稠密等离子体诊断用x射线均匀色散弯晶谱仪研究

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1、稠密等离子体诊断用X射线均匀色散弯晶谱仪研究重庆大学博士学位论文学生姓名：鲁建指导教师：肖沙里教授专业：光学工程学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一五年三月ResearchofX-rayBentCrystalSpectrometerwithUniformDispersionforDensePlasmasDiagnosticsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByJianLuSupervise

2、dbyProf.XiaoShaliSpecialty：OpticalEngineeringCollegeofOpto-electronicandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMarch2015中文摘要摘要等离子体X射线谱学是研究等离子体形成机制、发展演化并进行状态诊断的一种强有力的技术，在惯性约束聚变（InertialConfinementFusion,ICF）研究中具有重要意义。基于布拉格衍射的聚焦型弯曲晶体谱仪是诊断高能密度等离子体源的常用工具，利用其进行等离子体X射线能谱测量可以提供等离子体电子温度

3、及其梯度、电子密度及其梯度和不透明度等物理参数信息。因此发展新型的诊断工具及诊断方法是ICF研究的重要部分，是对高能密度物理理论研究的重要补充。为了拓展弯曲晶体在ICF诊断领域的应用，面向“神光”系列装置和Z箍缩初级实验平台（PrimaryTestStand,PTS）等国家大科学高能密度实验装置对高序数原子靶材复杂X射线光谱诊断的需求，本文开展了“均匀色散晶体谱仪研究”这一课题的研究工作。研究得到了国家自然科学基金项目“聚焦型均匀色散晶体光谱仪研究”（No.11005098）以及美国普林斯顿大学普林斯顿等离子体物理国家实验室（PrincetonPlasmaPhysics

4、Laboroary,PPPL）LaboroaryDirectedResearchandDevelopment（LDRD）项目的资助。本文围绕所提出的科学问题，以探索研究新型X射线晶体光谱仪用于高温稠密和温稠密等离子体诊断为主旨，完成的主要工作如下：①分析了用于描述不同高温等离子体状态的局域热动平衡模型、日冕模型和碰撞-辐射模型及其适用范围；探讨了高温等离子体keV能区X射线光谱发射、展宽机制和谱线轮廓特征；系统地讨论了基于K壳层自发辐射X射线的等离子体电子温度和电子密度诊断方法，为细致的实验光谱分析与解释提供了理论研究基础。②对已有的Johann、vonHamos和圆锥

5、等一维聚焦型弯晶谱仪进行了归纳总结。针对传统聚焦弯晶谱仪变色散率的缺陷和复杂光谱测量的需求，提出了X射线均匀色散概念。基于布拉格衍射和均匀色散原理，对均匀色散晶体面形公式及其性能参数进行了数学推导；对均匀色散的可行性和其高光谱分辨性能进行了数值计算分析。对空间分辨的二维聚焦球面弯晶谱仪，讨论了其近似均匀色散的实现途径，并基于晶体衍射理论推导了该结构光子通量的精确计算公式，同时给出了实验验证结果。③本工作研制的双通道均匀色散聚焦弯晶谱仪在“阳”加速器上获取了Al丝阵Z箍缩聚爆等离子体K壳层光谱，成功实现了探测面上光谱的均匀分布。根据云母晶体记录的光谱数据分析了Al丝阵Z箍

6、缩等离子体电子温度、电子密度和离子温度等状态参数：由线辐射和连续辐射推断了圆柱等离子体径向电子温度梯度轮廓；对比等离子体内部扰动引起的Langmuir凹陷和基于量子力学的谱线漂移I重庆大学博士学位论文理论，得到了电子密度参数自洽诊断结果。④针对温稠密等离子体的特殊诊断要求，阐述了X射线Thomson散射（X-rayThomsonscattering,XRTS）探测和诊断温稠密物质的原理，分析了弱散射信号测量对探针光源及谱仪性能的要求。搭建了用于XRTS测量的双通道球面弯晶谱仪，标定实验表明该谱仪具有高光谱分辨（~4000）及空间分辨能力（~18μm）。以X射线自由电子激

7、光为探针探测激波压缩固体材料产生的温稠密等离子体，利用该谱仪记录了空间分辨的散射谱并观测到了激波压缩导致的光谱空间轮廓变化。关键词：惯性约束聚变，X射线光谱学诊断，弯晶谱仪，均匀色散，X射线Thomson散射II英文摘要ABSTRACTX-rayplasmaspectroscopy,whichplaysasignificantroleinthefieldofinertialconfinementfusion(ICF),offersapowerfultoolforinvestigatingofplasmaformationandevolut