（原子与分子物理专业论文）激光等离子体m带细致结构以及电离度的理论研究.pdf

四川大学博士学位论文x 46 8 5 5 9 6激光等离子体m 带细致结构以及电离度的理论研究原子与分子物理专业研究生张红指导教师杨向东激光等离子体m 带辐射光谱结构以及电离状态的研究是激光聚变研究领域中的重要内容，开展金m 带谱细致结构研究有利于了解等离子体中物理过程的详细信息，正确地预测激光等离子体的电荷态分布对于理解高温等离子体中的辐射强弱，能量沉积和平衡至关重要。在本篇论文中，我们讨论了激光等离子体谱线和原子动力学模型，重点在等离子体的谱线模拟以及电离度的研究，并探讨用这些研究结果诊断等离子体状态的可能方法。主要研究重元素a u 的激光等离子体的特性，因为它是i c f 研究中的最具代表性的等离子体。为了检验我们的研究方法的可靠性，对其它中高z 元素形成的激光等离子体也进行了研究。首先讨论了谱线增宽的几种形式以及线形函数，给出了激光等离子体模拟所用的线形函数的形式。对激光等离子体中的主要原子物理过程，包括自电离过程和双电子复合( d r ) 过程的速率系数进行系统的计算，根据重元素激光等离子体的极端复杂特点，采用不可分辨跃迁阵模型计算平均速率系数以用于电离平衡研究。分别用m c d f 方法及h f r 方法计算了高剥离态的电离势，对中、高z 元素k y ，n b ，m o ，a g ，p d ，i ，g d ，d y , l q l w ，i r , a u ，h g 等的各阶电离势进行计算和比较，为等离子体平衡研究打下了重要基础。编制了求解s a h a 方程的计算程序，基于碰撞一辐射模型研制了求解非平衡原子动力学速率方程组的程序，通过对a l ，g e ，a u 等元素形成的等离子体的电离平衡的具体计算，对s a h a 模型和碰撞一辐射模型的适用性进行了比较研究。首次用碰撞一辐射模型系统计算了四川大学博士学位论文k r ，y n b ，m o ，a g ，p d ，i ，g d ，d y , l 鹏t w ，i r ，a u ，h g 等离子体的离子分布和能级布居数。探讨了激光等离子体带谱发射谱细致结构模拟方法，计算并模拟了a u 激光等离子体的发射光谱，详细研究了m 带谱的细致结构，并对其它中高z 元素k r ，yp d ，a g ，i ，l u ，等的激光等离子体光谱进行了模拟。详细研究了处于不同状态激光a u 等离子体电离布居数的计算方法，在国内首次通过比较理论合成谱和实验光谱，得到了精度较高的平均离化度的结果，其结果和国外最新的理论和实验结果一致。细致研究了a m 激光等离子体的平均电离度随电子温度的变化关系，创新性地发现稀薄的金等离子体中( 密度为o 0 0 1 9 c m 3 ) ，在一定的电子温度范围内，电子温度的升高，平均电离度反而下降的反常现象。通过研究金的电离势和离子电荷的变化关系，指出出现此反常现象的主要原因是金的电离势在a u l i 和a u l i l 之间由2 9 3 8 e v 跳跃式增大至4 8 8 0 e v 。利用带有相对论修正的h f 方法计算m 的类h e 离子的双电子复合伴线与共振线强度比随电子温度的变化关系，提出可以用该变化关系诊断电子温度；探讨了用类n i 金附近的同一离子的共振线强度比诊断a u 等离子体电子温度的可靠性；创新性地提出可以用类n i ，类c u ，类z n ，类g a 这些离子中某两个不同离子的3 d 。1 2 5 f 5 ：的跃迁线强度比来诊断a u 激光等离子体的电子温度。关键词：激光等离子体光谱模拟等离子体诊断非平衡原子动力学i i四川大学博士学位论文t h e o r e t i c a ls t u d i e so nd e t a i l e ds 仃u c t u r eo fm b a n da n di o n i z a t i o ns t a g ef o rl a s e r p r o d u c e dp l a s m a sm a i o r ：a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c sp o s t g r a d u a t e ：z h a n gh o n gd i r e c t o r ：y a n gx i a n g d o n gn 圯s o e c t r as t r u c t u r eo fm b a n da n dt h ei o nd i s t r i b u t i o no fl a s e r - p r o d u c e dp l a s m ai sv e r yi m p o r t a n tf o rt h er e s e a r c ho nt h ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) t h ek n o w l e d g eo ft h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo fm b a n di st h ek e yt ou n d e r s t a n dt h ea t o m i cp r o c e s s e si np l a s m a , a n dt h ei o n i z a t i o nb a l a n c eo fh i g h l yi o n i z e dp l a s m ai sv e r yi m p o r t a r t tf o rt h ed i a g n o s t i c so ft h eh i 吐t e m p e r a t u r ef u s i o np l a s m a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w em a i n l ys t u d yt h es p e c t r as i m u l a t i o n , a t o m i cp r o c e s s e sa n dt h ei o n i z a t i o nb a l a n c ei nt h el a s e r - p r o d u c e dp l a s m a ，a n ds u g g e s tt h ep o s s i b l ed i a g n o s t i cm e t h o df o rp l a s m a f i r s t , t h ef o f i nf a c t o ro fs p e c t r al i n ei sd i s c u s s e da n dt h el i n ef o r i l lu s e di nt h es p e c t r as i m u l a t i o ni sg i v e n t h e n t h er a t ec o e 伍c i e n t so fm a n ya t o m i cp r o c e s sa r ec a l c u l a t e da n de s p e c i a l l yt h er a t ec o e f f l c i e n tf o rt h ea u t o i o n i z a t i o na n dd i e l e c t r o n i cr e c o m b i n a t i o n ( d r ) o f m a n yi m p o r t a n ti o n s ，n 地k e ，c u - l i k e ，z n l i k e ，g a - l i k ea n dg e 1 i k ea ua n do t h e ri o n s ，a l ec o m p u t e db yt h eu n r e s o l v e dt r a n s i t i o na r r a y ( u t a )m e t h o d t h ei o n i z a t i o np o t e n t i a lo fa l li o n i z e ds t a g ef o rk r , yn b ，m o ，a g ，p d ，i ，g d ，d y ，l u ，t a , w ，h a l l ，h ga r ec a l c u l a t e db yt h em c d fa n dh f rm e t h o d ，a n dt h er c s u l t sa r ec o m p a r e d n 地s a h am o d e lf o rl o c a lt h e r m o d y n a m i c a le q u i l i b r i u m ( l t e )c o n d i t i o na n dc o l l i s i o nr a d i a t i o n ( c r ) m o d e lf o rn o n - mi ss t u d i e d ，t h ec o m p u t a t i o nt e c h n i q u ea n dt h ec o m p u t e rp r o g r a ma r ed e v e l o p e df o rt h e s em o d e l s t h ep r o g r a mo f c o m p u t i n gb a n d l i k ec o m p l e xs p e c t r ao f t h ep l a s m af o r m e db yh e a v ye l e m e n tm a t e r i a li sd e v e l o p e d ，o nt h eb a s i so f r e l a t i v i s t i cc a l c u l a t i o np r o g r a mo fa t o m i cs t r u c t u r e ( h f r ) a n dt h es p i n o r b i ts p l i tt r a n s i t i o na r r a y ( s o s a ) o ru n f e s o i v e dt r a n s i t i o na r r a y ( u t a ) m o d e l a d d i n gt h eg a u s s i a nl i n ef a c t o rt ot h ec o m p u t e ds p e c t r al i n e a n dc o m b i n i n gw i t h l ei o na n de n e r g yl e v e ld i s t r i b u t i o n ，t h ec o m p l e xs p e c t r ao fm - b a n di ss i m u l a t e d f o rt h ea up l a s m at h a th a se x p e r i m e n t a li i i四川大学博士学位论文r e s u l t s t h ed e t a i l e ds t r u c t u r ew eo b t a i n e di si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e a n dt h es i m u l a t e ds p e c t r af o rt h ek r , yp d ，a i ，l ua n dh gp l a s m ai sr e t i a b l ea n du s e f u lf o rt h ef u t u r ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h ei o nb a i a l i c eo fa up l a s m aa td i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yi si n v e s t i g a t e d ，a n dw ec a l lr e p r o d u c et h ex - m ys p e c t r af o ra uh o h l r a n m sp l a s m a sv e r yw e l l b ys i m u l a t i n gt h ee x p e r i m e n t a ls p e c t r a , t h ep l a s m ap a r a m e t e r sc a l lb ei n f e r r e dr e l i a b l y , a n dt h ec h a r g es t a t ed i s t r i b u t i o nc a nb ed e t e r m i n e d t h ea v e r a g e di o n i z a t i o ns t a t eo b t a i n e di si ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t t h er e l a t i o n s n pb e t w e e na v e r a g ec h a r g es t a t ea n dt h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r ei si n v e s t i g a t e di nd e t m l i ng e n e r a l ，t h ea v e r a g ec h a r g es t a t ei n c r e a s e dw i t he l e c t r o nt e m p e r a t u r e e x c e p tb e t w e e n3 8 0 0 e va n d3 9 0 0 e v 乃ea b o v em e n t i o n e da v e r a g ec h n ? 2 es t a t ed e c r e a s e dr e g i o nw a sf i r s tn o t i c e d ，a n dw es u g g e s tt h a tt h ep o s s i b l er e a s o nf o rt h i su n u s u a lr e g i o ni st h ei o n i z a t i o np o t e n t i a li n c r e a s e dm u c hs h a r p l yb e t w e e na u 51a n da a 5 2 f o rt h eh e ，l i k et o i lc fa lt h ei n t e n s i t yr a t i oo fs a t e l l i t el i n e sa n dt h er e s o n a n c el i n eo fd rp r o c e s si se a l c u l a t e da td i f i e l e n te l e c t r o h i et e r n 【p e r a t u r e ，a n dt h er a t i oi sr e c o m m e n d e dt od i a g n o s et h ep l a s m 乱i ti sa l s od i s c u s s e df o rt h em e a s u r e m e n to fe l e c t r o n i ct e m p e r a t u r ef r o mt h ei n t e n s i t yr a t i oo ft w ou n r e s o l v e dt r a n s i t i o na r r a y sc o m e sf r o mt h es a m ei o ni na up l a s m & f i n a l l y ，w es u g g e s tt h a tt h ei n t e n s i t yr a t i oo fo n eu n l e s o l v e dt r a n s i f i o na r r a y sf r o map a i ro fd i f f e r e n ti o t i ss u c ha sn i 1 i k ea ua n dc u 1 i k ea u ，o rc u l i k ea ua n dz n - l i k ea ue r e c a l lb eu s e dt od i a g n o s ep l a s m a a n dt h e s er a t i o sa r ev e r ys e n s i t i v et ot h ea t o m i ct h e r m o d y n a m i cp r o c e s s e s ，e s p e c i a l l yt h ei o n i z a t i o na n dd i e l e c t r o n i er e c o m b i n a t i o np r o c e s s k e y w o r d s ：l a s e rp r o d u c e dp l a s m a , s p e c t r as i m u l a t i o n ，p l a s m ad i a g o n o s e ，i o n i z a t i o ns t a g e四川大学博士学位论文1引言1 ，1 研究背景等离子体是高温下物质的一种状态，等离子体是物质存在于宇宙间的主要形式，占宇宙物质能量的主要部分。据估计，宇宙中有9 9 以上的物质处于等离子体状态。因此等离子体的研究对科学进步是很必要的，并且有着重要的意义。等离子体温度与等离子体电子密度、离子密度等参数有密切关系，是描述等离子体热学特征的重要参数，是等离子体的基本状态参量，所以对等离子体温度的诊断成为研究等离子体的重要途径，现在也已经成为研究等离子体的一个内容非常丰富的新兴分支，并且等离予体温度的准确测量对于惯性约束聚变、x 射线激光、辐射不透明度的研究等都有十分重要的意义。等离子体的温度范围从几千到百万度，它们可以发出自己的射线，我们可以利用它进行诊断和分析。同时，随着科学技术的飞速发展，人类急需解决的是能源问题，能源资源的再持续利用是社会经济可持续发展的战略基础之一。目前全世界在广泛利用的能源资源大都是不可再生资源，这些一次性能源将可能在百年内面临供应危机的严峻威胁。而核能是可贵的可再生资源之一，于是改变能源结构，大力发展核能，逐步替代那些不可再生资源是未来世界能源必然的发展趋势。解决的方法有两种：依靠核裂变和核聚变。由于核裂变的污染极其严重，通过核聚变获得能源是最终解决能源问题的方法。自激光问世以来，作为核电最初阶段的激光聚变，也称惯性约束聚变( i c f ，i n e r t i a lc o n f m m e n tf u s i o n ) ，由于其干净、童全，以及所需资源取之不尽的特点，一直是科学家们执著追求的理想方法。经过多年的努力，这个方面的研究已经取得了巨大的进展。此外，激光聚变研究与核武器的物理基础研究密切相关，它对在实验室中进行核武器物理规律研究是必不可少的。因此世界上主要的核国家相继投入巨资，在大型高功率激光驱动器、实验诊断、制靶和数值模拟等与i c f 研究相关的方面积极开展研究，取得了一定的进展。现在很多科研人员都在开展激光与物质相互作用、x 光的发射和输运、激光等离子体的辐射特性、靶丸的内爆动力学以及热核燃料的点火燃烧等相关基础性课题的研究工作。i c y 主要是针对两种驱动方式进行的。其一是直接驱动，通常采用多柬激光对称辐照充有热核燃料的靶丸，靶丸的壳层材料在烧蚀过程中会产生强大的四川大学博士学位论文聚心烧蚀压，从简使靶丸在极短的时间内被压缩和加热，并在飞散之前产生一次徽垂静热核爆炸。鬟种是滴按鬻动，程这释驱动方式串，激蠢蓄先照射在黑腔的腔蹙上，井在与腔壁材料的楣互作用中产艇强x 光辐射，然后撙由这些x 光辐照张丸产生聚心压缩和内爆。间接赣动内爆与壹矮驱动内爆褶院其有些鬟著优点。营先，可娃提蠢靶强的疆照均匀性，有效改善内爆的对称性和稳定性；其次，通过将x 光转化区与内爆区分开，可有效避免超热电予对热核燃瓣瓣该熬，疆离蓬缭效率；鼗铃，溺接驱动疼爆过程与缀弹孛澄生熬过程投必相似，因而为在实验室中进行核爆模拟研究提供丁可能。间接驱动内爆由于上述优越毪，己成为当前研究的焦点，丽这箕中又疆激光x 光转换、x 港辐射场二i 缝、辍赛尊与瓤丸期曩作用等课题最为引人注目“1 ，这些研究又主要归结为激花样离子体研究。激光等离子体研究的主要手段之一是研究等离子体的发射谱，嚣主要难点之是等离子 ；搴懿动力学过程一电离度与毒鼹数研究。1 。2 研究意义激光等离予体的研究对惯性约束聚变釉x 射线激光等有熏要意义。目前，在懑兴趣的激光金等离子律中，毫子密凄釉毫予溢度懿典蚕餐分舞为1 0 玲爨1 0 2 4 c m o 及l o o e v 到几个k e v1 2 1 ，既不能阕局域热力学平衡( l t e ) 也不能用曰冕平衡来描述，在这样的温度、密度范闰内等离子体中非局域热力学平衡超重婺终瘸。裹凌离纯戆等离予体豹囊纯平舞对予等离子体豹参数诊戥是非常重要的。例如，平均电离度z 对于声速，电子密度，碰撞速率，以及替离子体的熬传导穗豹研究都是藩鬻重溪熬，氇与聚爱等离子俸豹裁蠢蠢密切联系1 3 】。在非局域热力学平衡等离子体中，电离态是由离化、复合、激发、辐射衰退、自离化、双电子囊台等过程决定的。猩高z 惩素串，在 扁域熬力学平衡系统中包含大爨豹能级鄂跃迤，难以详缨她计舅。冀此，人i 提出t g r 多近似计算方法。包括平均原子模型( a v e r a g ea t o mm o d e l ) 从，类氢细致缎态模懿( d e t a i l e dc o n f i g u r a t i o nm o d e l ) d c a ，激及受谗鬃戆趣錾态建攮疆鼓模型( s c r o l l ) ，然而，很多方法计算出来的结果与实验值却相差很大，在某然情况下，平均电荷状态岛实验德误差越过l o 个单僚鞠。这虢要求我髓瘸凝静努法去磷究，缎致分孝厅等枣子体的光谱特性，激光聚变的高濑等离子体研究中，开展众m 带谱细致结构研究有利于了解等离子体中物理过程的详细信怠，从褥可诊断等离子2四川大学博士学位论文体状态以便实现对状态的控制。m 带发射的细致结构谱可以准确确定等离子体的电荷状态分布，并能检验等离子体模型以及原子( 离子) 参数计算和激光与等离子体相互作用计算等程序。原子结构和光谱的理论和实验研究是现代原子与分子物理最活跃的领域之一，由于在惯性约束聚变实验中的等离子体诊断以及x 射线激光领域存在良好的应用前景，高离化重元素x 射线发射谱倍受关注。实验研究表明，激光等离子体具有高的温度密度梯度，在几微米的范围内电子温度和电子密度可以跨越2 3 个数量级【5 】。不同状态的等离子体发射不同谱区的x 射线，中低z 材料的k ，l 壳层和高z 材料的m 壳层发射k e v 能区的x 光。因此研究激光等离子体m 带细致谱结构具有重要的实际应用价值，谱中含有大量的等离子体信息，它是诊断等离子体状态包括等离子体电子温度和密度的有利工具。电离度与布屠数能够反映原子动力学过程的细微信息，能够细致反映等离子体的状态及特性变化，对激光等离子体研究具有很重要的意义。1 3 激光聚变的研究进展1 9 6 0 年激光问世后，我国物理学家王淦昌就与前苏联的物理学家各自独立地提出利用激光的高功率与优异的聚焦性能对热核燃料加热、压缩，使其达到劳孙判据，实现聚变。自n u c k o l l s 等【6 】在n a t u r e 上发表该概念以来，激光聚交研究工作迅速发展 6 1 。聚变燃料受激光加热成为等离子体，约束时间t 可视为球状等离子体的存在时间，即原子核以平均速度v 自球心飞到边缘所用时间r v ，r 为等离子球半径，通常点火温度为1 0 k e y ，粒子平均速率v = 2 x1 0 6 m s ，劳孙判据的m 值可由n r 值等价表示，对于d t 反应此值为1 2 1 0 ”c m 2 。又由于i q 与密度p 或正比，n r 值叉可换算为d r 值约为0 2 9 c m 2 。用激光对靶丸简单地作均匀加热是难以达到劳孙判据的，必须用光脉冲先使靶壳突然升温起爆，靶壳粒子以1 0 5 m s 的速度向外喷射，向里运动的冲击波迫使燃料压缩，燃料区的外围被压成p = 2 0 0 9 c m 3 的高密度层，燃料区的内层因绝热压缩成为高温区。高温区内温度达到5 5 0 0 万开( k ) ，p r = o 3 9 e m 2 ，先发生聚变，随后产生的高能n 粒子打入p r = 3 9 c m z 的高密度层，使整个燃料丸一起进行聚变。正是a 粒子的加热效应使激光核聚变一旦达到点火就容易达到艘川大学博士学位沧文增溢q 1 0 ，这正是激光聚爆的优点之一。第一次周激光订融聚交串予是在1 9 6 8 年，6 年后融能怒蠢径梵6 0 p e n 的靶丸加热到3 k e v 。美嗣的大趔激光聚变装鼹s h i v a 与n o v a 及日本大阪大学的i o k j 装鬣相继投入使用。德、俄、英、法、意各因也有自己的激光聚变装鬣。我嚣豹“搴孛光”装璧予1 9 8 7 牮正式投入馒阕。起视“孝枣先”装鬟是嚣鼹l k j 的钕玻璃激光器，脉冲宽度l n s ，瞬间功率2 1 0 ”w 。该装澄不断升级，设怒戮2 0 1 5 年研弼煮必装置，2 0 2 5 2 0 3 0 年疆究蒙变发魄。用激光聚爆的靶丸类似一颗微婺! 氢弹，研究其爆炸规律可校验热核爆炸的计髯方法，西而有助予改迸热核武器。激光聚交时产生前商遥嚣侠中子与强x射线，可用予攒数氢强爆炸，试验防辐射装备或律别的效应试验。圆此激光核聚变研究骚到各国军事部门的支持。美嚣蠡1 9 9 5 年超在劳仑簸裂爨葵尔安验室( l 援l ) 建造“溪家点火装鬈”( n i f ) ，该装置采用1 9 2 路锬玻璃激光具有1 8 m j 的总能量，其1 0 5 9 m 激光经k d p 转换成0 3 5 脚豹三次谐滚，氘氟燃瓣豹密度将被歪缩戮2 0 0 9 c m 3 激实现凝变点火，从两释放出1 5 m j 的能爨。法国原子能委员会举r 兆焦激光”( l m j ) ，l m j 设计用2 4 0 路激光的i 8 m j 翡霆来点火，2 0 0 5 年用8 0 籍激光避行6 0 0 k j打靶，2 0 1 0 年建戏全粼2 4 0 黪激光。英、饿、日务国郡在研制鑫己的点火级涟置。豫蔼激走井，氇毒嗣离憝离子寒轰击靶丸实瑗聚变燕火“”。不过激褰_ 孑象的粒子带电互排斥，目前难予获得良好的聚焦。但产生离子束以及打靶时的能量转换效率可离达8 0 ，远超过激光腑3 0 ，在经济上十分诱入。因j 琏：各国毽在研究骞予寨核聚变，番望在未来的实用聚变堆上袋用这靴低能耗方式。惯性约束聚变( i c f ) 电站的方案已在考虑之中。近死年， 汀煮灾一个撅途较是“抉点火”( f a s ti g n i t i o n ) 。皂1 9 9 4年m t a b a k 等“”提出快点火概念以来，很快成为国际上研究的热点。快点火是蒲首先翮弼中等强度的激光觉聚交燃瓣均匀压臻剿最丈密度( 3 0 0 9 c m 。) ，再溺柬短脉冲强激光( l o o p s 、1 0 ”- 1 0 w c m 2 ) 产生穿越等离子体懿区( 低于临界密度) 的通道。然后一束超短脉冲激光( p s 、l o w c 确通过前面产生的通道滋入毯缝静匏是，与靶丸豹裹密度等离予搏摺纛终用，产生火量的l 5 v 豹趣热电子，超热电予向靶丸内输运、沉积能量加热局部的氘氚离子，氘j i i c 离子发生4四川大学博士学位论文聚变反应，产生粒子点火。最后热核燃烧向未被加热的“冷”靶丸传播，实现高增益燃烧。为了避免超短超强激光脉冲在长的冕区传播损失能量，日本大阪大学激光工程研究所的r k o d a m a 等与英国科学家合作。”“3 ，最近采用金属锥快点火器研究了快点火并取得了重大突破。他们将聚变中子的产额提高了约三个量级。我国科学家张杰领导的中国科学院院物理所研究小组、郑志坚领导的中国工程物理研究院激光聚变中心研究小组在快点火研究方面也已取得了重要进展”“。1 3 高z 元素激光等离子体发射谱的研究进展i c f 研究涉及很多复杂的激光和等离子体相互作用的问题，特别是快点火方式下，超强激光和等离子体相互作用的问题是快点火方式的主要困难。超强激光在稀薄等离子体中传播时能够驱动多种等离子体不稳定性，存在着相对论自聚焦、成丝、产生超热电子和亿高斯慢变磁场，同时也存在着激光能量在空间中的扩散，在超l l 缶界稠密等离子体中，则需要研究激光传播与打洞过程，能量吸收机制，超热电子的产生和传输，超高慢变磁场的产生与作用等问题。目前已做了一些实验，主要是研究超强激光和等离子体( 亚临界和超临界)相互作用中的各种复杂的现象和机制，而且取得很大进展。强度高于1 0 ”w c m 2 的激光和等离子体的相互作用问题非常复杂，和通常低于1 0 “w c m 2 时的相互作用有很大的差别。一个本质的原因是相对论效应，即电子在这样的激光场中运动的速度已接近光速，因此质量变大，同时激光磁场强度也直接影响电子的运动。与此相关的是激光产生的压力( 有质动力) 也已很大。超强激光在次临界密度等离子体中传播会产生自通道，其中部分激光能量集中，强度增加，而由于有质动力等离子体在横向被排开，密度减小，形成通道。产生通道的原因是相对论效应和有质动力。一维、二维粒子模拟计算表明：自聚焦是逐步在中心部分产生的，边缘部分会横向扩散，密度愈低，横向扩散愈厉害；同时，波头会受到侵蚀而严重变形，脉冲前端变陡，电子密度和激光强度在横向及纵向( 激光传播方向) 上产生复杂的二维空间调制结构，生成一些不规则的高密度峰区。另一方面，电子密度的纵向不均匀又会引起很强的纵向电场和尾流场( l o t e v m 量级) ，这一电场会加速电子到很高速度和能量四川太举博士学位论文( 1 0 0 m e v 量级) ，由于能量的不断损失和横向扩散，如果激光脉冲宽度不够长，毙爨褥苓鬟蛰究麴话，激光最终会掺止接攘。激光与等离子体的相互作用研究可以利用光谱手段进行，因而中高z 元素离剿离态离子发射谱弓| 起了入稻极大静兴趣。宙予穰终甏丸壳艨豹褰z 元素( 鳐a u ，w 等) 以及杂质离子产生的辐射，提供了这姥等离子体中物理过程的详细信息，从而可用作等离子体状态诊断和对状态的控髓。但是因为高z 商离纯度等枣子俸发射落中，聪个电予组态闽多条跃迁线非常接近，再加上务釉展宽效应( 如s t a r k 展宽、d o p p l e r 展宽、等离子体的融吸收效应和碰撞展宽等) 和纹器靛青陵分辨本鬟，镬缛大藿懿瀵线集巾在一个较小瓣波长莲毽肉，形成了不可分辨的带结构谱。所以高z 元素高剥离态离子发射谱研究一直是离子谱学研究中最其挑战往的谍蘧陴制。由予高剥璃态重饔子谱十分复杂，单绒用传统豹原乎结构计算方法难以解决带谱问题。这追一个典型的例子是“v i ( 必硒铱) 谱。它具有s e l 等电子系捌，蠢3 个泡子，蒸缓态跫4 s 2 4 p 4 。1 9 8 6 年p e r s s o n 耧r e a d e r 辨试了约9 0 0 条线，这是在大约1 7 0 个计算能级阆产生的跃迁线阻1 。对于更高z 元索的类s e 离子，1 9 7 6 年c h a g h t a i 等磷究了；拦r v i l 一。m o l x ( 类硒镥一类磁镱) ，确定了4 s 2 4 黪4 8 2 4 p 3 5 s 能级，1 9 8 8 年0 s u l l i v a n 等把工作扩展到。r u x i 一。6 p d x i i i ( 类硒钌一类硒钯) 。在x e l 彦捌中，翦疆几个觉索显示出了愤性元素结构。但是髓溃z 增加，基态m 4 p “s o 变成了4 ，4 f 包含了几酉个能缀。只包含几条强线，简单的惰髋元素谱结构，在。p r v i ( 建玺【谗) | | 三l 鼷潜失了，交藏了一秘奏a 予袈弱线戆逮续谱。按照e d l e n 在1 9 7 4 年的说法“从实验上讲，。x e l 序列至f j p r v i 就到汰了”。1 9 8 3 年c h e n g 和f r o e s e 等对类x e 离予的这种谱线疆佑或爝陷瑷象骰了蓬论谤雾磷究o ”。在激光产生的x e 等离子光谱研究巾，0 s u l l i v a n 剿e 1 9 8 2 年观察到1 ：随着离化度的增加，4 f 波函数确实出现了瑙陷现象，光谱相当复杂，显示出一鳌类戳瀵淹晕曩鸯滓之溜耀疑：l 芝熬特蛙。戈其是，在寰z 嚣素建离化度热等离子体中，多种离化度、激发能态的离子并存、众多跃迁线相互交替重黧：重离子中，能缀自麓辕道骛装卡分驻著，菠至怒进了静邀蕊缭构分瓷；由- t 多令旁溪电子的襻在，众多能缀十分接近，汇合成各种加宽了的峰；褥加上备种物理加宽效应( 如s t a t r k 加宽、d o p p l e r 加宽、阔有线加宽、碰撞翻宽等) 和往器豹6鳃川大学博士学位论文套羧努辨攀，除缀拿裂绫灌蹙分离静，其余麓形袋了诲多不可分辨翡带谱，辨认十分困溅。为了对带结构谱进行解释和说明，1 9 7 8 年，b a u c h e a r n o u l t 等人在等离子体静软x 射线研究中酋先提高了不可分辨疑迂阵( u n r e s o l v e dt r a n s i t i o na r r a y ) u t a 理论汹”1 。不可分辨跃迂阵是指两个电子组态的8 & 级阁的所有跃进，由于谱线的各种加宽效应，跃迁谱线可能不可分辨而形成为一个繁，朝豫之荧不露分辨跃迁疼，记镦u t a 。不可分辨跃迁簿( u t a ) 模型理论实际上是一种统计的方法，即把一个不可分辨的跃迁阵用跃迁能的权重强度分娟来黧述。醅u c h e - a r n o u l t 等久应麓该模蘩对一黧等离予谱进行了瑗论诗算，并得到了与实验纂本一致的结果。八十年代中期，b a u c h e - a r n o u l t 等人考虑了稻对论的修正效应，又将u t a 模型发展成了相对论的自旋一轨道劈裂跃迁阵( s p i n o r b i t - s p l i t t i n g - a r r a y ) s o s a 模型“”1 。彝旋一孰道劈裂跃迂辫：由于在午月、末缀态c 和c 中，自旋一轨道相互作用远大予静电相互作用，于是导致缝态分裂必子缝态，予缀态之蠲发生跃迂藏澎残了凝迂予薅，馨将一个# l 褪黟的跋迁阵，劈裂成若干个纯j j 耦合的予跃迁阵，从而使这个跃进阵形成丁彼此之闽分开的孤立蜂，称之为自旋一鞔道劈裂凝迁阵，记徽s o s a 。这一搂登禳好的解决t u t a 模型在描述精细缨构光避方面的不足，成功解释了十分复杂的商z元蠢高剩离态发射的带结构光谱，势鼠这一理论还被用于高z 元索高离化度激光等离子髂戆诊叛及辐瓣苓逶载度熬计算“1 。国内外学者在近几年发表了些a u 元豢离子谱数据，主要涉及类镍及其附近见个等壤予彦捌离子瓣乡 壳蒺共振缎跃迁，毽数据较零散。k i y o k a w a 等人”+发表了a u 激光等离子体类c o 附近的等电子序列离予的内巍层跃迁的光谱数据。z i g l e r 等入。1 分析了a u 元素扶类n i 至类g e 离子3 d - n f ( 铲5 ，6 ) 不可分辨跃迁光谱，实验数据也来源于k i y o k a w a 等人的实验。b a u c h e a r n o u l t 等人发表了对k i y o k a w a 等人的实验数据的新解释。t r a g i n 等人“3 发表了t a 至p b 等七静露素类辩i 共摄线及茭醛透等趣子垮列离子3 d - n f ( 群5 ，6 ，7 ，8 ，9 ) 细致带结构谱，3 p n d ( n = 4 ，5 ，6 ) 和3 s - n p ( n = 4 ，5 ) 内壳层跃迁的数据，是榴辩鞍系统辩实验裙理论数据。在餐雨，关予金靖带熬缨致续稿磷究还浚有系统性工作发表，尤其对除了a u 以外的其它元素簿离予体光谱的研究国内外报道都很少。爽了? 解裹滠等燕子体的内部状态及变他过程，就必颂对等离子体进行诊理川犬学博士学位论文断，即通过一定的实验手段对等离子体中电子濑度、密度、电离分稚、电流和酝磁场静拜季空分布、淤及输运、液翡帮不稳定馁等袄态参数避行实验灏量。目前，比较受重视的等离子体诊断手段是光谱诊断，光谱诊断的一个荚键环节是对实验光谱进行细致分析和解释l 啦删。掇据实验条件给出一个合适盼等凌子棼状态摸黧。然蓐，在该模型魏框架下建立具搏熟光谱特征与炼鹰子体状态的函数关系。最后，从实验光谱中提取这些光谱特褫量并通过已建立的函数关系接融等离予律获恣参数。逶豢器要采用多缝实验瀵特征薰互楣毽】汪才辘绘出精度比较高的诊断姑果。1 4 本文所做的工作在本篇论文中，我们选择激光浆变研究中的等离予体为研究对象，研究激光等褒予俸谱线秘蒙予动力学摸墼，重感在等离子傣的谖线横羧以及邀离发窝布居数的研究，并且讨论了相关的原子过程，详细地描述了谱线增宽效应，其牵包括多酱霸埔宽，疆然罐宽，薪塔尧增宽，磁擅增宽等；黼游谣论了磁攘辐射原子动力学模型。应用c o w a n 稳序结合原子动力学模型，分析了m 壳燃x射线谱并进行光谱模拟，利用中国工程物理研究院的实验结采辨识谱线。计算了金等凑子搏麴离子丰凄，阉时毒卡冀了平均电离度髓电子湿度的变化关系。合理地解释了变化原因。鉴于等离子体的温度与密度的黧要性，在论文中我们也讨论了等离子俸静诊薪方法，锌对等离予镕熬激废与爨发，分辑7 翻趸共振线与伴线的强度比以及s t a r k 增宽诊断等离子体的温度与密度的方法。本文主要研究羹元素a u 盼激光等裔子体光谱辐瓣静特慷，因为它是i c f研究中的最具代表性的等离子体。为了拨验我们的研究方法的可靠性，对其它中、高z 元素k r y n b ，m o ，a g , p d , i ，g d ，d y , l u ，砥w ，i t , a u ，h g 等形成的激巍等离子体篷遴孬了系统磷究，这艟研究慰今嚣豹实验硬巍蠢撂毒意义。本文深入讨论了等离予体中的原子物理过程及等离子体状态模溅；用基于螽旋轨道骛裁阵酶方法结会箍撞辐蓊穰警来确定金等离子聿琴孛豹电蒋态分毒以及平均离化度随电子温度的变化关系：用c o w a n 的原子结构从热算程序和s o s a 模型计舞各阶电离的金离予的能级和跃迁1 3 ；并用；简域燕力学横篷计算在绘定湿度秘密度下的等离子体中离予的分鸯，绘出了平均离化腹照电子温度的变化关系以及电离势所起的作用。我们讨论了激光产生簿离子体的特性，8融川大学博士学位论文各释潜模受滋及它髓在势辑激兔等离予律串翡应焉。主要漆容如下：在第二章，我们讨论了谱线增宽的几种形式以及线形函数，瓴括自然增宽与洛伦兹( l o r e n t z ) 线形，碰撞增宽与洛伦兹( l o r e n t z ) 线澎，多普勒( d o p p l e r )增宽与离斯线形，磁撞增宽和d o p p l e r 增宽的囊如与佛克脱( 、，o i 曲线形，簸塔克( s t a r k ) 增宽，给出等离子体发射谱模拟所采用的线形黼数。露三章讨论了等褰予棒审静主要爨予錾溪过程，毽括辐瓣与甥蒺槎羹痒嚣，自离化与双电子复合，光激发与谱线发射，光电离岛辐射复合，电子碰撞离化与三俸复合，毫子碰撞激发与邋激发：因舞在蔫溢 螽密等离子俸审，双电子美合过穰在各种原予过程中占主导地位，它对建立和维持电离平衡以及离子的激发态怒着重舞作用，因此本文详细探讨了自离化与双电子复台过程速率系数的计冀。第四章讨论了商剥离态原子结构及谱线理论计算介绍了如何用m c d f 方法及h f r 方洼计簿离子结秘。讨论? 高裁离态电嵩势憝计算方滚，对蘧元素n b ，m o ，a g ，p d , x e ，d y , w a u 等的各阶电离势进行计算和比较。第五章研究了等离予体的平衡模型，求解s 吐a 方程静计算方法，基于简化稳态碰撞一辐射模型的等穗子体乎衡模型，并对s a h a 模型和碰撞一辐射模型的适用性滋行比较研究。篱六章绘爨了激是等离子侮带谱发魅谱缀致缝擒模数方法，毽论攘羧了a u激光婶离子体的发射光谱，详细研究了m 带谱的细致结构，并对其它重元素的激光等离子俸先谱进行攘损。第七章讨论了激光等离子体的电离度与布居数的计算，详细研究了处于刁i同状淼激光a u 等离子体觏离度与布居数的计算方法，鸯行研铡了等离子体电离度与奄屠数的诗算攫痔包，研究了平均离纯度夔电子温度的变化关系。端八章讨论了等离子体的诊断技术，包括利用较轻元素的类h e 离子伴线与共振线粒强艘毙确定等燕子髂懿瞧予瀑凌敬爱迄子褰度，瘸重离孑静嚣笑摄线强度比诊断簿离子体温度，用不同离予的共掇跃迁强度比诊断温度。第九章给出了总结，展望了今后激光等离子体巍谱研究方面适应该避一步研究的问题。9四j l l 丈擎博士学位论文参考文献 1 】张继彦，翻川大学博士学使论文，激光等离子体的k e v 髓医x 光谱学研究【2 】扬家敏，丁耀南等，物理学报5 2 ，4 1 1 ( 2 0 0 3 )【3 】h o a r t yd ，w i l l i0 ，w a t ti lg o b b yp 2 0 0 0t i m ed e p e n d e n te n e r g yt r a n s p o r ti nl a s e rh e a t e dt a r g e t s ，i n ：l a b a u n ec ，h o g a nj 。戳e d i t o r s i n e r t i a lf u s i o ns c i e n c ea n da p p l i c a t i o n s9 9 ，e l s e v i e r ，p 2 6 9f 卅a b d a l l a hj ，z h a n ghl ，f o n t e scje ta l ，2 0 0 tz 盘a n t s 筇c t r o s c r a d i a t t r a n s f e r7 11 0 7 5 1 ，r o b e r ck a u f f m a n , x - r a yr a d i a t i o nf r o ml a s e rp l a s m a s , e d i