谱诊断方法具有非常高的准确性和灵敏度，广泛应用于等离子体物理研究和工业等离子体应用领域。
微波诊断是另一种常用的等离子体诊断方法。
微波是电磁波的一种，它可以穿透等离子体，与等离子体中的电子和离子相互作用。
通过测量微波在等离子体中的传播特性，可以获取等离子体的密度、温度和电子浓度等参数。
微波诊断方法在聚变研究中得到广泛应用，用于测量磁约束聚变装置中的等离子体参数，帮助科学家探索实现可控核聚变的途径。
此外，微波诊断方法还应用于等离子体刻蚀和等离子体加工等工业领域。
中子诊断是一种通过测量等离子体中的中子流来获取等离子体参数的方法。
在等离子体物理实验中，产生的中子流可以提供等离子体的温度、密度、离子浓度等重要信息。
中子诊断方法在等离子体聚变研究中得到广泛应用，用于测量聚变反应中产生的中子。
总结而言，等离子体诊断方法在等离子体物理学和等离子体工程中扮演着重要的角色。
光谱诊断、微波诊断和中子诊断是常用的等离子体诊断方法，它们广泛应用于等离子体物理研究和工业应用领域，帮助科学家和工程师更好地理解和利用等离子体。
随着技术的不断发展，等离子体诊断方法将进一步提高其准确性和灵敏度，为等离子体物理学的研究和应用提供更多有力的工具。
Z箍缩等离子体X射线辐射能谱的一种估算
段耀勇;郭永辉;蒯斌;邱爱慈
【期刊名称】《核聚变与等离子体物理》
【年(卷),期】2007(027)003
【摘要】针对实验室等离子体的辐射物理条件和等离子体箍缩三温的数值模型,提出一种定量计算Z箍缩等离子体辐射能谱的近似方法.在给出计算能谱结构的理论方法之后,再将这种近似计算方法编入到Kr喷气Z箍缩等离子体X射线辐射的二维三温辐射磁流体力学模型中,得出典型Kr喷气Z箍缩X射线辐射的能谱分布.对照"强光一号"加速器Kr喷气箍缩实验测量得到的辐射能谱分布,分析了理论与实测结果之间存在的偏差.
【总页数】6页(P188-193)
【作者】段耀勇;郭永辉;蒯斌;邱爱慈
【作者单位】西北核技术研究所,西安,710024;西北核技术研究所,西安,710024;西北核技术研究所,西安,710024;西北核技术研究所,西安,710024
【正文语种】中文
【中图分类】O361.3;TL631.1
【相关文献】
1.“强光一号”z箍缩实验Al等离子体能谱诊断 [J], 秦义
2.Z箍缩软X射线辐射能量薄膜量热计改进技术 [J], 李沫;王亮平
3.丝阵Z箍缩X射线辐射机制数值分析 [J], 段书超;黄显宾;杨礼兵;李晶;但加坤;章
征伟;任晓东
4.丝阵靶箍缩等离子体软X射线辐射能谱研究 [J], 蔡红春;Chernenko A
S;Korolev V D;Ustroev G I;Ivanov M I
5.喷气式Z箍缩等离子体装置中离子束能谱的测量 [J], 郭小明;罗承沐
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第19卷 第12期强激光与粒子束Vol.19,No.12 2007年12月HIGH POWER L ASER AND PAR TICL E B EAMS Dec.,2007 文章编号: 100124322(2007)1222027204高温铝等离子体X 光发射谱实验3胡智民1,2, 杨家敏2, 张继彦2, 张文海2, 李三伟2, 丁耀南2, 安 竹1(1.四川大学原子核科学技术研究所,成都610064;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 在神光2Ⅱ高功率激光装置上,以束匀滑的第九路钕玻璃二倍频激光均匀辐照薄层铝埋点靶,通过激光烧蚀作用产生较均匀的铝高温等离子体,用平面晶体谱仪在靶面前向和切向同时测量了X 光发射谱信号,并将前向发射谱进行了定量化还原处理。
利用辐射流体力学程序MUL TI 21D 首先对等离子体状态进行了模拟计算,然后采用基于碰撞辐射模型的光谱程序对该状态下的光谱开展了计算,并将实验测量光谱与理论计算光谱进行了比较和分析,符合得较好。
关键词: 激光等离子体; 铝埋点; X 光发射谱; 定量测量 中图分类号: O536; O433.1 文献标识码: A 在激光驱动惯性约束聚变研究中,高温等离子体X 射线谱学是一个重要的研究课题。
高温等离子体通常是非平衡的系统[1],而发射谱对于研究非平衡等离子体的离化分布动力学的物理机制十分重要,它可以检验理论模型和计算程序。
随着实验条件和诊断技术的不断完善和发展,使得定量研究高温等离子体的X 光发射谱强度成为可能,近年来国外已经开展发射谱的定量实验研究,并在理论上建立了非平衡等离子体离化分布动力学模型,并通过实验测量谱与理论谱的比较,研究了非平衡等离子体中各种物理机制对离化分布的影响[224]。
国内也开始了非平衡等离子体离化分布动力学的理论研究[527],建立了非平衡等离子体离化分布动力学及X 光发射谱的理论模型和计算程序,这就需要大量的半定量和定量X 光发射谱实验数据对理论模型进行检验和优化,由于实验研究刚起步,相应的实验数据也就非常缺乏,因此加强这方面的实验研究工作非常必要。
利用薄膜量热计测量高功率Z箍缩软X射线总能量
王文生;何多慧;邱爱慈;蒯斌;罗建辉
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2003(015)002
【摘要】介绍一种采用脉冲恒压电源驱动的镍薄膜量热计,研制了测量系统和镍薄膜探测器,对探测器的电阻-温度特性进行了实验标定,该量热计已成功应用于测量"强光一号"加速器高功率Z箍缩等离子体软X射线总能量,分析了测量不确定度.【总页数】3页(P184-186)
【作者】王文生;何多慧;邱爱慈;蒯斌;罗建辉
【作者单位】中国科学技术大学,国家同步辐射实验室,安徽,合肥,230026;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;中国科学技术大学,国家同步辐射实验室,安徽,合肥,230026;西北核技术研究所,陕西,西安,710024;西北核技术研究所,陕西,西
安,710024;西北核技术研究所,陕西,西安,710024
【正文语种】中文
【中图分类】O536;O434.12
【相关文献】
1.高功率Z箍缩软X射线功率测量 [J], 王文生;何多慧;邱爱慈;孙凤荣;罗建辉;周海生
2.两种Z箍缩X射线总能量测量技术对比 [J], 李沫;王亮平;盛亮;卢毅
3.软X射线测量用电阻式薄膜量热计 [J], 任晓东;欧阳凯;于治国;黄显宾;王昆仑;周少彤;但加坤;徐强;张思群;李晶;蔡红春
4.Z箍缩软X射线辐射能量薄膜量热计改进技术 [J], 李沫;王亮平
5.用于Z箍缩功率密度测量的针孔阵列设计 [J], 王亮平;张金海;李沫;郭宁
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Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟吴福源;梁川;褚衍运;叶繁;李正宏;杨建伦;Rafael Ramis;王真;祁建敏;周林【摘要】Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了“聚龙一号”装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs 和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国“土星”装置丝阵内爆计算结果和“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.%Z-pinch dynamic hohlraum can effectively convert Z-pinch plasma kinetic energy into radiation field energy,which has a potential to implode a pellet filled with deuterium-tritium fuel to fusion conditions when the drive current is sufficiently large.To understand the formation process of Z-pinch dynamic hohlraum on JULONG-I facility with a typical drive current of 8-10 MA,a new radiation magneto-hydrodynamics code is developed based on the program MULTI-IFE.MULTI-IFE is a one-dimensional,two-temperature,multi-group,open-source radiation hydrodynamic code,which is initially designed for laser and heavy ion driven fusion.The original program is upgraded to simulate Z-pinch related experiments byintroducing Lorentz force,Joule heating and the evolution of magnetic field into the code.Numerical results suggest that a shock wave and a thermal wave will be launched when the high speed plasma impacts onto the foam converter.The thermal wave propagates much faster than shockwave,making the foam become hot prior to the arrival of shock wave.For the load parameters and drive current of shot 0180,the calculated propagation sp eed of thermal wave and shock wave are about 36.1 cm/μs and 17.6 cm/μs,respectively.The shock wave will be reflected when it arrives at the foam center and the speed of reflected shock wave is about 12.9 cm/μs.Calculations also indicate that the plastic fo am will expand obviously due to the high temperature radiation environment (～30 eV) around it before the collision between tungsten plasma and foam converter.The evolution of radial radiation temperature profile shows that a pair of bright strips pointing to the foam center can be observed by an on-axis streak camera and the radiation temperature in the foam center achieves its highest value when the shock arrives at the axis.A bright emission ring moving towards the foam center can also be observed by an on-axis X-ray frame camera.The best time to capture the bright strips and bright emission rings is before the thermal wave reaches the foam center.Even though some amount of X-ray radiation in the foam is expected to escape from the hohlraum via radiation transport process,simulation results suggest that the tungsten plasma can serve as a good hohlraum wall.The radiation temperature is about 80 eV when the dynamic hohlraum is created and can rise more than 100 eV before theshock arrives at the foam center.Most of the X-rays emitted by the wire-array plasma surface have energies below 1000 eV.In this paper,the physical model of the code MULTI-IFE and the simulation results of array implosions on Saturn facility are presented as well.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)021【总页数】8页(P305-312)【关键词】Z箍缩;动态黑腔;辐射磁流体力学;冲击波【作者】吴福源;梁川;褚衍运;叶繁;李正宏;杨建伦;Rafael Ramis;王真;祁建敏;周林【作者单位】中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;西班牙马德里理工大学航空航天学院,马德里28040;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;西班牙马德里理工大学航空航天学院,马德里28040;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900;中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳 621900【正文语种】中文动态黑腔是实现Z箍缩惯性约束聚变的重要桥梁[1,2].相比于静态壁黑腔和双端驱动黑腔,动态黑腔可以更高效地将Z箍缩等离子体携带的动能转换为驱动靶丸内爆的辐射能.例如,在美国20 MA的Z装置上,静态壁黑腔和双端驱动黑腔获得的辐射温度分别为160 eV[3]和75 eV[4],而动态黑腔获得的辐射温度高达215 eV[5].较高的能量转换效率有利于在驱动电流相对较小(如60 MA)的Z箍缩脉冲功率装置上实现聚变点火.Z箍缩动态黑腔可由高速内爆的丝阵等离子体和泡沫碰撞产生.高速内爆的丝阵等离子体和泡沫碰撞时,在泡沫中产生向内传播的冲击波,冲击波加热后的泡沫等离子体发出强X射线,形成密度未受明显扰动的高温辐射区,丝阵等离子体包裹在泡沫表面,作为黑腔壁,减弱辐射向外漏失.自Z箍缩动态黑腔概念[6,7]提出以来,国外学者对其展开了深入研究.如Nash等[8]在Saturn装置上证实了钨丝阵等离子体对泡沫内X射线辐射场的俘获约束,Bailey等[9]利用轴向分幅相机研究了冲击波在泡沫中的传播过程,Rochau等[10]报道了Sandia实验室在Z装置上利用动态黑腔驱动靶丸内爆获得了3.5×1011个/发的DD热核聚变中子的实验结果.与此同时,国内学者也在动态黑腔方面开展了大量工作.如徐荣昆等[11]在Angara-5装置上获得了63 eV的黑腔辐射温度,丁宁等[12]利用MARED程序模拟了Z装置上的动态黑腔形成过程,宁成等[13]研究了动态黑腔形成过程中的基本能量转移特征,肖德龙等[14]研究了8 MA驱动电流条件下的动态黑腔形成过程及负载参数变化对动态黑腔辐射场的影响规律.近年来,中国工程物理研究院在“聚龙一号”装置开展了初步的动态黑腔实验研究[15].为了解释获得的实验数据,加深对Z箍缩动态黑腔形成物理过程的认识,我们利用改造后的MULTI程序[16−18],研究了“聚龙一号”装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成过程,获得了动态黑腔形成过程的基本物理图像和主要特征参量.本文同时给出了程序采用的计算模型和美国土星装置的丝阵内爆实验和模拟结果的对比.MULTI程序是马德里理工大学Ramis教授等开发的系列开源辐射流体力学程序,已广泛应用于激光聚变和重离子聚变研究.其中MULTI-IFE程序[17]采Fortran语言编写,可在一维拉格朗日坐标下处理多层、多介质、非平衡辐射输运问题.状态方程和不透明度参数分别由MPQEOS程序和SNOP程序生成,调用时采用列表插值的形式.该程序使用交错网格定义变量,温度、密度、压强和内能定义在网格中心,速度定义在网格节点.本文通过在MULTI-IFE程序中添加磁场相关模块来研究Z箍缩内爆动力学过程.程序的改造包括在动量方程加入洛伦兹力作用项,在电子能量方程加入焦耳加热项以及新引入一个磁场演化方程.电流密度和电阻率定义在网格中心,磁感应强度定义在网格节点.磁演化方程采用Oliphant[19]以及王刚华[20]的方法化简为三对角矩阵后,采用追赶法[21]隐式求解.磁场的边界条件根据流过负载的总电流确定.这里给出改造后的MULTI-IFE程序采用的辐射磁流体力学方程组:方程(1)是动量方程,其中,ρ是密度,u是速度;Pe,Pi和Pυ分别表示电子压力、离子压力和人为黏性压力;J是电流密度,B 是磁感应强度.方程(2)是电子能量方程,右边分别是电子热压做功项、电子热传导项、电子离子能量交换项、焦耳加热项和外部源项,其中ee表示电子比内能,q表示电子热流密度,Qei表示单位时间单位体积内电子和离子交换的能量,η是电阻率,采用Spitzer电阻率公式计算,计算所需的平均电离度由SNOP程序生成,S表示单位时间单位体积内电子和光子交换的能量.方程(3)是离子能量方程,右边分别是离子热压做功项、人为黏性压力做功项和电子离子能量交换项,其中ei表示离子比内能.方程(4)是磁场演化方程,右边两项分别是磁冻结项和磁扩散项,µ0是真空磁导率.方程(5)是辐射输运方程,其中n是法向量,I是单位立体角内沿着方向n传播的频率分辨的辐射强度,ε是频率分辨的辐射发射率,χ是频率分辨的辐射吸收系数.MULTI-IFE程序将X射线分成若干群,在求得每群X射线在每个界面的辐射通量后,确定X射线辐射在每个网格沉积的能量,然后将其耦合到电子能量方程.辐射温度作为输出量,根据每个网格内的辐射能量密度和普朗克分布假设确定.更多有关MULTI-IFE程序采用的辐射输运模型和具体求解算法参见文献[17].丝阵内爆计算一方面有利于检验程序的可靠性,另一方面也有利于理解动态黑腔形成过程中丝阵的内爆行为.计算参数采用美国土星装置钨丝阵内爆实验参数[22],其中钨丝阵直径17.5 mm,线质量450µg/cm,驱动电流峰值8.25 MA.驱动电流采用文献[22]给出的计算电流.该电流和实验测得的电流在电流峰值以前符合得比较好,在电流峰值以后比实验值偏小.原因可能是由于实验后期测得的电流包含了其他分流成分,不全是流过丝阵等离子体的实际电流.图1给出了基于零维薄壳模型和MULTI-IFE程序计算得到的等离子体内爆轨迹,其中一维程序的等离子体轨迹取初始时刻位于丝阵初始半径处的质点.由图1可知,零维薄壳模型和一维流体力学模型得到的内爆轨迹基本类似.零维薄壳模型计算得到的内爆速度比一维流体力学模型得到的稍大.原因可能是零维薄壳模型不考虑丝阵等离子体的热压和空间分布.这和丁宁等[23]计算得到的结果是一致的.图2给出了MULTI-IFE程序得到的计算结果和文献[22]给出的计算和实验结果.为了得到和实验相近的X射线功率,采用Z箍缩模拟计算中常用的方法,对经典Spitzer电阻率进行适当的修正[24,25],本算例采用的修正因子为3.5.在这里对电阻率进行修正一方面是为了唯象地模拟Z箍缩丝阵等离子体内爆过程中存在的湍流和瑞利泰勒不稳定性现象[24],另一方面也是为了增加馈入等离子体的能量,防止因辐射塌缩而导致计算终止.由图2可知,丝阵等离子体在30 ns以前位移较小,在30 ns以后,在洛伦兹力的作用下迅速内爆.60 ns左右,丝阵等离子体在轴线滞止热化,丝阵等离子体动能转化为内能,X射线功率波形出现峰值,丝阵等离子体的收缩比(丝阵等离子体初始半径和当前半径的比值)达到最大值,约21.7.在60 ns以后,丝阵等离子体在自身热压的作用下向外反弹飞散,丝阵等离子体的内能转化为动能,温度降低,X射线辐射功率降低.由图2还可知,MULTI-IFE程序计算得到X射线功率峰值和实验值相近,但是脉宽较窄,对应的总辐射能量也较小.这可能是MULTI程序采用的辐射模型的局限性导致的.例如,MULTI-IFE程序采用连续谱多群辐射输运模型,未考虑线谱效应,对电子光子之间的能量交换不完全精确.此外,除了提高辐射模型的精确性,在二维程序中考虑磁瑞利泰勒不稳定性发展也能在一定程度上减小实验结果和模拟结果之间的差异.例如,Peterson等[26]研究发现,通过在丝阵等离子体中施加一定的初始随机密度扰动,可以激发丝阵等离子体内爆过程中磁瑞利泰勒不稳定性的发展,使得丝阵等离子体在轴心滞止热化前具有较宽的空间分布,从而获得和实验结果更为接近的X射线功率峰值和脉冲宽度.该算例表明,改造后的MULTI-IFE 程序能够完成Z箍缩丝阵内爆辐射磁流体力学计算,而且计算结果具有一定的可靠性.在上述再现实验结果的研究中,电阻率修正是根据实验结果确定的.在没有实验结果作参照的Z箍缩内爆模拟研究中,可以根据模拟经验和物理判断进行电阻率调整,例如一维程序模拟的丝阵内爆收缩比一般不超过30,8 MA驱动电流对应的X射线峰值功率一般不超过100 TW等.接下来研究“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次负载参数和驱动电流条件下的动态黑腔形成过程.计算采用的负载由高15 mm、半径10 mm、线质量1.31 mg/cm、丝根数168根的钨丝阵和半径3 mm、密度16 mg/cm3的C15H20O6泡沫组成.由于此时对应的丝间隙小于1.4 mm,根据Sanford等[27]的研究结果和肖德龙等[28]采用的计算模型,假设计算开始时丝阵已经形成厚度1 mm、温度1 eV的均匀等离子体壳,占有90%的丝阵质量,另外10%的丝阵质量作为先驱等离子体,均匀填充在丝阵等离子体和泡沫之间.图3给出了计算采用的驱动电流波形、等离子体内爆轨迹和冲击波传播轨迹.由图3可知,动态黑腔丝阵等离子体和泡沫的相互作用过程可分为五个子过程:丝阵等离子体内爆过程、丝阵等离子体和泡沫碰撞过程、冲击波向泡沫中心传播过程、冲击波反射过程以及等离子体反弹飞散过程.这五个子过程具体如下:1)137 ns之前为丝阵等离子体内爆过程,丝阵等离子体在洛伦兹力的驱动下加速内爆;2)丝阵等离子体和泡沫在137 ns左右发生碰撞,碰撞在泡沫产生一个向内传播的冲击波;3)碰撞产生的冲击波在137—152 ns向泡沫中心传播,在152 ns左右于泡沫中心发生反射,在此期间,丝阵等离子体外的洛伦兹力继续压缩丝阵和泡沫等离子体;4)反射冲击波在152—160 ns由内向外传播,在160 ns左右到达丝阵等离子体表面,使丝阵等离子体开始反弹飞散.在此期间,洛伦兹力仍然在继续对丝阵和泡沫等离子体压缩做功;5)160 ns之后,丝阵和泡沫等离子体在自身热压的作用下向外反弹飞散.由图3给出的冲击波传播轨迹可知,冲击波到达轴心之前的传播速度约为1.76×107cm/s,冲击波在轴心反射之后的传播速度约为1.29×107cm/s.由图3还可知,泡沫柱表面在75—137 ns发生了明显的膨胀.这可能是辐射烧蚀引起的,因为此时泡沫外的辐射温度已经达到30 eV以上,而且当我们关闭辐射输运模块时,泡沫柱表面不会发生这么明显的膨胀.在本文的动态黑腔形成过程研究中,将电阻率修正为Spitzer电阻率的1.1倍.这一方面是因为动态黑腔由丝阵和泡沫组成,丝阵等离子内部存在一定质量的泡沫等离子体,丝阵等离子体箍缩到最小半径时容易在热压的作用下反弹飞散,不需要采用高倍数的电阻率修正.另一方面是因为考虑到所用一维程序的局限性,我们认为此时的模拟结果已经和实验结果符合得较好.例如本文计算得到的冲击波传播速度约为1.76×107cm/s,而实验测得的冲击波传播速度约为(1.42±0.17)×107cm/s[15].图4给出了归一化径向辐射温度随时间的演化图,其中红线为辐射热波传播轨迹,黑色虚线为冲击波传播轨迹.辐射热波轨迹通过寻找辐射温度梯度最大值位置确定,冲击波轨迹通过寻找离子温度最大值位置确定.由图4可知,137 ns时,丝阵等离子体和泡沫发生碰撞,在泡沫中产生了冲击波和辐射热波,而且辐射热波的传播速度(3.61×107cm/s)大于冲击波的传播速度(1.76×107cm/s).144 ns时,辐射波已经到达泡沫中心,使中心区域的泡沫具有较高的辐射温度.152 ns左右,冲击波到达泡沫中心并发生反射,使泡沫中心的辐射温度达到最大值.冲击波在152—160 ns期间由内向外传播,使泡沫和丝阵等离子体滞止热化,温度升高.为了防止二维柱形冲击波破坏聚变靶丸烧蚀内爆的球对称性,一般要求靶丸在冲击波到达泡沫中心之前完成内爆.图4反映出的辐射热波比冲击波传播得更快的现象,为聚变靶丸在冲击波到达之前完成内爆提供了可能,正是Z箍缩动态黑腔驱动靶丸聚变概念的核心要素之一.由图4还可知,如果利用条纹相机从轴向观测,将能观察到一对沿着冲击波传播轨迹的辐射亮纹.图5(a)给出了139 ns时电子温度、离子温度和辐射温度的分布曲线.由图5(a)可知,在冲击波波阵面附近,电子温度和离子温度基本相同,而辐射温度和物质温度有较大的差异.这可能是冲击波波阵面附近的辐射和物质尚未达到平衡引起的.由图5(a)还可知,辐射热波位于冲击波之前.在辐射热波已经到达而冲击波尚未到达的区域,由于电子-光子和电子-离子的能量交换作用,电子和离子也具有较高的温度.此外,辐射热波之前的泡沫也具有一定的辐射温度,这可能是因为MULTI-IFE程序使用多群辐射输运模型,由能谱较硬的X射线预热效应引起的.此外,由图5(a)还可以观察到物质温度和辐射温度在丝阵等离子体中剧烈下降.根据热扩散模型可知,热流方向和温度梯度方向相反,丝阵等离子体中存在向内的温度梯度表明该处存在向外的热流.这说明虽然丝阵等离子体可以对黑腔内的X射线辐射场起到很好的约束作用,但丝阵等离子体中仍然存在引起辐射漏失的辐射热流.图5(b)给出了将此时的辐射温度分布后处理得到的归一化辐射功率分布.图5(b)表明,如果用分幅相机从轴向拍摄,将能观察到冲击波引起的辐射亮环.这和蒙世坚等[15]在实验中观察到了辐射亮环特征是一致的.进一步结合图4给出的径向辐射温度随时间的演化图像可知,在辐射热波到达泡沫中心之前,辐射温度在辐射热波位置存在明显的梯度,因而可以观察到清晰的辐射亮环.但在辐射热波到达泡沫中心以后,丝阵等离子体内部的泡沫均具有较高而且基本均匀的辐射温度,冲击波波阵面位置的辐射温度仅略高于泡沫中其他位置的辐射温度,因而将难以观察到边界清晰的辐射亮环.因此,实验中观察辐射亮环的最佳时刻应该在冲击波形成之后、辐射热波到达泡沫中心之前.图6给出了泡沫中心辐射温度和电子温度随时间的变化.由图6可知,辐射热波到达泡沫中心之前,泡沫中心的辐射温度和电子温度较低.辐射热波到达泡沫中心以后,泡沫中心的辐射温度迅速上升,然后电子温度也迅速升高,并在之后和辐射温度基本保持一致.原因可能是泡沫中的辐射温度因辐射输运过程升高后,光子和电子之间的能量交换作用使得电子温度也迅速升高,直至两者达到平衡.由图6还可知,在辐射热波到达泡沫中心之后,泡沫中心的辐射温度会继续缓慢升高,在冲击波到达泡沫中心之前上升到100 eV以上.这是因为此时的动态黑腔除了受辐射冷却效应影响外,同时还受外部能量馈入的影响,如冲击波加热、磁场对丝阵和泡沫等离子体压缩做功以及磁场扩散导致的焦耳加热等.图7给出了不同时刻丝阵等离子体外表面发射的归一化辐射能谱分布.由图7可知,丝阵等离子体外表面的辐射强度在内爆早期较弱,能谱峰值对应的频率较低.这说明在内爆早期(如第100 ns),丝阵等离子体的温度较低.随着内爆的进行(100—160 ns),丝阵外表面的辐射强度变强,能谱峰值对应的光子能量变高,说明丝阵等离子体的温度在增加.在反弹飞散阶段(161—165 ns),丝阵等离子体外表面的辐射强度减弱,能谱峰值对应的光子能量变低,说明丝阵等离子体的温度减小.由图7还可知,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文采用改造后的一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE研究了“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次负载参数和驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成过程.在介绍程序采用的计算模型后,首先利用改造后的MULTI-IFE程序模拟了美国土星装置丝阵内爆实验,并将计算结果和其他模型得到的计算及实验结果进行了比对.比对结果表明,MULTI-IFE程序和基于零维薄壳模型的程序得到的丝阵内爆轨迹基本一致,MULTI-IFE程序得到X射线辐射功率波形和实验获得的X射线功率波形基本相似,MULTI-IFE程序获得的丝阵内爆计算结果具有一定的可靠性.动态黑腔模拟结果表明,在“聚龙一号”装置动态黑腔实验0180发次负载参数和驱动电流条件下,丝阵等离子体和泡沫的相互作用能够形成动态黑腔.辐射温度的时空分布图像显示,辐射热波的传播速度(3.61×107cm/s)比冲击波的传播速度(1.76×107cm/s)更快,辐射热波比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达之前就已具有较高的辐射温度.单一时刻的径向辐射温度分布还表明,如果使用分幅相机从轴向拍摄,可以在冲击波到达泡沫中心前观察到冲击波引起的辐射亮环.黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上.丝阵等离子体表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.需要说明的是,尽管MULTI-IFE程序能够较好地再现Z箍缩动态黑腔形成的基本过程和主要特征,但由于一维程序无法考虑不稳定性发展和湍流等二维效应,本文模拟得到的黑腔辐射温度可能比实际情况稍微偏高.此外,“聚龙一号”装置开展了多种参数条件的动态黑腔实验.本文只是针对其中0180发次对应的动态黑腔负载参数和驱动电流条件开展了数值模拟研究.而0180发次为了深入研究辐射和冲击波传播过程,采用了半径较大、密度较高的泡沫转换体,对动态黑腔而言并不是优化的.因此本文模拟得到的某些结论不具有一般性.例如丝阵等离子体和泡沫碰撞形成的冲击波在泡沫中的传播速度约17.6 cm/µs、黑腔形成初期的辐射温度约80—100 eV等.在后续的工作中,我们将进一步研究其他负载参数和驱动电流条件下的黑腔形成过程,同时开发能够考虑不稳定性发展和辐射从两端电极漏失等高维效应的二维程序,以获得对Z箍缩动态黑腔形成过程更细致全面的认识.PACS:52.58.Lq,52.59.Qy DOI:10.7498/aps.66.215201*Project supported by the National Natural Science Foundation ofChina(Grant Nos.11135007,11305155),the Spanish Ministerio de Economia y Competitividad(Grant No.ENE2014-54960-R),and the EUROfusion Consortium Project(Grant No.AWP15-ENR-01/CEA-02).†Corresponding author.E-mail:******************【相关文献】[1]Peng X J,Hua X S 2008 Eng.Sci.10 47(in Chinese)[彭先觉,华欣生2008中国工程科学10 47][2]Li Z H,Huang H W,Wang Z,Chen X J,Qi J M,Guo H B,Ma J M,Xiao C J,Chu Y Y,Zhou L 2014 High Power Laser and Particle Beams 26 26100202(in Chinese)[李正宏,黄洪文,王真,陈晓军,祁建敏,郭海兵,马纪敏,肖成建,褚衍运,周林2014强激光与粒子束26 26100202][3]Sanford W L,Olson R E,Mock R C,Chandler G A,Leeper R J,Nash T J,Ruggles L E,Simpson W W,Struve K W,Peterson D L,Bowers R L,Matuska W 2000 Phys.Plasmas 7 4669[4]Bennett G R,Cuneo M E,Vesey R A,Porter J L,Adams R G,Aragon R A,Caird J A,Landen O L,Rambo P K,Rovang D C,Ruggles L,Simpson W W,Smith I C,Wenger D F 2002Phys.Rev.Lett.89 245002[5]Sanford T W,Lemke R W,Mock R C,Chandler G A,Leeper R J,Ruiz C L,Peterson D L,Chrien R E,Idzorek G C,Watt R G,Chittenden J P 2002 Phys.Plasmas 9 3573[6]Smirnov V P 1991 Plasma Phys.Control.Fusion 33 1697[7]Brownell J H,Bowners R L,Mclenithan K D,Peterson D L 1998 Phys.Plasmas 5 2071[8]Nash T J,Derzon M S,Allshouse G O,Deeney C,Seaman J F,Mcgurn J S,Jobe D,Gilliland T L,Macfarlane J J,Wang P,Petersen D 1997 AIP Conf.Proc.409 175[9]Bailey J E,Chandler G A,Slutz S A,Bennett G R,Cooper G W,Lash J S,Lazier S E,Lemke R W,Nash T J,Nielsen D S,Moore T C,Ruiz C L,Schroen D G,Smelser R M,Torres J A,Vesey R A 2002 Phys.Rev.Lett.89 095004[10]Rochau G A,Bailey J E,Chandler G A,Cooper G,Dunham G,Lake P,Leeper R J,Lemke R W,Mehlhorn T A,Nikroo A,Peterson K J,Ruiz C L,Schroen D G,Slutz S A,Steinman DA,Stygar W A,Varnum W 2007 Plasma Phys.Control.Fusion 49 B591[11]Xu R K,Li Z H,Yang J L,Ding N,Zhou X W,Jiang S L,Zhang F Q,Wang Z,Xu Z P,Ning J M,Li L B,Grabovsky E V,Oleynic G M,Alexandrov V V,Smirnov V 2011 Acta Phys.Sin.60 045208(in Chinese)[徐荣昆,李正宏,杨建伦,丁宁,周秀文,蒋世伦,章法强,王真,许泽平,宁家敏,李林波,Grabovsky E V,Oleynic G M,Alexandrov V V,Smirnov V 2011物理学报60 045208] [12]Ding N,Wu J M,Dai Z H,Zhang Y,Yin L,Yao Y Z,Sun S K,Ning C,Shu X J 2010 Acta Phys.Sin.59 8707(in Chinese)[丁宁,邬吉明,戴自换,张扬,尹丽,姚彦忠,孙顺凯,宁成,束小建2010物理学报59 8707][13]Ning C,Feng Z X,Xue C 2014 Acta Phys.Sin.63 125208(in Chinese)[宁成,丰志兴,薛创2014物理学报63 125208][14]Xiao D L,Sun S K,Xue C,Zhang Y,Ding N 2015 Acta Phys.Sin.64 235203(in Chinese)[肖德龙,孙顺凯,薛创,张扬,丁宁2015物理学报64 235203][15]Meng S J,Huang Z C,Ning J M,Hu Q Y,Ye F,Qin Y,Xu Z P,Xu R K 2016 Acta Phys.Sin.65 075201(in Chinese)[蒙世坚,黄展常,甯家敏,胡青元,叶繁,秦义,许泽平,徐荣昆2016物理学报65 075201][16]Ramis R,Schmalz R,Meyer-ter-Vehn J 1988 mun.49 475[17]Ramis R,Meyer-ter-Vehn J 2016 mun.203 226。
常压高频等离子体电子温度的光谱法诊断孙元成;宋学富;杜秀蓉;张晓强;王慧【摘要】常压高频等离子体由于其无电极污染、能量密度大、温度高及气氛可控的特点而得到了广泛应用,电子温度是影响其使用性能的关键参数,根据发射光谱使用玻尔兹曼图解法计算是最常用且最可行的诊断方法,但由于跃迁几率数据可靠性、环境背景、仪器误差、数据处理误差等原因,不同研究者根据不同谱线计算的结果通常不具有可比性.为了得到可靠性高的电子温度计算结果,针对存在SiO2颗粒的常压高频空气等离子体,以光谱范围为200~1 077 nm的7通道高分辨光纤光谱仪为测量工具,该研究讨论了元素、光谱段选择对计算结果可靠性的影响.结果表明,由于N2占电离气体的主要部分且不参与化学反应,N Ⅰ发射谱线是最佳选择,使用738~940 nm内N Ⅰ的谱线计算的拟合度为0.95,计算的电子温度最为可靠;由于Si和O极易结合成SiO2颗粒,此二元素的能量不再满足玻尔兹曼分布,计算结果的可靠性较差,因此不能使用Si和O元素的发射谱线计算电子温度;使用掺入Ar的谱线同样不能得到可靠的电子温度计算结果.因此,为了有效诊断等离子体电子温度,在不同应用场合中,应当根据实际情况,合理选择测量光谱范围及光谱仪,选取合适的粒子及其发射谱线.%Atmosphere high frequency plasma is widely used due to its advantages of free of electrode pollution,high energy density hi gh temperature and controllable redox conditions.As the key parameter in practi cal use,electron temperature of plasma is commonly diagnosed with atomic em ission spectroscopy and calculated with Boltzmann plots.But electron temperatur es calculated based on different lines by different researchers are usually not comparable due to transition probability data,application environment,instrume ntal error and data processing.Thispaper discussed influences of element and s pectral range on calculated electron temperature for the first time in order to obtain reliable electron temperature of atmosphere high frequency air plasma.7-channel high resolution fiber spectrometer with measurement range of 200~1 077nm was used to test atomic emission spectroscopy.The experiment indicates that:The R square of fitted slope is 0.95 and standard deviation is the lowe st using N Ⅰ lines in 738~940 nm and the calculated electron temperature is the m ost reliable;electron temperature calculated with Si and O lines are unreliable because they are easily binding to heavy SiO2 particles;reliable electron te mperature also cannot be obtained by mixed Ar lines.【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2017(037)002【总页数】6页(P368-373)【关键词】高频等离子体;发射光谱;电子温度【作者】孙元成;宋学富;杜秀蓉;张晓强;王慧【作者单位】中国建筑材料科学研究总院,北京 100024;中国建筑材料科学研究总院,北京 100024;中国建筑材料科学研究总院,北京 100024;中国建筑材料科学研究总院,北京 100024;中国建筑材料科学研究总院,北京 100024【正文语种】中文【中图分类】O657.3正常大气压电感耦合等离子(ICP)体已经被广泛应用于元素分析[1]。
第12卷 第6期强激光与粒子束V o l .12,N o .6 2000年11月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E B EAM S N ov .,2000 文章编号: 1001—4322(2000)06—0703—04一种高温等离子体X 射线参数诊断方法Ξ王文生1,2, 龚建成2, 黑东炜2, 邱爱慈2, 何多慧1(1.中国科学技术大学国家同步辐射实验室,合肥230026;2.西北核技术研究所,西安69信箱12分箱710024) 摘 要: 介绍了高温等离子体中用滤波荧光法测量X 射线能谱、用散射法测量X 射线总剂量的原理,建立了X 射线能谱、总剂量的数据处理方法,成功获得了实验结果,测点处总的辐照剂量不确定度为±23%。
关键词: 等离子体诊断; X 射线能谱; X 射线总剂量 中图分类号: O 536; O 434112 文献标识码: A 激光惯性约束聚变(I CF )、非受控热核聚变和等离子体焦点装置(D PF )都产生温度、密度极高的等离子体。
X 射线诊断是获得等离子体信息(如电子温度、密度等)的重要手段之一。
同时,在高温等离子体辐射应用(如X 射线材料结构响应、冲量试验、抗辐射加固效应研究等)中,测点处的X 射线能谱和总的辐照剂量等参数是一项基准参数,其测量的准确性和可靠性直接影响应用结果。
因此准确测量X 射线能谱和总剂量具有重要的意义和应用。
由于这种高温等离子体产生的X 射线强度很高,时间很短,X 射线诊断的难度也更大。
X 射线高速扫描照相机是进行高时间分辨X 射线测量的重要工具[1],但价格昂贵,而多道k 吸收边滤光片方法测量X 射线能谱,又存在解谱困难,测量精度不高。
对处于热平衡条件下的高温等离子体(温度在107K ),其X 射线辐射主要是轫致辐射,可以近似认为是黑体辐射,由于空气等物质的吸收,到达测点处的X 射线能谱已经发生变化。
第16卷 第9期强激光与粒子束Vol.16,No.9 2004年9月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Sep.,2004 文章编号: 100124322(2004)0921153204Al激光等离子体电子温度的时间分辨诊断X张继彦, 杨家敏, 郑志坚, 杨国洪, 丁耀南, 张文海, 王耀梅, 李 军(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳621900) 摘 要: 将门控分幅相机与平面晶体谱仪耦合,构成时间分辨光谱测量系统,对Al激光等离子体的K壳层发射谱进行测量,获得了相对入射激光延迟约1ns,积累时间约200ps的光谱信号。
利用稳态碰撞2辐射平衡(CRE)近似条件下的等离子体光谱辐射动力学模型,给出了Al激光等离子体Ly2β线与He2β线强度比以及Ly2γ线与He2γ线强度比与电子温度的函数关系。
在此基础上,根据实验谱线强度比,得到激光强度为2.319×1014,1.937×1014和3.946×1014W/cm2时,等离子体冕区电子温度分别为1.190(1±27%),1.165(1±27%)和1.525(1±27%)keV。
关键词: 电子温度; 时间分辨; Al激光等离子体; X射线光谱学 中图分类号: O536;O562.3 文献标识码: A 采用X射线光谱学方法是获得等离子体内部状态信息的一种重要途径。
与光学探针诊断法相比,它利用等离子体自身发射的X射线作为诊断工具,是一种非干涉诊断方法。
由于X射线具有很高的穿透能力,通过它可以获得高密度等离子体的状态信息[1～5]。
不过,利用X射线光谱学方法进行激光等离子体精密诊断需要解决一些问题,如大梯度、小尺度、瞬态光源的精确测量,X射线光谱诊断模型的完备程度,原子物理参数的精确性以及等离子体不透明度等。
近十几年来,X射线光谱诊断技术取得了相当大的进展。
