高Z等离子体辐射的非平衡特性

1、第15卷第1期强激光与粒子束 Vol.15,No.12003年 1 月 HIGH POWER LASER AND PARTICL E B EAMS Jan.,2003文章编号 :100124322(20030120055206高 Z 等离子体辐射的非平衡特性郑志坚 ,江少恩 ,丁永坤 ,张继彦(中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳 621900摘要:对激光直接加热和 X 光辐射加热 Au 等离子体的非平衡特性进行了实验研究,探讨了它们的物理机制。为此 ,提出了一种新型的锥盘靶结构 ,并在神光 2II 装置上进行了实验 ,结果表明 :锥盘靶很好地避免了激光加热区的等离子体喷射和散射光对X

2、 光加热区的影响 ,改善了辐射加热场的干净性。对锥盘靶激光和辐射加热进行了模拟计算 ,所得结果与实验的结果符合较好。关键词 :锥盘靶 ;环盘靶 ;非平衡特性 ;辐射加热中图分类号 :TN248.13文献标识码 :A高温、高密度等离子体辐射的X 光能谱平衡特性是开展等离子体物理研究的基础。在天体物理、惯性约束聚变、磁约束聚变及 Z 2pinch 研究中 ,既是经典难题 ,又是目前的热门课题。众所周知 ,处于热动平衡的稠密等离子体 ,其辐射为黑体辐射 ,且呈 Planck 谱分布。辐射谱强度I ( :I ( =2h 3c 31exp (h /k T-1(1 式中 : 为光子频率 ;T 为等离子体温

3、度 ;c 为光速。目前 ,在实验室内产生的高温等离子体很难实现完全的热动平衡和理想的“黑体辐射 ”。黑体辐射谱分布仅与等离子体温度相关 ,而与构成的材料无关。在理想的完全热动平衡的等离子体中 ,假设其电子、离子、光子均应处于平衡态 ,在空间上等离子体保持足够的均匀 (在光子与粒子相互作用的自由程 L 2P内变化小 ;而在时间上呈稳态 (在光子与粒子相互作用的驰豫时间 t 2P内变化小 ,光子与粒子之间有足够的能量交换时间。这是很难达到的限制条件。在目前的实验条件下 ,稠密等离子体的辐射往往偏离黑体辐射 Planck 谱,表现为非平衡特性。因此 ,理论上对等离子体状态常作局域热动平衡 (L TE

4、 的假设 : 等离子体中电子、离子处于热动平衡 ,而光子与电子、离子相互作用较弱 ,辐射不一定是平衡谱。处于平衡态的等离子体的辐射可用温度来描述。而非平衡态的辐射谱的数值模拟就要解多群方程 ,工作量极大。所以 ,研究等离子体辐射谱非平衡特性及如何向平衡态过渡的过程 (通常称之为 X 光的 “驰豫过程 ”或 “谱改造 ”是一个十分有意义的课题。Fig.1Schematic for areas heated by laser and X 2ray图 1激光加热区与 X 光辐射加热区示意图强激光辐照高 Z 元素 (Au 可产生高温、高密度等离子体。然而由于加热时间仅为1ns 左右 ,又由于等离子体内

5、存在有质动力和电子热传导的受阻现象,使其密度梯度变大而不能满足热动平衡的要求,因此激光加热区的辐射谱明显偏离 Planck 分布 1 。以间接驱动的黑腔靶为例(图1:如果把激光直接加热区称为A 区或源区 ,把由 A 区所产生的 X 光加热区简称B 区或再辐射区 ,那么 ,把 B 区的非平衡辐射谱改造成Planck 谱是本文主要研究和探讨的问题 ,也是惯性约束聚变 (ICF 中辐射输运、辐射烧蚀等物理过程待以深化的课题。在激光驱动的 ICF 研究中 ,常可忽略光子散射项。描述非平衡辐射流的输运方程的一维形式为1c 5I 5t +5I 5x =j (1+c 22h 3I- I (2式中 :I 为辐

6、射强度 ;j 为自发射系数 ; 为吸收系数。收稿日期 :2002206203; 修订日期 :2002211213基金项目 : 国家自然科学基金资助课题 (19875045作者简介 :郑志坚 (19412,男 ,研究员 ,主要研究惯性约束聚变、强场物理、等离子体物理 ;绵阳 9192986信箱。输运方程的右端 :第一项为发射项 ,第二项为吸收项。该式表明 :无论是辐射输运 ,亦或是谱改造 ,实质上都是研究等离子体对辐射的吸收及再发射的物理过程。由强激光辐照靶产生的等离子体发射的 X 光携带着内部电子、离子、光子大量的信息 ,是实验研究等离子体辐射谱非平衡特性的主要依据。本工作安排了“辐射的吸收及

7、再发射物理过程 ”的分解实验。然而由于谱改造问题的实验诊断非常困难 ,基于在星光 2II 装置上积累的实验经验 ,设计了锥盘靶有效地解决了辐射加热区的 “干净性 ”问题 ,从而迈出对辐射谱改造的重要一步。1 实验条件和方法1.1激光参数实验在上海的神光 2II 激光装置上进行。北 4 束三倍频光输出 ,每束靶面激光能量约为 200J ,脉宽 (FWHM 0.8ns ,波长 0.35 m离;焦 600m打靶 ;靶面功率密度 I L =(23 ×1014W/cm 2。1.2实验靶型实验采用的锥盘靶和环盘靶两种靶型如图2(a 、(b 所示 ,靶面由厚度为 20 m的 Au 箔制成。锥盘靶的

8、 A 区为上端开口的 60°锥面 ,北 4 束激光分别以与锥外壁 15°方式辐照 4 个对称点。 A 区辐射的 X 光烧蚀<900 m的金盘 (B 区。这种靶型的特点是 :A 区的等离子体以锥面法线方向外喷 ,散射光以镜反射为主 ,两者均不能打到 B 区的金盘中心部位 ,这样便保证了加热 B 区辐射流的干净性,亦避免了A ,B区等离子体相碰而发射的X 光的干扰。此外,B区辐射是由锥底轴向观测的,锥面起着屏蔽A 区辐射的作用。为了比对锥盘靶的优点,又设计了环盘靶。将其A 区的 “锥面 ”改为 “平面环 ”。Fig.2Experimental targets for sp

9、ectra modification on Shenguang 2II图 2神光 2II 谱改造靶型1.3实验排布为提高诊断结果的可信度 ,实验中 ,同时利用两种诊断手段测量 X 光能谱 :10 道或 7 道滤片 -X 光二极管 (XRD 阵列组成的软 X 光谱仪 (SXS 及透射光栅谱仪 (TGS 。SXS 指标是 :响应能区 0.11.5keV ,谱分辨约为 10%,测量的不确定度 30%。 TGS 指标 :能区 50eV 4keV ,谱分辨约为 3%,不确定度为 35%。若置空间分辨狭缝时 ,分辨率为 30 m。 在神光 2II 靶室的水平安装的探测器的布局见图 3。在东偏北 30

10、76;的位置 ,安置 10 道亚千 X 光能谱仪 (SXS 21 测量 A 区辐射的 X 光谱的时间特性 ,在正南方位 ,安装 7 道 SXS 谱仪 (SXS 22 测量 B 区辐射的 X 光谱的时间变化。采用两套绝对标定的透射光栅谱仪 (TGS 配 X 光 CCD 分别测量 A 、 B 区的更细致的软 X 光谱。在正东方向放置针孔配 X 光条纹相机 (XSC ,观测 A 、B 区等离子体喷射的时间过程。 XSC 的时间分辨为15ps ,光阴极狭缝 100 m × 2cm。实验中采用 7 个不同方位的平响应XRD (F2XRD 获取 A 、B 区的 X 光角分布,给出 X 光总量。在

11、正西方向上安置一台针孔相机光图像 ,其空间分辨 15(PHC ,观测A、B区的X m。在南偏西 15°位置放置另一台针孔相机 ,从 A 区孔观测 B 区的 X 光图像。65 强激光与粒子束第15 卷Fig.3Schematic of diagnostic instruments on chamber图 3靶室水平面上探测器排布示意图2 实验数据及解谱结果对锥盘靶的原始测量谱 (未经解谱计算如图4、图 5所示。透射光栅获得的锥盘靶A 区、 B 区的原始测量谱见图 4(图中纵轴为波长 ,横轴系空间尺度。由原始谱得到的定性结果 :A 区和 B 区的辐射能谱很不相同。A 区谱零级附近明显的M

12、 带(h 2.5keV且呈三峰结构 ,还可观测到 N 带(h 750eV、O 带 (h 250eV谱。而 B 区谱则没有 M 带,只有一个连续谱 (O带。 B 区谱因波长较长 ,高级衍射率高 ,图中的多谱带结构为一级、二级衍射所致。图5 的实心圆点表示SXS 谱仪测量的原始谱 ,A 区谱中也观测到N ,O 带谱结构。Fig.4TGS measured spectra emitted from areas heated by laser and X 2ray forcone 2disks图 4透射光栅谱仪对锥盘靶激光和X 光加热区测量的谱Fig.5Soft X 2ray spectra emit

13、ted from cone 2disk target图 5锥盘靶实验及数值模拟的软 X 光谱更定量的结论须经过解谱才能得到。解谱过程要求考虑谱仪所有环节的能量响应函数 ,并去掉高级衍射后得到的X 光能谱。图 5 曲线 a ,b ,c ,d 分别给出 A 区和 B区的 TGS 和 SXS 谱的解谱结果。由此 ,可看出两种谱仪对A 、B 区测量的 X 光谱在误差范围内一致。说明数据是可信的。由于 SXS 谱仪测谱范围为 0.11.5keV ,故测不到 M 带。环盘靶实验结果如下 :由透射光栅谱仪获得的A 区和 B 区原始谱见图 6。 A 区和 B 区能谱都存在 M带,但 A 区强 ,B 区弱。图

14、6(a 可以这样理解 :因 TGS 有空间分辨能量 ,强激光分别辐照在 A 区圆环上四个对称位置上。由于 B 区圆盘的遮挡 ,测量方位仅可以测到两束激光斑点处的辐射谱。为了更好地比对锥盘靶和环盘靶的数据 ,将 TGS 解谱结果示于同一图 7。不难看出两种靶的 A 区辐射 X光谱基本相同 ,只是 M 带存在一定差异。而两种靶型的B 区谱确差异较大 ,然而 h <500eV的能谱基本一致。当h >500eV时,环盘靶的 B 区能谱要强得多 ,且出现峰值结构 (约 750eV 和 1100eV 。上述两种靶型分别用 SXS ,TGS 谱仪测量的 A 区 (激光加热区与 B 区 (X 光加

15、热区能谱如表 1。75第 1 期郑志坚等 :高 Z 等离子体辐射的非平衡特性表 1 SXS和 TGSX 光谱测量结果T able 1R esults of X 2ray spectra measured by SX S and TG Starget typediagnostic instruments area heated by laser area heated by X 2ray instruments laser cone 2diskTGS M ,N ,O bands single peak ,near Planck s pectrum 3cone 2diskSXS N ,O band

16、s single peak ,near Planck s pectrum 3annulus 2diskTGS M ,N ,O bands N ,O bandsannulus disk SXS N ,O bands 3:Near Plank spectrum at radiation temperature T r =70eV。Fig.6 TGS measured spectra emitted from areas heated by laser and X 2ray for annulus 2disks图 6透射光栅谱仪对环盘靶激光和X 光加热区测量的谱Fig.7Soft X 2ray sp

17、ectra emitted from annulus 2disk and cone 2disk target图 7环盘靶怀锥盘靶实验的软X 光谱将 A 区和 B 区成像于 X 光条纹相机具有空间分辨的光阴极狭缝上 ,获得两种靶型A 、B 区辐射的时、空分辨图像见图8。比较图 8(a 和图 8(b 。图 8(a 为锥盘靶 :A 区、 B 区发射时间过程清晰 ,无外喷等离子体的相碰现象;图 8(b 为环盘靶 ,可观测到 A 区和 B 区等离子体发生的碰撞产生的 X 光 ,这将干扰 B 区能谱的测量精度。3 物理实验分析首先 ,对激光直接辐照的A 区进行分析。两种靶型 A 区的 X 光都谱存在较强的

18、带谱结构:O带(约 250eV 、N 带(约 750eV 、M 带(约 2.5keV 。M 带较强 ,尤其是对三倍频激光打靶,M 带能量份额大于20%,表明激光加热 Au 靶等离子体的非平衡特性。再从空间密度分布角度来看,因有质动力的作用 ,使临界面密度变陡 ,又由于自生磁场的存在 ,使电子热传导受阻 ,导致热传导区深度仅 0.1 m 2。根据目前的认识 ,N ,O 带谱源于此区。而 M 带则源于 0.5n c (临界密度附近。此区电子密度较低 ,不足以产生趋向平衡态所需要的碰撞频率 3, 不可能实现“理想平衡态 ”。从微观角度讲 ,带谱发射的机制是能级的 “束缚 2 束缚 ”跃迁 ,这说明A

19、u 等离子体电离态也是非平衡的。为了加深对实验结果的理解,采用德国 Maxwell2Planck 量子物理 (MPQ 研究所编制的一维辐射流体力学程序Multi 21d 对实验进行模拟计算 4 。计算的初始条件为 :激光波长 0.35 m脉,宽 0.8ns ,强度 2.5 ×1014W/cm 2,限流因子 f =0.08。由图 5 知道 ,Multi 21d 计算 A 区辐射的 X 光能谱与 TGS 测量的 X 光能谱基本符合 ,不过 TGS 测量的 X 光能谱 M 带有 3 个峰 ,而计算的 M 带仅有一个峰。这是由于 Au 的不透明度仅有 20 个能点的数据 ,对辐射 (5050

20、00eV 的计算只能取 20 群,在 M 带只有 5 群光子 ,所以 M 带的谱分辨计算是很粗的 ,不可能获得测量所得到 M 带的 3 个峰结构。 其次对锥盘靶 B 区的结果进行分析。对 B 区 X 光辐射加热后 ,其再辐射谱结构发生了显著变化 ,呈单峰 ,且接近平衡谱。为了比较 ,在图 5 中绘出了辐射温度为 70eV 的 Planck 谱,即平衡谱。在低能部分 ,再辐射谱85 强激光与粒子束第15 卷Fig.8Streaked images of emission heated by laser and X 2ray from two kinds oftargets图 8两种靶型的激光和辐

21、射加热区的时空图像与平衡谱十分接近 ,而较高能部分稍偏强。 B 区的再发射谱为 Planck 谱分布 ,可作如下解释 :如果等离子体对于相关频率的光子大都是光性厚的,它便会象黑体一样辐射 Planck 谱。光学厚度定义为 ( = k ( d x (3式中 :x 是观测方向的厚度 ;k是吸收系数。对平面片状等离子体发射强度I为I =I-exp1(- (4式中 :I为p Planck 谱分布。对于光性薄的等离子体<1,其发射主要是线谱。随着趋近于 1,处于该状态的光子被吸收 ,然后再发射 ,细致的平衡过程开始出现。谱线的最大值受限于I p。随着等离子体光学厚度的增加, >1,谱发射达到

22、 I。p具体的实验条件为 :4 束激光辐射锥筒外壁 ,每束面功率密度约 3×1014W/cm 2。设吸收系数 a 0.9,X光转换系数 0.7,那么 ,光斑处 X 光源的强度为 1.9 ×1014W/cm 2。考虑 4 束激光共同产生的 X 光效应、 X 光角分布 cos 及接收角因子 ,在 B 区平面 Au 盘的 X 光面功率密度约 6×1012W/cm 2。设光子平均能量约 700eV ,则辐射烧蚀厚度约1 m 2。从实验结果看来 ,这对 T r =70eV 的辐射谱而言 ,可认为基本是光性厚的。由图 5 所示实验结果曲线 d 与按 T r =70eV 计算出

23、的曲线 e 相比较 ,因低能部分易实现 >1,故低能的两曲线接近 ,对较高能量的光子辐射吸收系数 k 变小 ,故与 I p有一定差异。Multi 21d 程序仅能模拟计算激光烧蚀过程 ,不能处理辐射烧蚀过程 ,需要对程序作较大的改进 ,以便能对辐射烧蚀过程进行模拟 ,而且研究辐射烧蚀更有意义。将程序中的激光加热改为X 光加热 ,其它部分不变 ,经过改进的 Multi 21d 程序 (称Multi 21X 确实能计算辐射烧蚀。输入的辐射谱可以是任意谱 ,可以是实验测量的能谱如 A 区辐射谱 ,也可以是 Planck 平衡谱 ,辐射脉冲的时间波形也可以是任意的。改进后的 Multi 21d

24、程序还可以处理辐射烧蚀薄膜靶的问题 ,如计算热波在薄膜中的传播时间等。图 5 中给出了用 Multi 21X 程序计算 B 区再辐射的 X 光谱 ,计算时考虑了 A ,B 区间的几何位置关系 ,将 A 区的谱乘以位置关系的系数之后进行计算 ,比较计算和测量结果 ,符合较好 ,这说明改进的 Multi 21X 程序是可靠的。关于环盘靶与锥盘靶比较,两者激光加热的A 区辐射谱基本相同 ,但是 ,在M 带存在一定差异 ,这是由于 TGS 观测的方位与两种靶A 区的法线方向不同所致。因等离子体是非平衡的,其谱将各向异性 ,这可能是造成 A 区谱差异的原因。至于环盘靶的 B 区再发射谱 ,因该区除被 A

25、 区 X 光辐射外 ,还因 A 区为平面环型结构 , 入射激光的镜向反射光也可打在 B 区上。此外 ,A ,B 区外喷等离子体相互碰撞产生的 X 光也可加热 B 区盘。因此 ,环盘靶 B 区的辐射条件复杂 ,本文暂不讨论。4结论通过高 Z 元素 Au 的激光加热等离子体的辐射谱对等离子体的非平衡态特性进行了探讨 ,认为 :95第 1期郑志坚等 :高 Z 等离子体辐射的非平衡特性60 强 激 光 与 粒 子 束 第 15 卷 致谢 感谢北京应用物理与计算数学研究所赖东显 、 王光裕研究员的有益讨论 ,感谢中物院 8 所制靶人员的辛勤劳作 , 对 “神光 2II ”运行及靶场人 员表示深深的谢意

26、。 tion was made in t his paper. The p hysical mechanism was investigated and analyzed. Two kinds of targets , which were cone2diskand spectrum from X2ray ablating disk is” pure and clear” but annulus2cone couldnavoid effects of plasma and scattering laser. , t( 1 激光直接加热的等离子体非平衡特性明显 。其辐射谱明显偏离黑体辐射的Pla

27、nck 谱 ,由 M ,N ,O 带 谱构成 。较硬的 M 带还由 3 个峰组成 ( 5f23d 等跃迁 ,其能量分额高达 20 %以上 。( 2 利用神光 2II 的 4 束三倍频强激光 ( 总功率约为1 TW 加热产生的 X 光源再加热另一Au 盘 ,在加热的 X 光强度 I X 6 × 12 W/ cm2时,可产生近光性厚的等离子体,其再发射谱近 Planck 分布 ,等效 T r 70eV。 10( 3 本文设计的实验用锥盘靶,其结构合理 ,可很好地避免激光加热区等离子体喷射和散射对辐射加热区参考文献 :Key words :Cone2disk target ; Annulu

28、s2disk target ; Reemission ; Non2equilibrium? 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. lation on re2emission from gold disk heated by X2ray , High Power L aser and Particle Beams ,1998 , 10 (11 : 562 565 m unications , 1988 , 49 (2 : 475 505. 的影响 ,使辐射加热区获得了 “干净 ” X光能流源

29、 。 的( 4 通过 Multi21d 程序对锥盘靶激光加热区的辐射进行了模拟计算 , 所得能谱与实验的结果基本符合 。 经过改进的 Multi21d 程序即 Multi21X 可以研究辐射烧蚀问题 ,采用 Multi21X 对 X 光加热区的再辐射过程进 行了计算 ,结果与实验符合较好 。 2 Babonneau D , Bocher J L , Bayer C , et al. X2ray emission by t he rear side of laser2irradiated gold targetsJ . L aser and Particle Beams , 1990 , 9 (2 :527 540. X ,et al. Experimental investigation on re2emission from gold double disks irradiated by laser. A cta Physica S i nica ,2001 , 50