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x射线Thomson散射在温密等离子体物态参数测量中的应用

作　者: 张小丁
导　师: 郑坚
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 温稠密等离子体 x射线Thomson散射动力学形状因子马赛克晶体谱仪
分类号: O434.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高能量密度物理研究是对能量密度超过1011J/m3,或等价于压力超过1百万大气压的极端条件下物质结构和演化规律的研究。激光等离子体物理研究的内容同样是处在高能量密度态下的物质行为。它所研究的对象覆盖的物态参数跨度很大,粒子数密度ne～[1019,1026]cnm-3,电子密度在Ee～[0.1eV,10key]都是激光等离子体物理研究的范围。对于高温低密度态的等离子体物态研究已经比较成熟,而对于密度达到液体、固体甚至超固体密度的等离子体的物态参数、状态演化等的诊断方法尚在探索阶段。对于稠密等离子体的基本参数和物理过程仍是现阶段我们实验发展的必经之路。通过获取稠密态等离子体的物态参数及其状态演化方面的信息,可以极大地帮助我们了解惯性约束聚变主燃料区物质状态演化和恒星外壳层物质演化、大行星内核演化。在对高密度的等离子体内部状态参数进行诊断时,需有足够强的穿透力以穿出高密度区的等离子体,才能被探测器所记录到。因此现阶段对高密度区域的等离子体参数的诊断依然是主要采用x射线作为主要的源。本论文为基于神光Ⅱ(SGII)激光装置,研究长脉冲、光子能量为keV的x射线与温稠密态C泡沫等离子体样品发生Thomson散射,通过测量散射光谱的结构分析高密度态等离子体样品的物态参数。实验中所使用探针光为激光驱动的中Z材料的K壳层特征谱线,其光谱结构简单、且准单能。通过分析实验数据确定x光Thomson散射实验方法可行性、所获得的实验结果可靠性。同时通过实验论证x光Thomson散射实验可以在kJ激光器上实施。为在神光Ⅱ(SGII)激光装置上研究长脉冲keV硬度下的x光Thomson散射测量温稠密态碳等离子体样品实验,开展了多方面的研究工作。主要的工作成果如下：1.基于不考虑电子间近程相互作用的随机相位近似(RPA)模型,发展的动力学形状因子计算程序。它可以准确地对实验中获得的非集体汤姆逊散射光进行光谱分析,从而获得等离子体内的电子温度、密度和平均离化度等基本物态参数；2.增加对电子离子间碰撞的考虑,基于Born-Mermin碰撞近似模型(BMA),发展出相应的动力学形状因子散射谱计算程序,可针对实验中测量电子等离子体波的共振信号光谱进行分析,从而获得等离子体内的电子密度、温度等信息。对集体散射信号拟合准确度高于RPA模型的拟合程序,对非集体散射信号的拟合结果与RPA模型一致；3.基于神光Ⅱ—kJ级激光器,使用Ta材料作为温稠密态物质的加热源,制备了尺度在直径为400um长度为600um的温稠密态碳等离子体样品,并使用Ti的He-a线测量到样品的清晰Thomson散射信号；通过拟合汤姆逊散射光谱获得电子温度在33eV;4.实验上测量和设计了不同的分辨能力的专用于x射线Thomson散射的探测器,最高的分辨率达到了E/△E=300和E/△E=500,使用4750eV的x射线光子时能量分辨在18eV和10.6eV。通常非集体散射峰与瑞利散射峰直接的距离都是在60eV以上；集体散射峰通常的峰移在15eV及以上。在分辨率达到18eV时的晶体谱仪可以用于测量温稠密态等离子体的非集体散射谱,而在分辨率达到10.6eV或者更好时的晶体谱仪可以用于测量温稠密态等离子体的集体散射谱。

全文目录

摘要  7-9
Abstract  9-11
第1章引言  11-25
  1.1 高能量密度物理  11-14
  1.2 惯性约束聚变  14-17
  1.3 激光等离子体中的诊断技术和方法  17-22
    1.3.1 被动诊断  17-20
    1.3.2 主动式诊断  20-22
  Reference  22-25
第2章 x射线汤姆逊散射在温稠密等离子体中实验进展及探测器的设计原理  25-71
  2.1 稠密样品x光汤姆逊散射的实验进展  27-53
    2.1.1 X光Thomson散射的角分布测量实验  29-34
    2.1.2 x光Thomson散射光谱测量实验  34-41
    2.1.3 x光Thomson散射在超固态密度样品实验中的应用  41-49
    2.1.4 x光Thomson散射技术在ICF实验中的应用  49-53
  2.2 国内温稠密态物质的x光Thomson散射研究  53-54
  2.3 x光Thomson散射实验用探测器的原理及发展  54-62
    2.3.1 探针光源的特性及测量方法  55-56
    2.3.2 x射线分光元件与记录介质  56-62
  2.4 记录介质  62-67
    2.4.1 成像板  62-64
    2.4.2 CCD  64-67
    2.4.3 总结  67
  Reference  67-71
第3章动力学形状因子的几种理论模型与计算结果  71-111
  3.1 温稠密态物质散射的一般理论  74-88
    3.1.1 散射截面  74-76
    3.1.2 温稠密物质的动力学形状因子  76-80
    3.1.3 离子-离子动力学形状因子  80-83
    3.1.4 束缚电子的动力学形状因子  83-88
  3.2 电子相关函数特性  88-102
    3.2.1 随机相位近似(RPA)模型  88-95
    3.2.2 BMA模型  95-102
  3.3 理论模拟与结果对比展示  102-108
    3.3.1 碰撞频率的计算  102-103
    3.3.2 自由电子部分的动力学形状因子的计算  103-105
    3.3.3 拟合结果的对比  105-108
  Reference  108-111
第4章 x光Thomson散射实验用诊断系统  111-131
  4.1 X光Thomson散射用晶体谱仪设计  111-121
    4.1.1 测量范围  112-113
    4.1.2 平面HOPG晶体谱仪  113-119
    4.1.3 平面HOPG晶体谱仪的进一步研究  119-121
  4.2 HOPG弯晶谱仪设计  121-129
    4.2.1 弯晶尺寸的选择  122-123
    4.2.2 谱仪设计及工作效率测量  123-129
  4.3 总结  129-130
  Reference  130-131
第5章 Thomson散射实验靶物理及实验结果分析  131-161
  5.1 X光Thomson散射实验用靶设计  131-140
    5.1.1 靶结构设计  134-140
  5.2 Thomson散射的实验安排及数据分析  140-152
    5.2.1 热样品的Thomson散射  143-150
    5.2.2 冷样品的散射谱  150-152
  5.3 失败发次的分析及教训总结  152-159
    5.3.1 加热源的确定  153-154
    5.3.2 记录介质和晶体的选取  154-159
  5.4 总结  159-160
  Reference  160-161
第6章总结与展望  161-169
  6.1 展望  163-168
    6.1.1 固体Be  163-167
      6.1.1.1 安全性论证  164
      6.1.1.2 测量动态样品的Thomson散射谱的可行性论证  164-167
    6.1.2 B样品  167
    6.1.3 LiH样品  167-168
  Reference  168-169
附录  169-171
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  171-173
致谢  173-175

x射线Thomson散射在温密等离子体物态参数测量中的应用

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