金激光等离子体的空间分辨X射线发射谱及其应用

1、第15卷第10期2003年10月强激光与粒子束HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Vol.15,No.10Oct.,2003文章编号:100124322(20031020981204金激光等离子体的空间分辨X 射线发射谱及其应用张继彦,杨国洪,郑志坚,杨家敏,丁耀南,张文海,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:在星光II 激光装置上,采用PET 平面晶体谱仪与宽20m 的狭缝构成一维空间分辨光谱测量系统,对金平面靶激光等离子体进行观测,获得了沿靶面法向一维空间分辨的金M 带发射谱。在实验谱中观察到了Au 元素类Ni 离子

2、的电四极跃迁线3p 63d 10(1S 023p 53d 104d (3/2,5/2J =1。利用电四极跃迁线对电子密度的敏感特性,开展了金激光等离子体电子密度诊断的尝试,确定出利用该谱线进行电子密度诊断的有效范围大致在10194.5×1021cm -3之间。关键词:金激光等离子体;电四极跃迁线;空间分辨;等离子体诊断;电子密度中图分类号:O536;O562.3文献标识码:A激光产生的热稠密等离子体的状态参数诊断是惯性约束聚变实验研究工作的重要内容。在目前的间接驱动聚变研究中,常采用激光与金柱腔耦合产生的等离子体作为驱动靶丸的X 光辐射源,腔等离子体的状态直接影响内爆过程及靶丸状态,

3、了解这些状态对改进实验条件,提高内爆效率具有指导作用。对等离子体状态参数的实验诊断主要有主动式和被动式两类方法,即光学探针法(主动式和光谱学诊断法(被动式。电子密度是等离子体最重要的状态参数之一。根据不同的等离子体密度范围,通常所采用的诊断手段有紫外光全息干涉法1、Thomson 散射法2、双电子复合伴线强度比法以及K 壳层发射谱线的Stark 展宽法等39。前两种属于光学诊断法,主要适用于较低密度的冕区等离子体,但需要复杂的几何排布和测量系统;后两种属于光谱学诊断法,主要用于较高密度的内爆靶丸燃料区等离子体,其对实验排布和测量系统的要求相对较低。近年来,利用电四极跃迁线进行电子密度诊断的研究

4、开始受到关注3。通常,在中低Z 元素中,电四极(E2跃迁线和磁偶极(M1跃迁线的强度非常低,几乎观测不到。但对高Z 元素,电四极跃迁线却能达到与电偶极跃迁线相当的强度。因此,电四极跃迁线在高Z 等离子体中的这种禁戒消除特性使其作为等离子体状态的诊断工具而得到研究。为深入研究惯性约束聚变黑腔等离子体特性,探索腔等离子体状态参数诊断的方法和途径,我们开展了激光与金平面靶相互作用分解实验。实验中,采用配接狭缝的平晶谱仪构成一维空间分辨测量系统,测量了沿靶面法向一维空间分辨的金激光等离子M 带发射谱。对实验谱进行了细致处理和分析,研究了金M 带发射谱Fig.1Experimental setup fo

5、r space 2resolved measurement of X 2ray spectra emitted from laser 2produced gold plasma 图1金激光等离子体X 射线发射谱的空间分辨测量实验安排的细致结构特征及其发射区特性。此外,还利用电四极(E2跃迁线3p 63d 10(1S 023p 53d 104f (3/2,7/2J =2与内壳层激发线3p 63d 10(1S 023p 53d 104d (3/2,5/2J =1的线强比,进行了电子密度诊断方面的初步探索。1实验实验测量布局如图1所示。一束三倍频Nd 玻璃激光(=0.35m 经透镜聚焦后辐照在金平面

6、靶上,形成高温等离子体光源。在与靶平面相切的方向,用一个配接宽度约为20m 狭缝的平面晶体谱仪对等离子体区域进行观测,得到具有沿靶面法向一维空间分收稿日期:2002211226;修订日期:2003205207基金项目:国家自然科学基金资助课题(10275056;中国工程物理研究院预研基金资助课题(20020210作者简介:张继彦(19712,男,助理研究员,四川绵阳9192986信箱;E 2mail :zhangjiyanziy 。辨的X 射线发射谱,并记录于“天津2III ”X 光底片。实验中,激光光轴与靶面成45°夹角,激光能量为59J ,脉冲宽度为700ps ,激光聚焦焦斑直径

7、约为200m ,靶面激光功率密度约为1.3×1014W/cm 3。Fig.2Image of X 2ray spectrum of laser 2produced gold plasma 图2金激光等离子体的X 射线发射谱图像胶片记录的实验光谱图像如图2所示,图中给出了光谱色散方向和光谱的空间位置方向,可以清晰地看到发射光谱沿空间方向的变化。实验胶片经PDS 黑度计扫描后给出位置2黑密度数据文件。在谱数据处理时,采Fig.3X 2ray spectrum emitted from laser 2produced gold plasma图3金激光等离子体的X 射线发射谱用离散函数褶积滑

8、动变换法作光谱数据光滑,应用对称零面积法寻峰,并通过调整窗宽来抑制高本底和假峰。波长的计算采用多项式拟合方法。谱线辨识主要依据准相对论性的Hartree 2Fock 2Relativistic (HFR 方法和全相对论性的多组态Dirac 2Fock (MCDF 方法的计算结果。此外,根据胶片的黑密度2相对强度响应关系,以及Be 膜吸收特性对实验谱强度进行了校正,但未考虑晶体的X光衍射效率对谱线相对强度的影响。另外,实验谱是采用时间积分方式测量的,即谱强度是等离子体从产生到湮没整个过程的时间积累结果。图3给出了实验测得的距靶面100m (相对位置的X 射线发射谱。2物理图像总体上,在激光等离子

9、体发射谱中的主要成分是电偶极跃迁线,磁偶极或电四极跃迁线一般较弱。然而,这种情况在原子序数升高到60以上就发生了明显变化。Cowan 指出,对于n =1的电四极跃迁的辐射跃迁,其跃迁几率与离子电荷成六次方关系,而通常的电偶极跃迁几率与离子电荷成一次方关系。因此,在高电荷重离子的情况下电四极跃迁有较高的强度。在图3中标记为4f 7/223p 3/2(E2的电四极跃迁线,其强度与电偶极共振线(4d 5/223p 3/2强度已经比较接近。Fig.4Curve of line ratio I (4f 7/223p 3/2/I (4d 5/223p 3/2vs electron density n e图

10、4线强度比I (4f 7/223p 3/2/I (4d 5/223p 3/2随电子密度n e 的变化曲线J.Wyart 等人通过对空间分辨的Ta 2Au 等元素激光等离子体发射谱的分析发现3,高电荷重离子中的电四极跃迁线4f 7/223p 3/2(E2与电偶极跃迁线4d 5/223p 3/2的强度比在空间上有明显变化,并进而想到这种变化应该主要是由于激发能级的碰撞辐射过程对亚稳态的3p 53d 104f 能级布居数的影响造成的,因而与等离子体电子密度相关。M.K lapisch 等针对上述问题建立了数值计算模型,求解了各激发能级的布居数,给出了电四极跃迁线与电偶极跃迁线的强度比与等离子体电子密

11、度的函数关系。计算中,假设等离子体电子温度为800eV ,并且50%的类Ni 离子处于基态。此外,在计算中考虑了谱线的自吸收效应(吸收等离子体厚度30m 并假定谱线形状为离子温度为400eV 的Doppler 线形。理论计算结果如图4所示。从图中可以看出谱线强度比对电子密度的敏感区域在10191022cm -3,不过在电子密度大于1021cm -3的区域,受4d 5/223p 3/2共振跃迁线不透明度的影响,该强度比随电子密度的增加几乎保持不变。3结果与分析本文直接利用K lapisch 等人的理论计算结果3,结合实验探索高Z 等离子体电子密度的新型诊断技术。实验谱线强度的计算方法如图5所示。

12、由于在高Z 等离子体发射光谱中,众多谱线常常叠加在一起,要得到谱线的总强度(对应于实验光谱峰的总面积,需要进行光谱解析。对本文中所讨论的情况,由于两条谱线与其他谱线的重叠相对较小,可以简单地选取图5中所示的阴影区域的面积即可。按照这种方法,分别计算了沿靶289强激光与粒子束第15卷Fig.5Experimentally measured electric quadrupole line 4f 7/223p 3/2and the electric dipole resonance line 4d 5/223p 3/2and their intensity 图5实验测量的电四极跃迁线4f 7/22

13、3p 3/2与电偶极共振线4d 5/223p 3/2及其强度面法线方向8个空间位置的发射谱中对应谱线的强度比,并通过与图4中给出的曲线比较得到电子密度的诊断值,结果如表1所示。表中x 为测量点到靶面的距离(实际上,为等离子体发光边界到测量点的距离,r 是指电四极跃迁线4f 7/223p 3/2与共振跃迁线4d 5/223p 3/2两者强度的比值,n e为电子密度。由于图4中给出的线强度比并不是电子密度单调函数,因此本文在确定电子密度时采用如下方法:首先,由于图4中给出的理论线强度比随电子密度变化存在极小值,而实验结果也存在类似情况,因此可认为理论线强度比的最小值与实验线强度比的最小值对应于等离

14、子体中的同一位置;然后,根据远离靶面处的等离子体密度小,靠近靶面的位置等离子体密度大的特点,在图4中确定虚拟的靶面方向,并由此给出了距靶面105m 和120m 处的密度值。对于与靶面距离小于90m 的各位置点,由于线强度比对电子密度的变化不敏感而无法获得准确结果。另外,当远离靶面到等离子体电子密度小于1019cm -3时,电子密度对上述线强度的影响变得非常小。因此,可以初步确定,用上述线强度比进行电子密度诊断的有效密度范围在10194.5×1021cm -3之间。表1从实验光谱中计算得到的谱线强度及强度比T able 1Line intensity and line ratio ob

15、tained from experimentally measured spectrum of Au plasm ax /m153045607590105120r0.7700.5650.4090.2690.2250.2090.2150.296n e /cm -3- 4.5×1021 2.0×1021 2.2×10204结论对Au 平面靶激光等离子体的M 带发射谱进行了一维空间分辨观测,对实验光谱进行了分析,并利用实验光谱开展了电子密度诊断技术方面的有益探索,得到如下一些结果:1.实验中观测到了较强的电四极跃迁线3p 63d 10(1S 023p 53d 104f

16、(3/2,7/2J =2,并给出了其与内壳层激发线3p 63d 10(1S 023p 53d 104d (3/2,5/2J =1的线强度比。实验结果表明该线强度比在一定的范围内是空间位置的敏感函数。2.基于M.K lapisch 和J.Wyart 等人的研究结果,利用上述线强度比诊断得到了几个空间位置金平面靶激光等离子体的电子密度。经分析表明,利用上述线强度比进行电子密度诊断的有效范围大致在10194.5×1021cm -3之间。参考文献:1Attwood D T ,Halbach K ,K im K.Tunable coherent X 2raysJ .Science ,1985,

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22、m laser 2produced gold plasma and its applicationsZHAN G Ji 2yan ,Y AN G Guo 2hong ,ZHEN G Zhi 2jian ,Y AN G Jia 2min ,DIN G Y ao 2nan ,ZHAN G Wen 2hai ,L I J un(Research Center of L aser Fusion ,China Academy of Engineering Physics ,P.O.Box 9192986,Mianyang 621900,China Abstract :On the Xingguang 2II laser facility ,one dimensional s pace