（等离子体物理专业论文）激光等离子体中相干thomson散射的实验研究.pdf

摘要 激光等离子体，在惯性约束聚变( i c f ) 、x - 射线激光以及粒子加速器等方面的研究 中都有重要的意义柞为诊断手段，t h o m s o n 散射能够以高时空分辨精确地测量激光等 离子体中的各个参数：为校验激光聚变模拟程序提供可靠的实验数据；而且它还能够测 量等离子体中的密度涨落的频谱和波数谱，是研究激光等离子体中的各种参量不稳定性 的强大工具经过多年的发展，t h o m s o n 散射已经成为国慝；上激光等离子体领域的一种 重要诊断方式然而，国内在利用t h o m s o n 散射研究激光等离子体参数以及物理过程方 面，基本上还处于空白歹本论文中，作者在国内首次利用担王坠2 巴! ! 呈魁，比较系统 地测量了激光产生的a 曼和堂妻灌黜的查錾及其堕窒菱啦 陕验是在中国工程物理研究院的“星光”激光装置上进行的等离子体由波长为 3 5 1 面的泵浦激光束垂直照射盘靶产生，泵浦激光束通过蝇眼透镜阵列进行光束匀猾， 匀滑后的激光在靶面的最大功率密度为1 6x1 0 “w c m 2 所用靶型主要有a u 盘靶、 灿盘靶、c h 薄膜靶和埋点靶几种探针激光束的波长为5 2 6 5 r i m ，平行靶面地入射 等离子体，功率密度在1 2 1 0 墙w c m 2 之间，其相对于的主束延迟时间为2 5 0 p s 或 4 5 0 p s 为获得最大的散射光强度，探针光的偏振方向与散射方向垂直散射光由f 5 的 反射式成象系统收集，然后成象到一台焦长为7 5 0 r a m 的c z e r n y - t u r n e r 型光栅光谱仪的 狭缝上，散射光谱由条纹相机作时间扫描测量，最后由一台电荷偶合器件( c c d ) 记录 实验中散射体积的大小约为1 2 0 芦m 2 5 肛n 3 3 肛m ，轴向空间分辨约为2 8 # m ，径向空 间分辨约为3 6 # m 获得的最佳谱分辨为o 0 2 5 r i m ，时间分辨为l o o p s 卜一y 一 通过实验数据分析，本论文得到以下主要结论： 1 多数情况下，t h o m s o n 散射光谱为双峰，分别对应于沿散射差矢同向和反向方 向传播的热涨落离子声波队u 等离子体散射条纹图和m 等离子体散射条纹图的一个显 著差别是：a u 等离子体的双蜂间距随时间迅速减少，而m 等离子体的双峰间距随时间 缓慢变化这可能是由于a u 等离子体( 高z ) 的辐射过程对等离子体的冷却效应要明显 强于a j 等离子体造成的厂1 2 利用单离子成分、无碰撞、非磁化准平衡态等离子体的动力学形状因子对散射光 谱进行拟合，发现一部分a u 等离子体的t h o m s o n 散射光谱可以通过该方式很好地拟 合，而部分a u 等离子体的散射光谱和几乎所有a l 等离子体的散射光谱均不毹如此很好 地拟合f 经过分析发现，电子温度梯度和漂移速度梯度( 包括电子漂移速度和离子漂移速 度) 都会硬t h o m s o n 散射散射光谱发生展宽；当二者的影响都很显著时，散射光谱将出 现强度弱的峰比强度强的峰宽的现象电子密度梯度只有与其它梯度共同作用时，才能 使散射光谱发生显著展宽，其作用结果主要在于改变每个峰的对称性等离子体不均匀 性将影响各等离子体参数的拟合值在本实验中，温度梯度和密度梯度几乎对光谱没有 影响，光谱的展宽主要由散射体积内漂移速度的不均匀性引起p 、 r v i i i中国科学技术大学硕士学位论文2 0 0 1 年 3 双峰强度具有不对称性越是由于电子和离子的相对漂移导致的两个方向传播的 离子声波具有不同的l a n d a u 阻尼率引起的实验中大部分光谱显示；当散射光谱整体 红移时，兰移峰强度高于红移峰强度；当散射光谱整体兰移时，兰移峰强度低于红移峰 强度；而当散射光谱没有明显的整体移动时，双峰的强度相当在不考虑梯度效应的情 况下定性分析和拟合分析表明，等离子体在膨胀过程中，径向的离子漂移速度绝对值大 于电- $ - l 桑移速度由于电子漂移速度的拟合值对等离子体梯度很敏感，考虑梯度效应后 也许会得到不同的结论然而当前对梯度特征尺度信息的欠缺使进一步的定量分析变得 时，z 五的值在2 0 k e v 上下实验结果与国外所给出的a u 等离子体冕区温度的定标规 律值有较大的差别在两种激光强度下，z 疋沿轴向的变化趋势有着显著的差别，对前 者巩基本上随轴向距离的增加保持等温趋势，而后者z 正随轴向距离的增加而减少 我们分别利用非局域吸收的自相似模型和稳态模型对这一不同趋势进行了分析，得到比 较自 子体 洽的解释，认为其中变化趋势的差别主要来自于等离子体对入射激光的吸收与等离 内的热传导的竞争打。 5 测量了a 1 激光离子体的电子温度沿轴向的时空演化硅两种激光强度下，a 1 子体的电子温度随时空的变化都比较缓慢利用与a u 等离子体分析中相同的模型 对实验结果进行解释，发现激光强度为1 4 1 0 h w c m 2 时，自相似模型可以定性地解 释实验结果；而对于6 5x1 0 1 3 w c m 2 ，绝热近似的稳态模型温度随空间变化的趋势不 太自洽这可能与分析中使用的等温膨胀与绝热膨胀判据的局限性有关卜、一 6 首次在激光产生的等离子体中观测到理论所预言的在强碰撞等离子体中存在的熵 波缸是通过在低强度激光照射m 盘靶形成的低温、高密等离子体( 七a o 0 5 ) 中，排 除了杂散光对熵波的影响后实现的当激光能量大于5 0 j 时，没有观察到熵波的出现 这可能是由于较高的激光强度产生较高的离子温度熵波的阻尼率增大，因而熵波更不 容易出现在高z 材料产生的等离子体中，也没有观测到如低z 材料等离子体中出现的 熵波，这是可能由于随着z 疋冠的增加，熵波共振峰的强度与离子声共振峰的强度比迅 速减小导致的采用郑坚等人的理论对实验结果进行拟合，发现理论光谱与实验数据在 定性上相符，但理论预言的熵波强度比实验溺量得到的熵波强度低很多，这可能与该理 论不能适用于强离子耦合的等离子体有关厂7 7 首次进行了埋点靶产生的激光等离子体内的t h o m s o n 散射实验，通过与c h 等 离子体的散射条纹图比较发现，c h 等离子体散射光谱的双峰间距随时间缓慢变化而埋 点靶光谱的双峰间距随着时间较快地衰减限定性上对这一现象进行了分析，认为这是 由于a u 等离子体膨胀到散射体积内以后，由于高z 物质的辐射损失加大，等离子体快 、 速冷却所致 a b s t r a c t t h ef i e l do fl a s e r - p r o d u c e dp l a s m a si 8 矗c hi nd i v e r s ea p p l i c a t i o n s s u c ha si n e r t i a l c o n f i n e m e n t f u s i o n ( i c f ) ，x - r a y l a s e r s ，p l a s m a a c c e l e r a t o r s a n d p l a s m a p r o c e s s i n g d e t a i l c h a r a c t e r i z a t i o no f p l a s m ap a r a m e t e r sa r en e c e s s a r i l yr e q u i r e df o ru n d e r s t a n d i n g t h el a s e r p l a s m ai n t e r a c t i o n s ，a n db e n c h m a r k i n gh y d r o d y n a m i cs i m u l a t i o n sa n do t h e r s t h o m s o n s c a t t e r i n g ( t s ) c a np l a y s u c ha k e yr o l e i nt h i sf i e l db e c a u s ei tc a np r o v i d e h i g h l yr e l i a b l e t i m e - a n ds p a c e - r e s o l v e dm e a s u r e m e n t so fp l a s m ap a r a m e t e r s i nt h i st h e s i s ，c o h e r e n t t h o m s o n s c a t t e r i n gw a ss u c c e s s f u l l yp e r f o r m e d t om e a s u r ep a r a m e t e r so f l a s e r - p r o d u c e d p l a s m a s t h ee x p e r i m e n tw a sp e r f o r m e do nt h ex i n g g u a n g l a s e rf a c i l i t ya ti n s t i t u t eo f n u c l e a rp h y s i c sa n dc h e m i s t r y t h ep l a s m aw a sp r o d u c e db y i r r a d i a t i n ga f l a td i s kw i t h 3 5 1 r i m ( 孙) s m o o t h e dl a s e rl i g h to fi n t e n s i t yu pt o1 6 1 0 h w c m 2 ag a n s s i a nl a s e r p u l s ew i t h d u r a t i o no f8 0 0 - 9 0 0p sw a su s e da n dt h em a t e r i a lo ft h ed i s ki n c l u d e da u ，a 1 ， a n d p l a s t i cf c h ) 5 2 6 5 n mt s w a s p e r f o r m e da tv a r i o u sd i s t a n c e sf r o m t h es u r f a c eo ft h e d i s k ，w h i c hi n t e n s i t yw a sa m o n gl 一2 1 0 1 3 w c i n 2 i nc o m p a r i s o n w i t ht h ep u m p b e a m ， t h e r ei sad e l a yo f2 5 0 p so r4 5 0 p sf o rt h ep r o b eb e a mt oa r r i v ea tt h et a r g e ts u r f a c e t h e p o l a r i z a t i o no ft h ep r o b eb e a m w a sc a r e f u l l ya d j u s t e dt ob ea l o n gt h et a r g e tn o r m a lt o m a x i m i z et h ei n t e n s i t yo ft h es c a t t e r e dl i g h t t h es c a t t e r e dl i g h tw a sc o l l e c t e dw i t ha f si m a g i n go p t i c sa tas c a t t e r i n ga n g l eo f 以= 6 0 。，a n dt h e ni m a g e d o n t ot h ee n t r a n c e s h to fa7 5c m c z e r n y - t u r n e rs p e c t r o m e t e r t i m e - r e s o l v e ds p e c t r aw e r ed e t e c t e dw i t ha n o p t i c a ls t r e a kc a m e r aa n dr e c o r d e dw j t hac h a r g e - c o u p l e d - d e v i c ef c c d ) t h er e s o l u t i o n s o f w a v e l e l g t ha n dt i m ew e r ea b o u t 0 3aa n d1 0 0p s ，r e s p e c t i v e l y t h es c a t t e r i n gv o l u m e w a s1 2 0 2 5 3 3 脚3 ，a n dt h e s p a t i a lr 嘧o l u t s o na l o n g t h ea x i sa n dt h er a d i u sw e r e2 8 p z n a n d 3 6 n n ，r e s p e c t i v e l y t h em a i nc o n c l u s i o n so ft h ee x p e r i m e n ta r ep r e s e n t e di nt h ef o l l o w s ： 1 t w os p e c t r a lf e a t u r e sw e r ef o u n di nm o s tt s s p e c t r a ，c o r r e s p o n d i n gt w oc o u n t e r - t r a v e l l i n gi o na c o u s t i cw a v e sw i t hr e s p e c tt ot h es c a t t e r i n gv e c t o r f o ra up l a s m a s t h e w a v e l e n g t hs e p e r a t i o nb e t w e e nt h et w op e a k s d e c r e a s e dr a p i d l ya st i m ed e v e l o p e d ，w h i l e i ta l m o s tk e p tc o n s t a n tf o ra 1p l a s m a s t h i sf a c tm a yb e a s c r i b e dt ot h a tt h ec o o l i n gr a t e d u et or a d i a t i v el o s sa n de x p a n s i o ni sm o r er a p i df o ra u p l a s m a ( h i # z ) t h a na 1p l a s m a ( 1 0 wz ) 2 s o m et ss p e c t r ao fa up l a m s ac a nb ew e l lf i t t e dw i t ht h et h e o r e t i c a ls p e c t r a b a s e do ut h em o d e li nw h i c ht h ep l a s m a si sa s s u m e du n m a g n e t i z e d ，n o n - c o l l i s i o n a la n d i nq u a s i e q u i l i b r i u ms t a t e h o w e v e r m a n ys p e c t r ao f fa up l a 8 m aa n dn e a r l ya 】lt h o s e x 中国科学技术大学硕士学位论文2 0 0 1 年 o f fa 1p l a s m ac a nn o tb ew e l lf i t t e d p l a s m ag r a d i e n t sw e r ei n c l u d e dt o e x p l a i nt h i s p h e n o m e n o n t a k i n g a c c o u n to f p l a s m a si n h o m o g e n e i t y , i t i sf o u n dt h a tt h et e m p e r a t u r e a n dt h ed r i f tv e l o c i t yg r a d i e n t sc a nb r o a d e nt h ei o n - a c o u s t i cf e a t u r e 3 t h e a s y m m e t r yb e t w e e nt h et w o i o n - a c o u s t i c p e a k s w a so b s e r v e da n dw a sa s c r i b e d t ot h er e l a t i v ed r i f tb e t w e e ne l e c t r o n sa n di o n s t h er a t i oo ft h eb l u ep e a ka n dt h er e d p e a ki sf o u n dt ob eg r e a t e r l e s st h a no re q u a lt o1 a st h ew h o l e s p e c t r u mi sr e d b l u e - s h i f t e do rn o n - s h i f t e d i n f e r r e dp a r a m e t e r sf r o mt h es c a t t e r i n gs p e c t r ai n d i c a t e dt h a tt h e r a d i a ld r i f tv e l o c i t yo fi o n si sl a r g e rt h a nt h a to fe l e c t r o n s 4 t h e s p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o n so fz 正a l o n g t h ep l a s m aa x i sf o ra u p l a s m a w e r eo b t a i n e d ，w h o s ev a l u ew a s2 0 - 3 0k e va n da r o u n d2 0k e v ，r e s p e c t i v e l y , f o rt h ep u m p i n t e n s i t yo f1 4 1 0 1 4w c m 2a n d6 5 1 0 1 3w c m 2i nt h eh e a t i n gp h a s e i ti ss h o w n t h a tz 正k e e p sn e a r l yc o n s t a n ta l o n gt h ea x i sa si = 1 4 1 0 “w c m 2 ，b u td e c r e a s e a l o n gt h ea x i sa si = 6 5 1 0 “w c m 2 t h e s ec a l lb ew e l lu n d e r s t o o dw i t ht h eh e l p o ft w on o n - l o c a l i z e da b s o r p t i o nm o d e l s ，i e ，s e l f - s i m i l a rm o d e la n ds t e a d y - s t a t em o d e l ， r e s p e c t i v e l y 5 t h es p a t i a la n dt e m p o r a lv a r i a t i o n so f 疋a l o n gt h ea x i sf o ra 1 p l a s m aw e r e a l s o o b t a i n e d t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r eo fa lp l a s m av a r i e ds l o w l yw i t ht i m ea n d s p a c e i ti s f o u n dt h ev a r i a t i o n so fe l e c t r o nt e m p e r a t u r eo fa 1 p l a i u s ap r o d u c e db y1 4 1 0 1 4w c m 2 l a s e rc a nb eq u a l l t a t i v e l ye x p l a i n e db ys e l f - s i m i l a rm o d e l ，w h i l es t e a d - s t a t em o d e li sn o l o n g e rh e l p f u li nu n d e r s t a n d i n gt h es i t u a t i o ni nt h ec a s eo fi = 6 5x1 0 1 3w c m 2 t h i s i sa s c r i b e dt ot h el i m i t a t i o no ft h ec r i t e r i o no ft h e r m a le x p a n s i o n 6 e n t r o p yw a v ew a so b s e r v e di nl a s e r - p r o d u c e da 1p l a s m a t h i si s f u l f i l l e d b y d o p p l e r - s h i f t i n gt h es p e c t r u mt oa v o i dt h ec o n t a m i n a t i o n o ft h es t r a yt i g h ta n d p r o d u c - i n g i o n - c o l l i s i o n a lp l a s m aw i t hl o wi n t e n s i t yl a s e ri r r a d i a t i n ga ld i s k ( 七a “ 一0 0 5 ) w h e n p u m pb e a me n e r g ye x c e e d5 0 j ，n oe n t r o p yf e a t u r e sw e r eo b s e r v e d a l s o ，t h o m s o ns c a t t e x i n g o f f e n t r o p yw a v e s w e r en o to b s e r v e di nl a s e r - p r o d u c e dg o l dp l a s m a c o m p a r i n gt h e e x p e r i m e n t a ls p e c t r u mt ot h et h e o r e t i c a lo n e ，i ti sf o u n dt h a tt h ee n t r o p yf e a t u r ec a nn o t b ef i t t e dw i t ht h et h e o r e t i c a ls p e c t r u m i ti ss u g g e s t e dt h a tt h ef o k k e r - p l a n c ke q u a t i o n m a y b r e a kd o w nb e c a u s eo ft h es t r o n gc o u p l i n gb e t w e e nt h ei o n s 文章发表情况 本人在攻读硕士学位期间在期刊上发表或已接收的文章情况如下： 1 b a lb o ，z h e n gj i a n ，y uc h a n g x u a n ，l i u w a n d o n g ，j i a n gx i a o h u a ，y u a nx i a o d o n g ， z h e n gz h i j i a n ，x ub i n g ，x i a n gy o n g ，z h a oc h u n z h u o ，c o l l e c t i v et h o m s o n s c a t t e r - i n gf r o ml a s e r - p r o d u c e dp l a s m a s ”，c h i n e s ep h y s i c sl e t t e r s1 8 ( 7 ) ，9 3 6 ( 2 0 0 1 ) 2 白波，郑坚，蒋小华，袁晓东，郑志坚，俞昌旋，刘万东，徐冰，向勇，赵春茁，刘 永刚，陈铭，4 激光等离子体中相干t h o m s o n 散射的实验研究”，强激光与粒子束 1 2 ( 6 ) ，7 1 5 ( 2 0 0 0 ) 3 白波，郑坚，刘万东，俞昌旋，蒋小华，刘慎业，郑志坚，。1 0 5 3 # m 激光打靶产 生的二次谐波”，物理学报5 0 ( 4 ) ，7 2 6 ( 2 0 0 1 ) 4 白波，郑坚，刘万东，俞昌旋，蒋小华，熟慎业。郑志坚，。束匀滑激光照射下等离 子体二次谐波特性研究”，强激光与粒子柬1 2 ( 4 ) ，4 5 1 ( 2 0 0 0 ) 5 z h e n gj i a n ，b a ib o ，l i uw a n d o n g ，y uc h a n g x u a n ，j i a n gx i a o h u a ，y u a nx i a o d o n g ， l j w e n h o n g , a n dz h e n gz h j j i a n ”o b s e r v a t i o no ft h o m s o ns c a t t e r i n go f fe n t r o p y w r v e si nal a s e r - p r o d u c e dp l a s m a s ，a c c e p t e db yc h i n p h y s l e t t 6 j i a nz h e n g ，b ob a l ，a n dc h a n g x u a ny u ，”e i g e n v a l u es o l u t i o nf o rt h ee l e c t r o n c o l l i s i o n a le f f e c to ni o n a c o u s t i ca n d e n t r o p yw a v e s ”，a c c e p t e db ys c i e n c ei nc h i n a 7 g ez h u a n g ，w a n d o n gl i u ，c h a n g x u a ny u ，j i a nz h e n g ，c h e n g j i a n gf u ，j i n l i nx i e ，k a i z h a o ，b ob a j ，x i a o p i n gl i a n g ，s h u j u nz h a o ，a n dj ic h i ，”i n s t a n t a n e o u ss p h e r i c a l e l e c t r o nf o c u s i n gi nap e n n i n g t r a p ”，p h y s p l a s m a s7 ( g o ) ，5 ( 2 0 0 0 ) 8 z h u a n gg e ，l i uw a n d o n g ，z h e n gj i a n ，f uc h e n g j i a n g ，b a ib oc h ij i ， z h a ok a i ，x i ej i n - f i n ，l i a n gx i a o - - p i n g ，a n dy u c h a n g x u a n ，”an o n n e u t r a l p l a s m a d e v i c e ：e l e c t r o nb e a mp e n n i n g t r a p ”，p l a s m as c i t e c h 1 ，3 3 ( 1 9 9 9 ) 9 刘万东，庄革，付成江，白波，迟霁，赵凯，郑坚，俞昌旋，”电子束潘宁阱非中性 等离子体装置中聚心电子约束实验”，核聚变与等离子体物理，2 0 ( 1 ) ，2 5 ( 2 0 0 0 ) 1 l 致谢 本论文是在刘万东教授、郑志坚研究员和郑坚副教授三位导师的指导下完成的刘 万东老师和郑志坚老师不仅承担着繁重的科研任务而且还担负着许多行政事务尽管这 样，两位导师还是在百忙之中抽出许多宝贵的时间给予我大量的具体指导，帮助我解决 在论文进行中所遇到的种种困难正是在两位老师的悉心指导下，我才能够比较迅速地 进入这领域此外，两位导师渊博的专业知识，严谨的工作作风，为事业献身的精神， 以及各种言传身教，都使本人受益压浅 特别感谢郑坚老师从选题、开题论证、实验方案设计、实验付诸实旅、实验结果分 析，郑坚老师自始至终，以其热情执着的工作态度和严谨求实的治学精神，给予作者悉 心指导，并为此付出了大量心血和劳动论文初稿完成后，郑坚老师还逐字逐句地进行 了修改，在此向郑坚老师致以诚挚的谢意 作者在论文期间得到九院八所许多同志的大力帮助首先要感谢蒋小华副研究员和 刘慎业研究员，他们的无私帮助和密切配合使实验得以顺利开展李正宏副研究员和李 文洪副研究员在光学诊断方面给予作者许多指教和帮助，使作者得以迅速掌握有关实验 技能感谢八所一都的领导张保汉研究员、丁永坤研究员在工作方面给予的指导和关怀， 他们的支持是本论文得以完成的保障之一感谢刘忠礼研究员、唐道源研究员、冯杰研 究员、成金秀研究员、江少恩研究员和陈家斌副研究员的指教感谢荆永刚、张海英、陈 铭、胡昕、于燕宁、于瑞珍、陈久森等同志在实验中给予的帮助 作者特别要感谢“星光”运行组的全体成员，没有他们极其艰辛的劳动，本论文 的完成几乎是不可能的感谢袁晓东研究员对论文工作的全力支持和对作者生活方面给 予的帮助感谢徐冰、赵春茁、邓武、向勇、曾小明和唐军在实验中的密切配合和在光路 调节方面无私传授的许多宝贵经验感谢张建波、陈远斌、王一菲、李东梅、王晓东等同 志的辛勤工作，没有他们保障装置的正常运行，本论文的完成同样是困难的 感谢俞昌旋教授在实验工作和数据分析中提出的许多卓越建议，以及他对作者前途 给予的建议和帮助感谢同一实验室的庄革、谢锦林、赵凯、欧阳亮、于治、王哲斌、刘 占军、王毅、周静等同学，同他们在一起的时光是令人愉快的 感谢张文椽、迟霁夫妇、胡泊、邵辉、季勇军、吕露、涂俊、徐哲等朋友，他们的鼓 励和安慰给作者极大的支持 特别向我的家人致以真挚的谢意感谢父母对我多年的养育之恩，那是我永远难以 报答的感谢弟弟白杨，他带给我许多的欢笑和希望 最后，作者要感谢那不可知的命运，正是它奇妙的安排使作者发现了自己的兴趣所 在，并在对此的追求中体验到作为人的渺小然而充实的存在意义 i i i 一- _ 一一一一_ 一_ 第一章引言 1 1 聚变一能源危机的最终解决途径 当人类可以利用的能源资源不再能满足人类的能源消费时，能源危机就出现了 产业革命的成果使我们生活在一个幸福的现代社会，这种幸福的代价却是为它可能 存在的丧失而担忧日益枯竭的可用能源为幸福的太平盛世笼罩上一层不协调的异类阴 影现代生活建立在千百万年前太阳通过古生物遗留在地球深处的化石能源一煤、石油 和天然气上千百万年前的阳光通过种种能源消耗方式流荡在我们的生活中遗憾的是当 年的太阳没有预料到千百万年后的这群生物能够在年里消耗掉它数万年的辛勤劳作 储量勘测表明，以我们现在的能源消耗速度，煤在2 5 0 年内，石油在5 0 年内将桔竭出 于对这种不可再生资源逐渐减少的恐惧，人类把眼光投向太阳能、风能、水力能等可再 生资源人们在这方面取得了一定的进展，如太阳能电池、太阳能汽车、风力水力发电 等，然而这种进展却加深了他们的恐惧可开发的风力、水力资源毕竟有限，太阳熊的 利用成本低价格高，因而化石能源结束后的后化石能源时代，风力、水力、太阳能远远 满足不了人类幸福持续对能源的需求丰富廉价能源的缺乏，未来幸福的丧失，末日预 言的迫近，恐慌在他们中间出现了 爱因斯坦的质能方程给这种阴影带来一丝曙光，这丝曙光首先照亮了日本广岛和长 崎，人们在阵痛中看到原子核可能提供给我们的丰富核能资源二十世纪七十年代以来， 人们开始大规模利用裂变原理建造大型核电站，使原子核的裂变能开始走向救世主的舞 台然而伪劣的, & - i t 主终于在半途显示出了它真正的身份现在的裂变核电站广泛使用 【，2 3 5 作燃料，这种材料天然贮量极其稀少，技术上获得这种铀的同位紊既困难又昂贵， 确实不能认为是无限供给的；其次，裂变电站产生大量放射性废料，对环境、人类健康会 造成严重威胁后一点也是最关键的一点，万一电站失控，可能造成灾难性后果， 1 9 8 5 年前苏联切尔诺贝利核电站就是一个典型例子因此，裂变电站难以大规模生产人类社 会生产、生活追切需要的电力这种能源不是后化石能源时代的救世主，而只能是先知 中的个 释放核能的另外一种方式是聚变反应和裂变能一样，它的成功实现最开始也是轰 轰烈烈的氢弹的爆炸，使人们开始把可控核聚变作为拯救世界脱离能源危机的真正救 世主这种认识是有道理的：聚变反应的原材辩氘的天然贮量极其丰富，海水中氘氨原 子效之比为o 0 0 0 1 5 ，按质量计算，氘结成的重水大约是海水的六千分之一，每克氘经聚 变可以释放出2 9 6x1 0 1 0 j 的能量，约可发电一万度地球表面海水存量一1 0 1 8 吨，所 以海水中蕴藏的氘所能供给的聚变能量一1 0 2 4 度的数量级。按目前世界能源消耗速度计 算，估计可用几百亿年时间因此，聚变反应所能提供的能源几乎就是无限的，可控核 聚变的无限原料贮量和低污染使它当之无愧地成为解决能源危机的真正救世主 2 中国科学技术大学硕士学位论文2 0 0 1 年 1 2 聚变的途径 聚变反应的发生要求参与反应的两个原子核必须有足够的动能以克服库仑势垒聚 变产物的总静止质量小于原先两个反应核的总静止质量，反应释放的能量由爱因斯坦的 质能方程决定： e = 伽伊( 1 2 1 ) 其中e ，a m o 和c 分别是聚变释放的能量，质量亏损和光速聚变能与光速的平方成正 比，光速如此之大以致核反应中非常微小的质量差便会释放巨大的能量核聚变要求的 离子温度般在1 0 8 以上，在这一温度条件下物质内部原子外层的电子被剥离，形成 电子、离子的集合即等离子体要达到聚变点火条件，不仅需要等离子体具有足够高的 温度而且需要适当的离子密度维持一定的时间，这可通过劳森判据表示 1 ： 礼丁1 0 1 4 ( s c m 3 )( 1 2 2 ) n 是聚变等离子体的数密度，丁是约柬时间显然要实现聚变点火，一种方法是将等离 子体较长时间维持在中等密度，另一种是在较短时间内将离子数维持在一个相当高的密 度当今国际上就是采用这两条途径以达到劳森判据所要求的聚变点火条件，前者是磁 约束，后者是赁性约束 2 ，3 ，4 i 磁约束采用磁场约束等离子体，将其加热到足够的温度，并维持一定的时间在过 去半个世纪的研究中，人们在这方面取得了很大的进展，但是离实现持续聚变燃烧，输 出足够能量仍有较长的路要走这方面工作与本论文无关 惯性约束( i c f ) 采用粒子束或激光束直接照射装有d t 燃料的微球，或照射高z 材 料产生x 光，然后x 光照射d t 微球激光能量和粒子束的能量在极短的时间内沉积 在靶球上，外层物质受热迅速向外膨胀，由于动量守恒的要求，靶丸内的d t 燃料向内 压缩，形成高温高密度等离子体，达到劳森判据，发生聚变反应【4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1o 】 由于i c f 要求聚变靶丸在极短的时间内被压缩加热至高温( 几个k e v ) 高密度( 约 1 0 0 0 倍液态d t 燃料的密度) 。实现这样的内爆压缩需要功率极为强大的驱动源这样 的高功率驱动源只有在激光器被发明出来以后才成为现实的可髓在人类第一台激光器 问世后不久，n o b e l 奖金获得者，前苏联物理学家b a s o v 院士以及中国杰出的物理学 家王淦昌院士先后独立提出利用高功率激光器实现惯性约束聚变的设想，即激光聚变 三十多年过去了，实践证明这一设想是可行的这表现在各主要国家为实现i c f 所进行 的研究大多采用高功率铷玻璃激光器作为驱动源，如美国的n o v a 装置，日本的g e k k o x i 装置，中国的“星光。神光”装置等，而且各主要国家为实现点火将要建造的 下一代驱动器也以高功率激光器为主，如美国为实现点火将要建造的。国家点火装置” ( n i f ) ，中国的“神光”装置等等 毒 白波：激光等离子体中相干t h o m s o n 散射的实验研究 3 对强激光产生等离子体的诊断，是i c f 中的不可回避的重要领域它对于研究激光 等离子体相互作用、校验模拟程序进而指导驱动器和靶形的设计等方面都有重要意义 不仅如此，激光等离子体在x 射线激光、粒子加速器等方面都有应用，因此对激光等离 子体的诊断。不仅在i c f 领域而且在其它若干相关领域中都有重要作用在下一节里我 们将对激光等离子体诊断的作一个粗略的综述 1 3 激光等离子体诊断方法概述 1 3 1 激光等离子体诊断方法分类 理想的诊断方式是能够测量在等离子体中每种粒子的分布函数f i r ，v ，t ) 只要知道 分布函数，任何宏观量的时空演化性质都可以通过相应的物理量以分布函数为权重在速 度空间积分得到例如，温度这一宏观量是与相应粒子无规运动动能；m 矿这一微观量 相对应，因此我们可以通过计算积分i t ( x ，t ) = f ；m 泸，( x ，v ，t ) d s v 得到温度的时空特 性t ( x ，t ) 遗憾的是，这种诊断方式目前并不存在更为现实的是，我们只有针对我们 研究的具体问题，选择一种或多种诊断手段，并希望每一种手段所反应的等离子体信息 能帮助我们解决目标问题。 激光等离子体诊断可以分为以下三类 1 1 lt 自发辐射诊断，折射吸收诊断，和散 射诊断自发辐射诊断测量等离子体自己发射出的粒子或电磁波，因而只嚣要合适的探 测器而另外两类诊断方式需要探针( 大部分情况是光探针) 和探测器，通过探测器测量 探针经过与等离子体相互作用后的变化来了解等离子体的性质诊断方式的多样性来源 于理想诊断的不现实和目标问题的多样性，因而完全列举分别属于上三类的各诊断方式 是不可能的，我们将为上述三类各举几个激光等离子体中的典型范例，并将重点放在我 们论文的内容一激光等离子体中的散射诊断上 激光等离子体的独特性质限制了我们能够使用的诊断手段，这种性质主要有以下三 点：1 ) 激光等离子体是小尺度的，一般小于l m m 因而研究等离子体的空间特性时要 求诊断手段必须有亚毫米量级的分辨能力2 ) 聚变应用中，激光等离子体般由强脉冲 激光产生，脉冲宽度可以长达l o o n s ，也可短达1 0 0 f s 1 2 ，1 3 由这些激光脉冲产生的 等离子体在时间上是快发展的，需要测量时间特性的诊断方式必须有相应尺度的时间分 辨3 ) 激光等离子体涵盖比较广的电子密度和温度，如气体靶、固体靶和i c f 聚变球 靶产生的密度范围分别是1 0 ”一1 0 2 1 、1 0 1 。一1 0 2 s 和1 0 2 8 c i n - 3 量级，而温度范围更是 广至数电子伏到数千电子伏，因而优秀的诊断方式要能适用于大范围的密度和温度针 对激光等离子体这种独特性，在下面内容里给出诊断中般需要考虑的因素 在激光等离子体诊断中，必须考虑自生电场( e ) 和磁场( b ) 通过等离子体的基本 属性一准中性，我们可以比较容易理解激光等离子体中的自生电场：准中性要求激光等 4中国科学技术大学硕士学位论文 2 0 0 1 年 离子体可能出现的电流密度( j ) 满足： v - j = 0 电流密度可以通过广义欧姆定律与电场相关： j ：仃( e + 二b + 竺主v 礼。一土兰里) + 丁v 疋，( 1 3 2 1 c e r i ec e d e 、 其中口是电导率，v 是速度，7 _ 是等密度时热电系数，他，正和e 分别是电子密度，电 子温度和电子电荷j = o 满足方程( 1 3 1 ) ，将它代入方程( 1 3 2 ) ，忽略磁场项，我们得 到电场与电子温度和密度的关系因而若条件5 = 0 满足，电场由等离子体中电子密度 和温度的梯度产生激光等离子体中产生自生磁场的机制比较复杂 1 4 ，1 5 ，1 6 ，l7 简 单化考虑可以将方程( 1 3 2 ) 解出的电场代入m a x w e l l 方程a b 0 t = 一c v e ，可以得 到磁场的时间微分1 8 1 ：