等离子体Z箍缩过程与类氖氩软X射线激光的研究

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1、博士学位论文等离子体Z箍缩过程与类氖氩软X射线激光的研究RESEARCHONTHEZ-PINCHEFFECTANDNEON-LIKEARGONSOFTX-RAYLASER姜杉哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：O434.1学校代码：10213国际图书分类号：535密级：公开工学博士学位论文等离子体Z箍缩过程与类氖氩软X射线激光的研究博士研究生：姜杉导师：赵永蓬教授申请学位：工学博士学科：物理电子学所在单位：光电子信息科学与技术系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O434.1U.

2、D.C:535DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONTHEZ-PINCHEFFECTANDNEON-LIKEARGONSOFTX-RAYLASERCandidate：JiangShanSupervisor：Prof.ZhaoYongpengAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：PhysicalElectronicsAffiliation：Dept.ofOptoelectronicInforma

3、tionScienceandTechnologyDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要软X射线激光，由于其具有的波长短、单色性好、脉冲窄等其他光源不能同时拥有的特点，在诸如高温高密度等离子体诊断等领域，具有无法替代的应用前景。目前，在众多的小型化软X射线激光方案当中，毛细管放电软X射线激光具有装置体积小、搭建运行成本低、单发能量高、重复频率高等特点，是最有希望实现大规模实验室应用的方案。在理论和实验两方面，

4、对毛细管放电软X射线激光进行深入研究。理论上模拟了毛细管放电等离子体Z箍缩过程。实验上，在低气压成功实现毛细管放电46.9nm软X射线激光的基础上，本论文搭建了一整套，大电流主脉冲毛细管放电软X射线激光装置，开展类氖氩软X射线激光研究。在理论方面，编写了一维柱对称磁流体力学程序，并利用该程序对不同内径毛细管中，不同初始气压的Z箍缩过程进行了模拟，得出Z箍缩过程中等离子体状态的空间分布随时间的变化。通过模拟获得了在激光产生时，如电子温度、电子密度、类氖氩离子密度等状态在空间上的分布情况。对内径、初始气压对毛细管中的Z箍缩过程的影响进行了

5、分析。对使用内径3.2mm和4.0mm毛细管的最佳气压条件下，增益系数之间的差别进行了分析。利用大电流主脉冲毛细管放电装置，进行毛细管放电软X射线激光研究。同时，+研究预脉冲过程中的等离子体状态，以及Ar原子和Ar离子丰度随时间的变化。对预电离等离子体进行诊断，测量了由预电离等离子体发出的自发辐射强度随时间的变化，以及时间积分光谱，研究不同预脉冲条件对软X射线激光的影响。利用内径为3.2mm和4.0mm的陶瓷毛细管，在主脉冲电流幅值为26kA的条件下，研究了气压和预主脉冲延时对毛细管放电泵浦类氖氩46.9nm软X射线激光实验的影响并获

6、得了最佳实验参数。使用内径4.0mm和3.2mm陶瓷毛细管时，在最佳条件下-1-1测得46.9nm激光的增益系数分别为0.86cm和1.3cm，实现了46.9nm激光的深度增益饱和。深入研究了毛细管放电46.9nm激光的脉冲持续时间和激光光强分布。首先，在激光脉冲宽度方面，分别利用内径3.2mm和4.0mm毛细管，在最佳初始气压条件下，测量了激光脉冲宽度随增益介质长度的变化。同时，模拟了激光脉冲宽度随增益介质长度的变化，解释了激光脉冲宽度的演化机理。测量了不同初始气压条件下的激光脉冲宽度。结合等离子体Z箍缩过程的理论研究结果，对不同气

7、压条件下的激光脉宽演化过程进行了分析。利用软X射线平场谱仪，对内径3.2mm和4.0mm毛细管中，不同初始气压条件下获得的激光光强分布进行测量，计算最-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文佳条件下的激光束散角，并对实验结果进行分析。针对实现毛细管放电类氖氩69.8nmC线和72.6nmE线的激光输出开展了研究。首先，通过降低主脉冲电流幅值和降低初始Ar气气压，获得了较高的电子温度和较低的电子密度的Z箍缩等离子体，该等离子体状态有利于69.8nm和72.6nm激光输出。实验中，在主脉冲电流幅值12kA和初始气压14Pa的条件下，实现了-1

8、69.8nm和72.6nm激光输出，其中69.8nm激光增益系数达到0.34cm，增益长度积达到11。同时利用MHD程序对产生69.8nm激光时的等离子体状态进行了模拟，对产生69.8nm激光的等离子体状态进行了分析。本