（等离子体物理专业论文）单丝zpinch等离子体thomson散射诊断系统设计与研究.pdf

单丝芗一m 等离子体功搬射诊断系统设计与唧宪 摘要 高功率z p i n c h 等离子体产生的强脉冲x 光辐射场有可能成为惯性约束聚 变( i c f ) 重要途径之一。x 光辐射场则是z p i n c h 物理研究的重要内容，其辐 射峰值功率与负载等离子体的状态直接相关。只有精确诊断负载等离子体参数及 其时空演化情况，才能细致x 光辐射的物理过程。本文的内容及针对阳加速器 建立一套t h o m s o n 散射诊断系统。 论文的第一章简要介绍了z p i n c h 等离子体实验诊断的一般手段以及“阳 加速器现场的实验环境。重点讲述了研究对象( 单丝z p i n c h 等离子体) 的基本 物理过程，其已有的诊断手段分为自发辐射诊断、折射一吸收诊断和散射诊断三 大类，我们将分类讨论这些方法的原理及其不足之处。文章的第二章是t h o m s o n 散射诊断原理的综述，讲述了其理论计算的经典理论与诊断系统的标定方法。 单丝z p i n c h 等离子体t h o m s o n 散射诊断系统设计思路将在第三章作详细的 论述。具体设计要求是：l 、系统通过测量离子声共振峰得到等离子体基本参数， 物理上要求t h o m s o n 散射过程属于热相干散射：2 、在不违背等离子体无扰诊断 的条件下，探针光的强度应保证散射光强度大于等离子体自身辐射强度；3 、探 针束照射负载时，其最佳偏振方向平行于负载轴向；4 、在探针束脉宽时间尺度 内，z p i n c h 等离子体可视为准稳态的：5 、系统各光学元件具有良好可调节性， 特别是探针光聚焦透镜的调节精度达到微米量级。因此，我们的系统设计思路为： 从目标等离子体典型参数出发，先确定诊断系统的重要参数，如探针光的能量、 脉宽以及各光学元件的参数；再给出探针光和收光系统光路的设计安排，并讨论 杂散光及噪声的来源，给出抑制或降低其影响的方法。本章的最后，我们还给出 了诊断系统时空分辨和谱分辨能力的分析结果。 在第四章中，我们将重点讨论诊断系统调节测试的方法与光学元件的设计， 讲述了利用瑞利散射过程测试系统的方案。 研究工作的总结以及下一阶段研究方向的展望将在本文第五章进行讨论。 关键字：“阳 加速器z 箍缩汤姆逊散射 1 1 1 中国科学技术太学硕士论文 a b s t r a c t t h ep o w e r f u lx r a y sp r o d u c e db yh i g h - p o w e rz p i n c hp l a s m a sc o u l db eu s e dt o r e a l i z ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ( i c f ) o n l yw h e nt h ep a r a m e t e r so ft h ep l a s m a s a l ea c c u r a t e l yd i a g n o s e d ，t h eo u t p u to ft h ex - r a y st h a ta r eu s e f u lf o ri c fc a nb e o p t i m i z e d ，a n di m p o r t a n tp h y s i c a lp r o c e s s e sc a l lb ec h a r a c t e r i z e d i nt h i st h e s i s ，w e d e s i g nat h o m s o ns c a t t e r i n gs y s t e mf o rt h ey a n ga c c e l e r a t o r g e n e r a ld i a g n o s t i cm e t h o d sf o rz - p i n c hp l a s m a sa n dt h ec o n d i t i o n so ft h ey a n g a c c e l e r a t o rh a v e b e e ni n t r o d u c e di nc h a p t e r1 b a s i cp h y s i c a lp r o c e s s e so ft h e i n v e s t i g a t e do b j e c t , s a ys i n g l ew i r ez p i n c hp l a s m a ，i sm a i n l yd i s c u s s e d t h e r ea r e t h r e ek i n d so fd i a g n o s t i cm e t h o d s ：s p o n t a n e o u sr a d i a t i o n d i a g n o s i s ，r e f r a c t i o n d i a g n o s i sa n ds c a t t e r i n gd i a g n o s i s t h e i rp r i n c i p l e sa n ds h o r t c o m i n g sa r ea l s ob r i e f l y d i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo ft h o m s o ns c a t t e r i n gi st h e np r e s e n t e di nd e t a i l m e t h o da n dd e s i g no ft h o m s o n s c a t t e r i n gd i a g n o s t i cs y s t e mf o rz p i n c hp l a s m a s w i l lb ed i s s e r t a t e da tl e n g t h s i n c et h ep l a s m at e m p e r a t u r ei sl o wa n dt h ed e n s i t yi s h i g h ，t h es c a t t e r i n gs y s t e mi s l u l li nt h ec o l l e c t i v er e g i m e t h ei n t e n s i t yo ft h ep r o b e b e a ms h o u l db ec h o s e ns ot h a tt h es c a t t e r i n gs i g n a li sm u c hs t r o n g e rt h a nt h e b r e m s s t r a h l u n gr a d i a t i o nf r o mt h ep l a s m a s t h es c a t t e r i n gg e o m e t r yi s s e tu pt o e n s u r et h es c a t t e r i n gs i g n a li sm a x i m i z e da n dt h en o i s e sa r em i n i m i z e d g u i d e dw i t h t h e s er e q u e s t s ，w ec a r e f u l l yd e s i g na n ds e tu pat h o m s o ns c a t t e r i n gs y s t e mf o rt h e y a n ga c c e l e r a t o r b a s i cc a l c u l a t i o n ss h o wt h a t o u rd e s i g ni ss u i t a b l e f o r t h e e x p e r i m e n t w et h e np r e s e n th o wt oa d j u s tt h ed i a g n o s t i cs y s t e ma n ds h o wt h e i m a g i n e so f t h ec o l l e c t i o no p t i c s i no r d e rt oc a l i b r a t et h et h o m s o ns c a t t e r i n gs y s t e m ， r a y l e i g hs c a t t e r i n gc o u l db eu s e d k e y w o r d s ：y a n ga c c e l e r a t o r ；z p i n c h ；t h o m s o ns c a t t e r i n g i v 单丛芗一力磁等离子体墩射诊断系统设计与研究 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：圣地 2 0 0 8 年月 日 _ p 国科学技术大学硕士论文 致谢 本论文是在两位导师郑坚教授和李正宏研究员的指导下完成的。郑老师领我 走进科研领域，指导我学习科学知识、学会科研方法，并帮助我选定研究方向， 指导我完成实验方案，在关键之处，郑老师给予我很多至关重要的意见和建议。 李老师帮助我明晰z p i n c h 物理过程，帮助我很快熟悉实验现在环境，传授给我 许多宝贵的实验经验。两位导师渊博的知识、深厚的理论功底、丰富的实验经验、 高尚的情操令我敬仰。这些将使我终生受益! 特别感谢我的导师郑坚教授。从本科进入实验室以来，郑老师就是我的导师。 在我本科毕业心情迷茫的时候，正是郑老师的教诲给予我极大的鼓舞，帮助我看 清未来的方向。在过去的几年里，郑老师不仅悉心指导我的学习与科研，还时刻 关心我的生活。郑老师视野开阔，思维活跃，极富创新意识。郑老师淡泊为人的 处事性格、为科研献身的精神以及各种言传身教，都使本人受益匪浅。寥寥数语， 难以表达我对郑坚老师的感激之情。 本论文的许多工作得到了中国工程物理研究院二所的老师、同事和朋友的无 私帮助。首先，我要向我的导师李正宏研究员表达由衷的谢意，正是他的热情帮 助使我能够迅速熟悉z p i n c h 等离子体诊断领域，明晰单丝z p i n c h 的各种物理过 程，明确实验的重要物理参数。其次，我要感谢我的师兄陈法新和薛飞彪，他们 帮助我很快适应了绵阳的生活，与其关于实验方案的讨论，使我收获颇多。另外， 我还要感j , 1 1 1 2 0 3 室的徐荣昆研究员、许泽平研究员、郭洪生研究员、宋凤军、王 玲、司粉妮、秦义、刘建、李林波以及杨高照等同事。最后，我必须向二所人教 处娄老师由衷地说声谢谢，感谢你对我生活上的不断帮助。 感谢所有绵阳的朋友叫0 l 室的宋凌莉，2 0 6 是的瞿金辉，八所一部的陈盛 彪、唐鸽、杨冬和黎航，三部的李天恩和孙利，七部的葛芳芳，他们让我在绵阳 的生活多姿多彩。 感谢同一实验室的王哲斌、赵斌、董亚林、李志超、袁鹏、张小丁、李俊、 涂少勇、郭亮等人，与他们的有益讨论拓宽了作者思路，同时也感谢他们在我远 离学校时帮我处理了许多校内事务。 最后，我要向我的父母和女朋友刘靓表示我真挚的谢意：正是他们从未改变 过的信念和始终如一的理解和支持，才使得我的论文得以顺利完成。 i i 羊丝多一刎等离子体7 ；散射诊断系统设计与即究 第一章研究背景瞄一e j 卫丌h 目_ i 三i ，f o ，- ，v ， 1 1z - p i n c h 等离子体物理研究简述 简单的说，z p i n c h 过程就是电流沿轴向通过柱等离子体，利用其产生的角 向磁场约束并压缩等离子体的现象【。 十八世纪后期，在利用静电发生器击穿空气的实验【2 1 中，产生了最早的 z p i n c h 物理过程。稠密等离子体焦点f 3 1 ( d p f ) 和低真空放电研烈4 1 开创了通过 大电流放电产生高温、高密度等离子体的技术途径。二十世纪，大电流箍缩的研 究一项重要工作就是爆炸丝作为x 射线源的实验【5 1 。早期的受控核聚变研究计划 曾设想利用微秒时间尺度、m a 量级电流、氘等离子体的z p i n c h 实现聚变点火。 然而，无论理论研究，还是实验结果都证明箍缩本身存在快速发展的磁流体力学 不稳定性，会严重影响等离子体状态，难以达到点火条件。因此，很多年来，聚 变学界对z p i n c h 研究失去了信心。但是，也有一些执着的科学家坚持该方向的 研究! 在等离子体箍缩过程中存在许多类型的不稳定性。其中较常见的有三种：1 、 等离子体轴向不均匀性导致的腊肠不稳定性【6 】；2 、径向不对称性导致的扭曲不 稳定性【6 1 ；3 、由较轻物质( 磁场) 加速较重物质( 等离子体) 引发的瑞利一泰 勒( r t ) 不稳定性m 1 。实验证明：采用不同的等离子体负载设计，观察到不同 的等离子体不稳定性发展过程：在某些条件下，改变脉冲上升沿时间，可以达到 较好的箍缩效果1 9 1 。 在过去3 0 多年时间里，功率脉冲技术取得了重要的发展1 9 ，z p i n c h 实验方 式的改变使得人们对高密度z p i n c h 系统重新拾起了兴趣。美国海军实验室单丝 电爆炸实验中，观测到了很强的x 射线辐射【1 o 1 1 ，12 1 。这引起整个聚变学界的注意。 在后来发展起来的单层或多层丝阵实验中，又观测到几乎所有的等离子体不稳定 性，在阿文尔波渡越时间内，都被很好的抑制( 图l - 1 1 是带有d t 靶丸的双层 丝阵负载示意图) 。事实上，丝阵负载已经成为各国z p i n c h 实验负载的主要位 形【1 3 l 。 综上所述，随着各方面技术的进一步发展与各国更多科学家的不断努力， 中国科学娃末土学硅士语文 z p i n c h 等离子体物理研究迎来了个大发展时期 图1i1 带有d t 靶丸z p i n c h 双层丝阵负载 当今的z p i n c h 实验可以按照不同的标准或物理依据分类或区分研究1 1 - “j 。 首先，按照驱动脉冲电流上升沿时间可以将其分为快驱动与慢驱动，前者的脉冲 上引沿般为几f 至一百纳秒，此炎装置的典型代表是美国圣地亚实验室的z 装置；后者的上升沿叫间为几个微秒，其典型代表是美国洛斯m 拉莫斯实验室的 a tl a s 装置。其次，按照z p i n c h 的动力学状态或等离子体加热方式4 以将 其分为动力箍绵1 ”j 、平衡箍缩m i 、稠密等离子体焦点及中卒电弧等。虽后，按 照z - p i n c h 负载的不同具有将其分为气体z - p i n c h i 。“、金属套筒z p i n c h ”坼口金属 丝z p i h i i s , i g 。 h i - ip h 川p l nh i t n r h e x p m t 1 4 m j i ” 些 l 渤畛雪 i 爹富峥卜 一 j i “tl t t n - d i 1d 、i t 、p l - 砷 帅p ”r t o k 1p i “ - p e x p a n , l d r ! 图ii2 单丝z p i n c h 物理过程示意图 如陶112 所示单丝z p i n c h 过程包括脉冲电流欧姆加热、负载等离子体 膨胀、磁眶缩碰撞滞止( 辐刺塌缩) 以及等离子体飞散网个过程。实验时，柱等 离丁体的状态变化过程：旨先，由主脉冲前沿或预脉冲形成等离子体电流鞘，加 单丛多一删等离子体勿墩射诊断系统设计与研究 上主脉冲后，角向磁压向中心轴压缩等离子体，形成高温高密度等离子体，碰撞 滞止时产生很强的软x 射线辐射，实现内爆。这一过程的等离子体的能量变化 如下图所示。 图1 1 3单丝z - p i n c h 物理过程及能量转化情况 利用t h o m s o n 散射诊断等离子体参数的技术，在i c f 和t o k a m a k 诊断实验 中已经相当成熟【2 眦5 1 ，但由于技术上的限制，t h o m s o n 散射诊断技术很少应用 事 于z p i n c h 等离子体的参数诊断。我们希望从较简单的单丝z p i n c h 实验诊断为 起点，进行应用于z p i n c h 等离子体t h o m s o n 散射诊断技术的研究工作。实验将 在“阳”加速器上进行，以下是其几个典型实验参数【2 6 1 。 电流强度 1 0 = 5 0 0 k a ； 脉冲宽度t = l o o n s ： 初始半径 w ：r 0 = 5 朋( a i ：r o = 15 u m ) 。 形成等离子体时的半径 _ r ( f ) = 0 2 0 5 r a m ； 电子温度瓦= 2 0 e v = 2 3 2 x 1 0 5 k ； 初始冕区电子密度 吃= 1 0 博1 0 1 9 c 聊- 3 。 表1 1 1 “阳”加速器几个典型的实验参数 z p i n c h 因其结构相对较简单，应用十分广泛。首先，科学家们期望利用 z p i n c h 过程产生的超强超短软x 射线辐射场，压缩氘一氚靶，实现受控核聚变 点火【2 7 】；其次，z p i n c h 可以直接作为x 射线和中子辐射源，它是人类目前在实 中国科学棱术文学硕士论文 验室得到的最强的中子辐射源犯8 】；我们还可以剩用z - p i n c h 装置制造x 射线激光 器【2 9 l ；最后，我们还可以利用z p i n c h 过程产生超强脉冲磁场，用于粒子束压缩 溯。最近十几年来，z - p i n c h 研究的主要方向就是软x 射线黑体辐射源和高能量 密度物理实验设施，其可用于模拟核爆x 射线对结构物的损伤效应，更是全面 核禁试后核武器物理实验室模拟磷究的重要手段。 4 单丝岁删等离子体散射诊断系统设计与研究 1 2z - p i n c h 等离子体诊断技术概述 z p i n c h 实验产生高温高密度磁化等离子体，且伴随着强脉冲x 射线、中 子等辐射，我们要准确了解这些过程，实验诊断是不可回避的重要领域。科学的 诊断实验不仅可以研究等z p i n c h 离子体及辐射场的状态，可以为校验各种模拟 程序提供可靠的实验数据，更重要的，还可以指导驱动器和负载的设计与研究。 理想的诊断技术是能够测量等离子体中每种粒子的分布函数( 尹，哥，r ) 的技 术3 1 1 。只要知道粒子的分布函数( 尹，哥，) ，任何宏观参数的时空演化性质都可 以通过相应的物理量以分布函数( 尹，矿，) 为权重在速度空间积分得到。然而，这 样的诊断技术目前并不存在3 2 1 。在具体实验中，我们只能针对具体的研究问题， 选择一种或多种诊断手段，希望通过这些手段得到的等离子体信息可以帮助解决 问题。 与激光等离子体诊断一样，z p i n c h 等离子体的诊断技术大致可以分为三类： 自发辐射诊断、折射一吸收诊断和散射诊断1 3 3 1 。自发辐射诊断是依靠测量等离 子体自身辐射的电磁波或粒子获得等离子体信息的，因而，只需要合适的探测器。 后两类诊断方式不仅需要合适的探测器，还需要合适的探针束( 一般为激光探 针) ；它们是通过测量探针束经过与等离子体相互作用后的变化来获得等离子体 信息的。诊断方式的多样性来自理想诊断的不现实性与目标问题的多样性，因此， 完全列举各种诊断方式是不可能的，作者只能提及各类诊断手段的典型实验。 1 2 1 自发辐射诊断 大部分的自发辐射诊断都是通过测量等离子体辐射的电磁波实验的，也有小 部分是通过测量辐射出来的粒子。等离子体辐射电子的能量和角分布一般利用磁 谱仪测量【3 4 】；辐射出的离子可以通过汤姆逊离子谱仪测型3 5 】：对于z - p i n c h 实验， 中子诊断p q 可以提供离子温度信息，而且中子产额也是检验实验进展的重要标 志。中子的产额可以使用银或者铅活化探头、闪烁探测器以及飞行时间探测器测 量【3 7 】。 p 国科学技术大学硕士论文 等离子体光谱诊断是最重要，最悠久的自发辐射诊断，也是目前发展最成熟 完善的诊断方法。它可以测量很多等离子体参数：电子密度、电子温度、离子温 度、等离子体漂移速度、能量输运、x 射线功率谱、x 光总能量等等。利用等电 子谱线法、轫致辐射频率谱的斜率、线谱与线谱相关以及线谱强度对比可以测量 电子温度【3 引，其中等电子谱线法是一种较成熟的诊断技术，具有很高的准确性 与可靠性。测量等离子体磁场的方法有磁探针、磁带记录、法拉第旋转效应【3 9 】 以及塞曼分裂【4 0 j 等，比较成功的方法就是基于法拉第旋转效应的方法。x 射线功 率谱可以采用闪烁体加光电管测得，x 光总能量的x 光辐射的绝对通量测量则 是使用薄膜量热计实现的1 4 。 1 2 2 折射诊断 与自发辐射诊断不同，折射一吸收诊断多了探针束( 通常为激光束) 。折射 诊断测量一般采用一下几种方式：干涉、全息干涉、纹影成像和阴影成像。 干涉和全息干涉需要两个激光束参考束和探针束，一般从同一光源得 到。探针束经过等离子体后相位发生变化，与参考束在成像器件上的干涉条纹会 发生移动或变形。因为干涉条纹是等相位线，所以通过测量其移动的大小可以知 道等离子体折射率的空间分布和变化，从而推得等离子体的电子密度分布【4 2 1 。 而全息干涉诊断技术可以用于测量等离子体的辐射压 4 3 , 4 4 】。干涉诊断与全息干涉 诊断的区别在于，前者可以从干涉条纹图直接分析出等离子体信息，而后者是二 次成像，其优点是一张底片可以记录不同的图片，通过二次成像就可以开来。投 影成像是将一束横截面强度分布均匀的激光通过等离子体，在等离子体后面测量 横截面的强度分布。因为发生折射，通过等离子体后强度分布就不再是均匀的了， 通过对这种变化的分析，我们就能够得到等离子体的某些性质。 所有折射诊断有一个共同的缺点：实验测得的折射率是线积分的，因此，要 得到特定位置的折射率，即得到特定位置的等离子体参数，需要用理论或数值模 型进行解释。对于z p i n c h 柱对称等离子体来说，我们可以利用阿贝尔变换得到 特定位置的等离子体折射率【4 5 1 。 6 单监罗- 础“等离子体“跏散射诊断东统设计与研竟 1 2 3t h o m s o n 散射诊断 带电粒子在电磁波场( 一般只考虑电场) 作用下作加速运动时，会向各个方 向辐射电磁波，这就是散射。因为散射功率与带电粒子的质量成反比，而电子的 质量比离子质量小的多，所以在计算等离子体散射的时候，通常只考虑电子的散 射贡献。散射可分为相干散射和非相干散射。按照探针光来源不同，散射诊断可 分为自散射诊断和探针散射诊断。自散射诊断一般应用于等离子体诊断实验中， 使用的探针光就是产生等离子体的激光束，而不需要独立的探针光束。 散射诊断一般采用t h o m s o n 散射或c o m p t o n 散射。这两类散射的区别在于 入射光子能量j l 与电子静止能量他c 2 的比值不同：当办 r t 2 e c 2 时，散射是 t h o m s o n 散射：当h u o m , c 2 时，散射是c o m p t o n 散射。目前等离子体诊断实验 中，使用的可见光或紫外光光子的能量只有几个电子伏，而电子的静止能量为 5 1l k e v ，此时可认为只发生t h o m s o n 散射，而c o m p t o n 散射效应可以忽略。 在t h o m s o n 散射理论中有一个十分重要的参数口= 1 k , t o ，我们称之为 t h o m s o n 散射参数，其中七是散射差矢，如= ( t , 4 v r n 。e 2 ) i 2 是等离子体德拜长度。 口值的大小是t h o m s o n 散射一个分类标准。当口 1 ，散射称之为非相干散射： 当口1 ，散射称之为相干散射。其中，相干散射按引起密度涨落的原因不同分 为热相干散射和超热相干散射，前者的密度涨落是热涨落水平的，而后者的密度 是由于等离子体的集体运动引起的，如等离子体静电波和静电不稳定性。 如前所述，t h o m s o n 散射已经被广泛应用于各类等离子体诊断实验中，如电 离层、电子束、i c f 、t o k a m a k 实验，是一种十分成熟的诊断手段。目前，国外 已经开展了一些利用t h o m s o n 散射诊断z p i n c h 等离子体参数的实验【4 7 l ，国内 几乎还是空白。 t h o m s o n 散射诊断最显著优点就在于测量等离子体参数时，拥有很好的时 间、空间分辨率，为校验z - p i n c h 等离子体模拟程序提供可靠的实验数据，同时 为将来在z 装置上实现惯性约束聚变时，诊断丝阵和d t 靶丸的参数作技术储 备。初步的实验计划是利用t h o m s o n 散射诊断单丝z p i n c h 冕区等离子体的参数， i i r 国科学技术文学硕士论文 如电子温度、密度及早期等离子体漂移、箍缩速度等，深入考虑z p i n c h 位形下 磁场和杂散光对散射功率谱的影响。 1 3 国内z - p i n c h 等离子体诊断技术研究 紫井探针主动诊断技术研究1 4 9 5 0 l 该诊断系统的激光器的波长为2 6 6 n m 、脉宽为8 n s 、四倍频激光输出能量约 为2 0 0 m j 。激光经分光延迟系统后，得到3 个序列脉冲，分别对应于3 个不同的 时刻：序列脉冲激光经光栏、扩束镜、瞄准系统后，照射套筒靶等离子体；在照 相系统中，光路设计为3 路独立的分支，分别用于测量光束偏振面法拉第旋转、 干涉图及阴影像，其中每个分支均可得到3 幅对应予3 个不同时刻的图像。系统 在阳加速器上进行了触发同步考核实验与调试，获取到了单丝负载等离子体阴影 像和干涉像。 时空分辨x 光辐射功率测量系统1 5 1 s 2 1 时空分辨x 光辐射功率测量系统是为获取z p i n c h 过程的x 光辐射图像、 不稳定性发展的数据而研制的，系统由狭逢、x 光红光转换体、光纤面板、光 纤传输线、可见光条纹相机、像增强器等元件组成，如图1 3 1 所示； 图1 3 。1 一维( z 轴肉) x 射线辐射功率测量系统示意图 系统设计时考虑了x 光能量响应、光谱匹配、抗可见光干扰和时间响应等 单业；4 “等 8 # 例l 【射诊井l 札诅计与唧宅 因素。装置中狭缝方向垂直于z 轴设置，则诊断等离子体z 轴方向的一维时空 分辨x 光辐射功率图像，而狭缝方向平行于z 轴设置，则诊断等离子体径向一 维时空分辨x 光辐射功率图像。喷气z p i n c h 实验表明，时空分辨x 光辐射功 率测量仪获得了多组关于稳定性、等离子体在阴阳极漂移和x 光辐射功率时空 分布的数据，其中x 光辐射区域与等离子体密度分布区域呈分离的实验事实在 z p i n c h 的研究中是第一次获得，如图132 和图133 。 图13 , 2 时空分辨x 射线辐射的条纹像 豳i3 3 数据处理结果 软x 光能谱与能量精密测量系统剐 该系统是针对“强光一号”装置设计的，其作用是探测喷氪气z p i n c h 等离 子体实验产生的能量小于i k e v 的软x 射线。系统是利用镍薄膜量热计的电5 h 与薄膜温度变化的关系来确定沉积在薄膜l 的x 光总能量的，是一种x 光辐射 的绝对通量测量技术，此方法的特点是准确、耐用以及可以宽能带的测量x 光 辐射。实验结果表明：n i 薄膜量热计对x 光有很好的响应灵敏度；但是，系统 对紫外光也是有响应的，这是该系统的最大问题。 此外，中国工程物理研究院与西北核物理研究所还发展了可见光分幅成像、 用于测量离子能谱的t h o m s o n 谱仪以及利用x 射线光谱测得裂变能量等系列 州瑚啪湖榭跏m m 瞄o e*善w# 中国科学技术大学硕士论文 z p i n c h 等离子体参数诊断技术。 1 4 t t 阳，加速器及其现场实验环境简介 “阳 加速器【1 3 】设计的工作电流为8 0 0 千安，目前实际可达5 0 0 千安，脉 冲上升沿时间为l o o n s 。单丝z p i n c h 实验，碳纤维负载的初始半径r o = 5 - - - 1 5 p m ； 等离子体箍缩之前的最大膨胀半径r - , 5 m m ；典型的冕区电子温度 r e = 1 0 - 3 0 e v 、离子温度t i = 2 , - - 一6 e v 、电子密度r l e = 1 0 1 8 1 0 1 9 c m 3 、平均电离度z c 盯= 4 6 ；等离子体的向中心轴的箍缩速度约为1 0 7 c 删9 1 2 6 1 。最佳箍缩状态是当电流达到 最大值时，箍缩运动达到碰撞滞止。由此估算等离子体箍缩前达到最大膨胀半径 的时刻，约在脉冲上升沿的6 0 8 0 n s 时间范围内。该时刻的等离子体是我们诊 断的目标。 “阳加速器的现场空间布局结构影响实验的光路安排。图1 4 1 是其实验 大厅靶室附近的横截面图，加速器沿东西方向放置在钢轨上面。靶室( 如图1 4 2 ) 蚕 羹 蒌 耩 褒 茹 ：x 管t 二= 譬= i ：冬穗 鹾 娄誊 蚕黎 镪； 鍪 ， 粥 ：冀； 黜 嚣 蠢 ：k j 之 卜一￥丁 l 囊 麓 不知名 玉兰 o = 10 嚣 大装置 蓑 i j o _ j一著 地面 消 厶 l ；二 瞄： 暑 一_ ： j ：1 r 瞄代警嗝0 气 工乞，埘嘎4 m k 螂l 五，曼砒嘈 ，盘口越t 哩z k 锻翟酽讶掣一，op 簟盥哗确置目l 瑚 图1 4 1 “阳”加速器实验大厅横截面图 位于加速器西端，其南侧为一过道，方便实验人员搬运、调节控制诊断设备，北 侧有一未知大装置，占据了很大空问。靶室的正前方是一个钢制实验平台( 如图 1 4 3 ) ，其距离地面的高度为1 4 4 c m ，距离靶室中心的高度为4 6 c m ，图中褐色 部分是靶室附近的木板，靶室右侧是一块较小的钢板。关于实验现场环境对于光 l o 单监多一刀“等离子体么“脚徽射诊断系统设计与研究 路设计的具体影响，本文将在下面的章节继续讨论。 i l 探针束ll ， l i 烂二射誊 泫 _ 焉 jl lr 涔i ： it 图1 4 2 靶室主视图及其内部光路安排 图1 4 3 钢制平台与靶室的相对位置 4 4c m 中国科学技术文学硕士论文 第二章t h o m s o n 散射诊断技术综述 2 。1 引言 当等离子体中的带电粒子在入射电磁波的电磁场作用下作加速运动时，会向 各个方向辐射新的电磁波，这个过程称之为散射。t h o m s o n 散射可以理解为光子 与自豳电子( 或自由离子) 之间的弹性散射，光子的能量远小于电子的静止能量， 即满足h v m 。c 2 ，是康普顿散射的低能近似( 如图2 1 1 所示) 。当一束平面 电磁波入射到等离子体中时，散射介质荧散射体积内所有的电子，因此散射电磁 波为各运动自由电子散射波的相干叠加，其光谱必然与等离子体内电子的运动状 态有关系。正是由于这个原因，t h o m s o n 散射技术才成力诊断等离子体状态参数 及其内部的集体运动的有力手段。 图2 。l 。1t h o m s o n 散射过程示意图 其中，蓝色为电予，绿色为探针竞，黄色为散射光 单丛岁一p , k e a 等离子体帆撕散射诊断系统设计与研究 2 。2t h o m s o n 散射诊断的基本理论 2 2 1 动力学形状因子 利用经典电动力学的计算方法可以非常清楚地分析t h o m s o n 散射的物理过 程 5 4 , 5 5 。在解析过程中，我们需要几个基本的假设。首先，假定等离子体是无限 大均匀且各向同性的，不考虑等离子体的几何位形：其次，假定电子的初始速度 碗很小，且由于等离子体密度涨落产生的自生场的影响也可以忽略不计，它们的 影响只体现在相位计算上；再次，假定等离子体内电子的运动是非相对论的，即 也c l ，因此电子在电磁波场中运动所受到的磁场力可以忽略不计；最后，还 假定电子在电磁波场内振荡的振幅远小于入射电磁波波长，这样可以使用偶极近 似进行计算。首先我们先写出单个电子在电磁波场作用下的辐射，矢量示意如图 2 2 1 1 所示。 d e t e c t o r e = c o s k o + 弓( f ) 一订 ( 2 2 1 1 ) 其中，毛= 堕磊是入射波矢，而为入射方向单位矢量。在该电场作用下，易得电 c 子得运动方程 芦= 一扇c o s 眩删一o o t 他 。 ( 2 2 1 2 ) 该散射可以分为康普顿散射、t h o m s o n 散射和瑞利敌射当光子能量与自由屯子静止能量之间满足 1 3 办d m e c 2 ，就是康普顿散射；当h u 肌。c 2 时就是1 1 1 0 m s o n 散射。瑞利散射的散射介质为束 缚电子 扩雾 中国科学技术大学硕士论文 由此式我们可以清楚得看到，电子的加速度对时间的依赖关系不仅显式通过相因 子嘞f ，而且隐式通过弓( ，) ，因此，这个加速度的傅立叶频谱分析结果，除了入 射波频率，也将包含电子在不存在电磁场作用的特征运动频率。这就是 t h o m s o n 散射可以用于诊断等离子体的物理原因【1 4 】。 运动电荷产生的电磁场的矢势j ( 豆，) 与标势( j ，t ) ，可以用著名的勒纳德 威谢尔势( l e n a r d w i e c h e r tp o t e n t i a l s18 9 8 ) 表示 a 一( r 力一阿祸 渊 矽( j i ) = 一f f 二；石丐= j i 蒜 ( 2 2 1 4 ) 其中，f = t - k - 尹( t ) i 卢是推迟时间。辐射场的电场和磁场定义分别为 e 一( r 力叫丢詈 b ( r ，f ) = v a ( 2 2 1 5 ) ( 2 2 1 6 ) 将式( 2 2 1 5 ) 、( 2 2 1 6 ) 代入式( 2 2 1 3 ) 、( 2 2 。1 4 ) 可以准确求得电场亏( 更，t ) 和磁场 b 一( r 一，f ) 的表达式，但我们一般采用近似求解，就是利用远场近似引 ) 时，散射差矢的大小可以近似写作 k = 2 s i n ( a 2 ) 图2 2 1 2 散射差矢示意 对于散射体积内个电子，总的散射波场是各电子贡献之和 眦力= 丢c 警奢毗”争吲 ( 2 2 1 1 2 ， 式( 2 2 1 1 2 ) 表示散射体积内所有电子的散射波磁场强度，重复上述计算，将电子 质量他换作离子质量，就可以得到离子的散射波磁场强度。可以看出，散射 波的幅度与带电粒子的质量成反比。因此，与电子相比，离子的t h o m s o n 散射 波贡献总是可以忽略不计的。 在远场区，散射波的电场强度雷( 尼f ) 总可用磁场强度雪( j ，) 近似地表示为， 中国科学技术大学硕士论文 豆：b x - r ( 2 2 1 1 3 ) r 、 因此散射波的能流密度( p o y n t i n g 矢量) 为 瑜，= 丢伽= 等要 ( 2 2 1 1 4 ) 到达探测器表面的平均功率，= 户疠= 励2 d q ，其中凼为探测器面积，d q 为其所张立体角。在实际理论研究过程中，我们更关心散射波的平均功率在频域 上的分布，即散射功率谱。由傅立叶变换的p a r s e v a l 定理( 可以理解为能量守恒 定理) ji 云( 辰，) 1 2 西= - 三。! f l a ( 豆，缈) 1 2 d 缈 ( 2 2 1 1 5 ) 我们可以散射功率谱l ( k ，缈) 与磁感应强度的自相关函数傅立叶变换有如下关系 ，( l r o ) = 去p 栅石c 后( 辰，f ) 豆( 豆，t + r ) r 2 d q( 2 2 1 1 6 ) 这里横线表示对时间t 的平均，或与之等价的系综平均。则由统计定态系统的时 间平移不变性可得到 b ( r ，t ) b ( r ，t + f ) = b ( r ，t ) b ( r ，t + f )( 2 2 1 1 7 ) 因此自相关函数只是变量f 的函数。再由 b 一( r 一，) 豆( 天，+ f ) = b 一( r 一，t f ) 雪( j i ，f )( 2 2 1 1 8 ) 我们知道自相关函数是变量f 的偶函数。最后将式( 2 2 1 1 2 ) 代入式( 2 2 1 1 6 ) ，就 有 觚cl ( 斜e 2 ( 华) 2 去p 栅 艺c 。s 石。亏( r ) 一， c 。s 石弓o + f ) 一绋( ，+ 彳) p q 1 = i 单丝多一刀“等离子体力墩射诊断系统设计与唧究 = n i o r 孑s i n 2p s f f ，o , ) d n( 2 2 1 1 9 ) 其中是厶= 嘏8 万入射电磁波的平均强度，= p 2m e c 2 是电子的经典半径，是 散射方向与极化方向的夹角，s ( 石，缈) 就是所谓的动力学形状因子，其表达式为： s ( 石，o ) = 嘉! 航砌7 j 兰, l = l c o s 砘吲 c o s 阶( ) 一( m ) ( 2 2 2 。) 由方程( 2 2 1 2 0 ) 删i i 道，实验中测量到的散射光强度，正比于散射体积内 电子数札和入射光强度厶，同时与动力学形状因子s ( ，缈) 及散射立体角d q 有 关系，因此，其他条件已知的情况下，t h o m s o n 散射可以测量散射体积内的总电 子数。我还们会发现十分重要的一点，散射光与频谱有关的所有信息都集中在动 力学形状因子里，所以对散射频谱的研究就归结为对动力学形状因子的研究。然 而，方程( 2 2 1 2 0 ) 给出的动力学形状因子s ( 石，缈) 要求我们必须知道每个电子的 运动轨道，事实上这是不可能的。我们需要具有明显物理意义且宏观上可测的动 力学形状因子s f 石，0 3 ) 的一般形式。 2 2 2 等离子体密度涨落的计算 电子密度的涨落8 n f f ，f ) 在宏观上可以理解为个体电子空间位置尹( f ) 的改 变，而从方程( 2 2 1 2 0 ) 可矢n ，动力学形状因子s ( 云，缈) 与芦( f ) 有关，因此动力学 形状因子s ( 石，缈) 和电子密度的涨落砌( f ，f ) 密切相关。经积化和差运算化简，消 去了时间平均等于零的含2 c o o t 项，有 s ( 跏) = 嘉弘砌7 j 兰, l - ic o s m 弓( ) 剥 唧) ( 2 2 2 t ) 单个电子的运动引起的密度涨落可表示为 6 门( 即) = 芝缸尹一弓( f ) - n 户l 经拉普拉斯变换得到 ( 2 2 2 2 ) 中国斜学技术大学硕士论文 艿玎( 叫：羔e x p 磊弓( f ) 2 丌万( 石) ( 2 2 2 3 ) 暑l 当我们不考虑七= 0 的情况时，为得到方程( 2 2 2 2 0 ) 的余弦项，可构造如下表达 式 翻( 叫砌( 云，+ f ) e w ：妻e x p 一面弓( r + f ) 一砘一口 ，= l = e “c o s 石 弓( m ) 一亏) - 吼 j , l f f i l 。 嚷s i n 眦弓( m ) 一亏( ，) 一叫 ( 2 2 2 4 ) f 。，= l 。 这里符号表示复共轭。对于统计定态系统，容易证明上式右边虚部经时间平均 后为零。将( 2 2 2 1 ) 式和( 2 2 2 4 ) 式比较，就可以得到动力学形状因子s ( 石，国) 与 电子密度的涨落砌( 尹，f ) 的关系式 帆) = 上d r n ! d r e 一扣一p 万刀( 石，f ) 万甩( 云，f + 彳) ( 2 2 2 5 ) 由此可知，动力学形状因子s ( 石，缈) 只依赖于散射差频彩一。在通常的计算中， 我们总是将散射差频记为缈。到这里，我们可以非常清楚的看到，动力学形状因 子s ( 石，缈) 就是电子密度涨落砌( 石，f ) 自相关函数的谱密度瞰1 ，即 邓叫= 挑 仁2 2 。 其中和是所取平均的时间和体积，是电子密度。 利用等离子体动理学计算密度涨落的物理模型就是穿衣粒子模型：假定电子 与离子的速度分布函数z ( 芦，矿) 、z ( 尹，哥) 都是与时间无关的，一个质量为m ， 电量为q 的试探粒子，注入等离子体的初始速度为瑶，计算的基本方程是弗拉索 单丝乡磊么等离子体螂蛳散射诊断系统设计与研究 夫( v l a s o v ) 方程与泊松( p o i s s o n ) 方程， 哥一吒) 可z ( 尹，哥) 一：昙豆( 尹f ) v y z ( 尹，矿) = 。 ( 2 2 2 7 ) 卜时( 秘) 一音即，f ) v 鹏咖o v 豆( 尹，) = 4 万p 劭( 尹，r ) 一z ( 芦，f ) ) 布+ 4 刀口万 尹一( 昂+ 吒，) ( 2 2 2 8 ) 令电场强度丘( 芦，f ) = - v 矽( e ，) ，速度分布函数取到一级近似，零级近似位置无关， 一级近似比零级近