（仪器科学与技术专业论文）用于激光等离子体x射线诊断的椭圆弯晶谱仪研究.pdf

中文摘要 摘要 在激光惯性约束核聚变( i c f ) 中，激光等离子体发射的x 射线谱中包含了 丰富的信息。在极紫外、x 射线发射激光、连续高阶谱产生中，激光作用的x 射 线谱研究是很重要的课题，其潜在运用是x 射线光源、逆光小球聚爆等。定量分 析千电子伏( k e v ) 范围x 射线光谱是用来获得电子温度、密度、离化态和等离 子体速度的信息，同样它的谱特征也用作其它用途。在惯性约束聚变中激光等离 子体发射的x 射线包含了大量信息。通过不同的晶体谱仪，可以获取离子温度、 密度的信息。为了获取这些有用的信息，基于椭圆几何学的原理，我们设计研制 了6 2 0 6 2 0 0c v 能区x 射线椭圆弯曲晶体谱仪。 椭圆晶体谱仪的光学系统设计利用了椭圆聚焦几何理论。其基本原理是从椭 圆的一个焦点射出的光线经糖圆西反射必会聚于另一焦点上，椭圆柱面的前焦点 上是射线源，晶体弯曲固定在一个椭圆基底上，其表面构成椭圆柱面，射线源发 出的x 射线经晶体衍射后会聚于后焦线上，后焦线处放置一狭缝，通过狭缝的射 线投射到探测面上被记录下来。 在本论文中我们介绍了用于在激光聚变实验室等离子体诊断的椭圆弯曲晶体 谱仪的理论分析，利用物理模型验算了弯曲晶体的衍射性质。并介绍了双通道椭 圆弯晶谱仪的光学系统的基本组成和特性参数。在椭圆弯晶分析器的参数选择及 制造工艺方面进行了探索性的研究。 论述了激光等离子体x 射线产生机理和x 射线晶体衍射的理论基础，通过应 用于x 射线诊断的平晶谱仪、凸晶谱仪和凹面弯晶谱仪的基本光学特性比较，给 出椭圆面弯晶谱仪的优点。分析了几种晶体特性参数对衍射质量的影响。论文介 绍了谱仪的结构设计基本组成。提出将上下两个通道的分光晶体作为整体进行调 整。通过两种瞄准对中方案的比较，得到更优的方案。从波长沿探测圆的弥散度、 光度参数d 3 d z 与散射角b 的关系、以及影响分辨率的谱线位置误差三个方面对影 响谱仪摄谱精度的因素进行了深入分析。 我们研制的椭圆弯晶谱仪装备在上海神光以及绵阳星光激光装置上。同光栅 谱仪相比较，晶体谱仪使用简单方便，有较高的收集效率以及较好的分辨能力。 在0 2 2 n m 谱范围内用不同的2 d 值晶体分析器来获取光谱信息，文中分析了椭 圆弯晶分析器的分光原理及系统设计方案。 在打靶实验前，利用谱仪自带真空系统对谱仪进行了真空实验，证明谱仪内 部真空度可以达到6 1 0 3 p a 的真空度。满足条纹相机的工作要求；利用模拟点光 源进行了谱仪的潜准对中实验，证明瞄准对中方案切实有效、方便快捷，达到靶 重庆大学博士学位论文 室的应用要求。 为了决定x 射线的产额，我们需要精确的测量各种源的x 射线产出量。光谱 的变化不仅仅是由靶的材料而且也与激光参数如波长、脉冲能量、聚焦特性等相 关。利用弯曲的k a p 、p e t 、l i f 、m i c a 晶体分析器，谱仪记录了相对激光中心 轴9 0 度和相对于靶4 5 度的光谱信息。普林斯登公司的v e r s a r r a y1 3 0 0 fc c d 被用 来作为高分辨的探测器，探测器采用前向照明的c c d 芯片，在探测的光谱范围内 具有很好的探测灵敏度。为获取这些范围光谱信息，c c d 直接存储的实验数据格 式可以马上进行实验结果分析，而不像胶片记录方式那样繁琐，通过微密度计处 理来获取信息。这是利用c c d 的一大优点。 实验打靶是在神光和星光激光装置上进行的，等离子体由波长为3 5 l n m 的泵 浦激光束垂直照射盘靶产生。浦泵激光束通过蝇眼透镜阵列进行光束匀滑。匀滑 后的激光在靶面的最大功率密度为1 6 t 1 0 1 4 w c m 2 。所用靶型主要有a u 盘靶、m 盘靶和t i 盘靶。实验结果其分辨率为0 0 0 1 1 n m 。 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h es t u d yo fs o f tx - r a ye m i s s i o ns p e c t r u mi nl a s e r - p l a s m ai n t e r a c t i o nh a sb e e na s u b j e c to fc o n s i d e r a b l ei m p o r t a n c ef o rav a r i e t yo fr e s e a r c hi n v e s t i g a t i o n s i nl a s e r d r i v e ni n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o ne x t r e m e u l t r a v i o l e t ( x t r v ) s o f tx r a yl a s i n g ，c o h e r e n t 1 1 i g ho r d e rh a r m o n i cg e n e r a t i o ne t c a n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n so fl a s e r - p r o d u c e d p l a s m a sa sa i lx - r a ys o u r c ef o rm i c r o l i t h o g r a p h y , c o n t a c tm i c r o s c o p yo f b i o l o g i c a lc e l l s b a c k l i g h t i n go fi m p l o d i n gp e l l e t se t c q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ex - r a ys p e c t r u mi nt h e k e vr a n g ei so f t e nu s e dt od e r i v ed i a g n o s t i ci n f o r m a t i o no ne l e c t r o nt e m p e r a t u r e ， d e n s i t y , i o n i z a t i o ns t a t e s ，a n de x p a n s i o nv e l o c i t yo ft h ep l a s m a , a sw e l la si t ss p e c t r a l c h a r a c t e r i z a t i o nf o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s t h ex - r a ye m i t t e df r o ml a s e r - p r o d u c e d p l a s m a sc o n t a i n sp l e n t i f u li n f o r m a t i o ni i li n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o nq c f ) a b u n d a n t s p e c t r ao fh i g h l yc h a r g e di o n sf r o ml a s e rp l a s m a sh a v eb e e no b t a i n e db yu s i n gv a r i o u s c r y s t a ls p e c t r o g r a p h s t h es p e c t r ao fe l e m e n t sh a v eb e e nu s e df o rd e t e r m i n i n ge l e c t r o n t e m p e r a t u r ea n de l e c t r o nd e n s i t y i no r d e rt oo b t a i nt h eu s e f u li n f o r m a t i o n ，w eh a v e d e v e l o p e dt h ee l l i p t i c a lc r y s t a ls p e c t r o g r a p h ( e c s ) i nt h e6 2 0 - 一6 2 0 0e vx r a yr e g i o n b a s e do ne l l i p t i c a lg e o m e t r yt h et h e o r y o p t i c a ls y s t e md e s i g nf o rs p e c t r o m e t e rh a sb e e nd e v e l o p e dt a k i n gt h ea d v a n t a g eo f e l l i p s ef o c u s i n gg e o m e t r yt h e o r y t h ef u n d a m e n t a li st h a tt h er a ye m i t t e df r o maf o c u s ( f r o n t ) o fe l l i p t i c a lw i l lf l o c kt o g e t h e ro nt h eo t h e rf o c u s ( b a c k ) b yt h er e f l e c t i o no nt h e e l l i p t i c a ls u r f a c e t h r o u g ht h ea p e r t u r es e t t i n go nt h eb a c kf o c u s ，t h ex - r a yw i l ls h o o to n t h ed e t e c t o ra n dg o e so nr e c o r d b a s i co p t i c a ls y s t e mc o n s t i t u t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e ro ft h et w o c h a n n e le l l i p t i c a lc r y s t a ls p e c t r o m e t e rh a sp r e s e n t e d r e s e a r c ho n p a r a m e t e rs e l e c t i o na n dc r a f f w o r k so f e l l i p t i c a lc r y s t a la n a l y z e rh a sb e e ne x p l o r e d i nt h i sp a p e rw ep r e s e n tat h e o r e t i c a le v a l u a t i o no ft h ep e r f o r m a n c e so ft h e e l l i p t i c a lc u r v e dc r y s t a la n a l y z e r se q u i p p i n gt h ep l a s m ad i a g n o s t i cs p e c t r o m e t e r so f v a r i o u sf u s i o nl a b o r a t o r i e s 。c a l c u l a t i o n sh a v eb e e np e r f o r m e db yu s i n ga s i m p l e p h y s i c a lm o d e ld e v e l o p e dt od e s c r i b et h ed i f f r a c t i o np r o p e r t i e so fb e n tc r y s t a l t h e g e n e r a t i o n m e c h a n i s mo f l a s e r p u l s e d p l a s m a x - r a y a n d t h e t h e o r y b a s i so f x r a yc r y s t a l d i f f r a c t i o nh a sb e e nd i s c u s s e d t h eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa r cc o m p a r e df o rt h ep a n e , l t i 重庆大学博士学位论文 c o n v e x ，a n dc o n c a v ec r y s t a la n a l y z e r s ，w h i c hm a yb ea p p l i e dt ot h ex r a yd i a g n o s i s ， t h eu n i q u ea d v a n t a g e so ft h ee l l i p t i c a la n a l y z e rf o rp r e c i s es p e c t r a lm e a s u r e m e n t sa r e n o t e da n dd e t a i l e dd e s c r i p t i o n so f i t sg e o m e t r i c a la n d p h y s i c a lo p t i c sa r ep r e s e n t e d b a s i cw a yo fc o n s t r u c t i o nd e s i g nf o rs p e c t r o m e t e rh a sb e e nd e s c r i b e d p a r t i c u l a r l y a na d j u s t m e n tm e t h o dh a sb e e na d v a n c e dw h i c hm a k et h et w oc h a n n e lc r y s t a l sa sa u n i t y w i t ht h ec o m p r i s i n go ft w oa i m i n gs c h e m e ，t h eb e t t e rs c h e m eh a sb e e nc h o s e n t h ed i s p e r s i o nd e g r e eo f w a v e l e n g t ha l o n gt h ed e t e c t i o nc i r c l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h el u m i n o s i t ym a g n i t u d ed 1 3 d za n dd i s p e r s i o na n g l ed b ，a n dt h ee f f e c to fa no f f - a x i s p o s i t i o no fas o u r c ep o i n t , t h e s et h r e ef a c t st h a tc o n t r i b u t et ot h es p e c t r a ll i n ep r e c i s i o n a r ed e e p l ya n a l y z e d t h ec o n c l u s i o nt h a td i r e c t st h eo p t i m i z i n gd e s i g nh a sp r e s e n t e d w eh a v ed e s i g n e d ，f a b r i c a t e d ，a n di n s t a l l e das p e c t r o g r a p h sa ts h e n g g u a n g - i i f a c i l i t ya n dx i n g g u a n gi i c o m p a r e dw i t hg r a t i n gs p e c t r o g r a p h s ，c r y s t a ls p e c t r o g r a p h s a r es i m p l e r , e a s i e rt ou s e ，a n dh a v eh i 。g h e rc o l l e c t i n ge f f i c i e n c ya n db e t t e rr e s o l u t i o n t h i ss p e c t r a lr e g i o ni s a n a l y z e dw i mf i x e de l l i p t i c a lc u r v e dc r y s t a l sa n dd i f f e r e n t 2 d s p a c i n go fc r y s t a l si nt h e0 4 2 6 n mr a n g e t h ep a p e ra n a l y z e st h ed i s p e r s i v e p r i n c i p l eo fe c sa n ds y s t e md e s i g n t h ee x p e r i m e n tu s i n gt h ev a c u u ms y s t e mo nt h es p e c t r o m e t e r , d e m o n s t r a t e dt h a t t h ev a c u u md e g r e ei nt h es p e c t r o m e t e rw a su pt o6 1 0 3 p 乱s a t i s f y i n gt h ew o r k i n g r e q u i r e m e n to fs t r e a kc a r n e r a t h ea i m i n ge x p e r i m e n tu s i n gas i m u l a t ep o i n ts o u r c e d e m o n s t r a t et h a tt h ea i m i n gs c h e m es a t i s f i e dt h et a r g e tc h a m b e r e f f e c t i v e l ya n d c o n v e n i e n t l y t od e t e r m i n ex r a yy i e l d s ，w en e e d e da c c u r a t em e a s u r e m e n t so f t h ex - r a ys p e c t r u m p r o d u c e db ye a c hs o u r c e t h es p e c t r av a r i e dn o to n l yw i 也t a r g e tm a t e r i a l b u ta l s o 、i t h t h el a s e rp a r a m e t e r s ( w a v e l e n g t h ，p u l s ee n e r g y , a n df o c u s ) ac u r v e d ( k a p , p e t , l i f , m i c a1c r y s t a ls p e c t r o g r a p hr e c o r d e dx r a ys p e c t r a9 0 。r e l a t i v et ot h el a s e ra x i sa n d 4 5 。t ot h et a r g e tn o r m a l t h ep r i n c e t o ni n s t r u m e n tv e m a r r a y1 3 0 0 f ( 1 3 4 0 + 1 3 0 0 i m a g i n ga r r a y , 2 0 + 2 0 一u l t ip i x e l s ) w a su s e d a sah i g h - r e s o l u t i o nd e t e c t i o ns y s t e m t h e d e t e c t o rw a saf r o n t i l l u m i n a t e dc c dc h i p t h es y s t e mw a ss e n s i t i v ee n o u g ht h a ta l l s p e c t r ar e c o r d e di nt h e s ee x p e r i m e n t sw e r ep r o d u c e db yas i n g l el a s e rp u l s e t oo b t a i n t h ec o m p l e t es p e c t r u m , d i r e c ta c c c s so fe x p e r i m e n t a ld a t ai sn o tt h eo n l ya d v a n t a g eo f u s i n gc c dd e t e c t o r s a l s o ，t h ed a t aa r eo b t a i n e di naf o r m a tw h i e hi sa l r e a d yu s a b l ef o r t v 茎苎塑垩 d a t aa n a l y s i s ，w i t h o u tg o i n gt h r o u g hal o n gp r o c e d u r eo ff i l md e v e l o p i n ga n da n a l y s i s w i t ham i c r o d e n s i t o m e t e r n l ee x p e r i m e n t sw e r ep e r f o r m e do nt h es h e n g g u a n g - i i a n dx i n g g u a n gi il a s e r f a c i l i t ya ti n s t i t u t eo fp h y s i c s t h ep l a s m aw a sp r o d u c e db yi r r a d i a t i n gaf l a td i s kw i t h 3 5 1 舢f 3 出) s m o o 血e dl a s e rl i g h to f i n t e n s i t yu pt o1 6x1 0 “w c m 2 ao a u s s i a n l a s e r p u l s ew i md 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 1a n dt i t h eb e s ts p e c t r ar e s o l v er a t ed e m o n s t r a t e du pt oo 0 0 11 n m v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 利用核能的最终目标是要实现受控核聚变。裂变时靠原子核分裂而释出能量。 聚变时则由较轻的原子核聚合成较重的原子核而释出能量。最常见的是由氢的同 位素氘和氚聚合成较重的原子核如氦而释放能量。受控热核聚变研究旨在探索新 能源，因此它是当代倍受世人瞩目的重要科研项目之一。核聚变的第一步是要使 燃料处于等离子体态，也即进入物质第四态。等离子体是一种充分电离的、整体 呈电中性的气体。在等离子体中，由于高温，电子已获得足够的能量摆脱原子核 的束缚，原子核完全裸露，为核子的碰撞准备了条件。当等离子体的温度达到几 千万摄氏度甚至几亿摄氏度时，原子核可以克服斥力聚合在一起，如果同时还有 足够的密度和足够长的热能约束时间，这种聚变反应就可以稳定地持续进行。等 离子体的温度、密度和热能约束时间三者乘积称为“聚变三重积”，当它达到1 0 2 2 时，聚变反应输出的功率等于为驱动聚变反应面输入的功率，必须超过这一基本 值，聚变反应才能自持进行。在惯性约束聚变中由激光器或粒子加速器产生很强 脉冲能量照射到一个含有d t ( 氘一氚) 燃料的靶丸上，靶丸的外表面吸收了激光 或粒子束的能量后产生高温等离子体，有一部分等离子体向外喷射，剩余部分的靶 壳在向外喷射等离子体的反作用力作用下产生向内的聚心压缩，并在燃料的中一t l , 部 分很小的体积中形成非常高温度和非常高密度的等离子体，称为热斑。在这个热斑 中的热核反应释放出巨大能量的中子和带电粒子，带电粒子将它的能量沉积于最靠 近热斑附近的热核燃料，加热这部分燃料，并将它点燃，接着就产生了从里向外的热 核燃烧过程，直到外面被压缩的、温度比热斑处低些的燃料燃烧，这种热核燃烧 的波前从里到外通过整个燃料的时间要比将燃料压缩并持续到它们飞散前所需的 时间短。如果在这个聚变过程中释放出的能量大于照射到靶上的能量，则称为在靶 上的增益大于1 。直接驱动的惯性约束聚变的4 个过程为；加热、压缩、点火和燃 烧，见图l 。 重庆大学博士学位论文 图1 1 惯性约束聚变的四个过程( a ) 激光或粒子束射在靶壳上，很快地在靶表面加热形成 等离子体( b ) 由靶面的物质向外喷射的反作用将燃料压缩( c ) 内爆中心热斑温度达到1 0 8 c o ， 密度为液态d 的1 0 0 0 多倍( d ) 热核燃烧在整个压缩的燃料区中传播 f i g 1 1i n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o n h a s f o u rs t a g e s ( a ) i n t e n s e l a s e r o r i o n b e a m i l l u m i n a t i o n r a p i d l yh e a t st h es u r f a c eo f t h ef u e lc a p s u l e ( b ) t h ef u e li sc o m p r e s s e db yt h er o c k e t - l i k ei n w a r d ”s ho f t h eh o ts u r f a c em a t e r i a l ( c ) t h ef i n a lo f t h ei m p l o s i o na l l o w st h ec o r et or e a c h1 0 0 0t i m e s t h ed e n s i t yo f l i q u i ds t a t eda n di g n i t ea tat e m p e r a t u r eo f1 0 。d e g r e e sc e n t i g r a d e ( d ) t h e t h e r m o n u c l e a rb u m s p r e a d sr a p i d l yt h r o u g ht h ec o m p r e s s e df u e l ，p r o d u c i n gab u r s to f u s e f u le n e r g y 聚变靶丸放置在聚变反应室的中间，强激光通过窗口入射到靶丸上，聚变反应 释放出大量的能量，反应室壁内有一个液体金属壁，依靠液体金属流将反应室内的 能量导出，并在热交换器中把热量传递给第二回路的水，液体金属被冷却后再被送 回反应室，第二回路的水被加热后送往蒸汽发电机。间接驱动的惯性约束聚变是 将激光束或粒子束的能量照射在黑洞靶的内壁( 对激光) 、泡沫塑料( 对轻离子束) 或 吸收辐射体( 对重离子束) 上，并加热这些物质到高温，发射出x 射线，间接驱动中 的靶丸是放置在中间位置上，激光或粒子束在转换体上产生很强的x 射线照射在 靶丸上再引起靶丸表面加热、压缩、点火和燃烧，这些过程和直接驱动相似。如 图1 2 所示。 2 1 绪论 图1 2 激光聚变反应堆框图 f i g 1 2 t h ed i a g r a mo f l a s e rf u s i o nr e a n o r 瘴佝蛀理 电靛辕m 惯性聚变能和磁约束聚变能比较，惯性约束聚变和磁约束聚变都属于聚变范 围，因此，它们都有聚变的一些共同优点，然而它们之间有许多差别。在磁约束聚 变堆中，等离子体在很强的磁场中约束和加热，环状形的等离子体的体积很大， 密度比较低( 约在1 0 1 8 m 3 ) ，而且必须将这样大体积的等离子体约束住约1 0 0 s ， 因此，磁场线圈也必须很大，反应室中的真空要求很高，等离子体虽然被约束住 不和反应室的壁相碰，但是等离子体反应放出的中予要照射在反应室壁上，造成 中予辐照损伤和使器壁材料的结构性能在几年之内发生变化，因此，在整个反应 堆的寿期中必须更换几次，由于中子的照射许多材料将变成放射性，这将给运行和 维修带来许多困难。在惯性聚变堆中，聚变等离子体的体积很小( 直径 l m m ) ，反应 时间很短( 1 时，微观范围的起伏是很小的，结果用平均量的整体描述是比较有 效的。 一个更重要的，与定向的或强加的磁感应强度b 有关的，等离子体参量是电 子回旋频率。 眈= e b m ( 2 8 ) 电子以这个频率绕磁场旋转。对i m g 的场，电子回旋频率约为2 x 1 0 ”r a d s 。 电子回旋频率对理解等离子体中能量的输运是重要的，因为电子倾向以拉摩半径 r l - - - - - - v 6 a 。- - - m v e b 绕磁场旋转，只有碰撞可以中断这个过程。这将阻止向可能发射强 x 射线的密度区域输运能量。例如，从太阳中发射出来的x 射线显示出黑斑和亮 的日冕环，这清楚地证明了强磁场和受约束的带电粒子的输运的存在。回旋频率 还在等离子体的集体振荡中起重要作用，无论低频或高频，都会导致强的色散和 极化效应。平的色散关系的回旋共振，能在磁聚变等离子体对低频电磁波( 微波) 的吸收中起很大作用。 对带电粒子的能量输运同样重要的第四个参量是电子一离子碰撞的平均自由程 l m e p ，它对基本的等离予体性质有各种依赖关系，但通常正 = l ： ：( k t ) 2 n i z ，这里r l i 是离子密度，+ z e 是平均电荷态。对于密度为1 0 2 0 离子c m 3 ，电荷态为+ 1 0 的等 离子体，i k e v 电子的平均自由程约为4 | lm ( 那是在临界电子密度i 0 2 1 e c m 3 下) 。 远离速度分布曲线上的l o k e v 的电子，在1 0 0 n 。表面上有相似的平均自由程，在激 光等离子体的超临界区，它离陡峭的密度梯度面只有几微米。所以，大部分被吸 收的能量能够在离临界面只有几微米距离中，通过经典碰撞被消耗完，导致这个 区由于强x 射线的发射而变亮。 2 4 高温高密等离子体的x 射线发射 既高温又高密的等离子体是以温度达k e v ，密度为近固体密度为特征的。这保 证了它将是短波长辐射的一个光源。从经典的电子离子相互碰撞到高度非线性三 波混合过程，热力学与非热力学过程都有可能发生，每个过程都对电子速度的分 布有贡献，并最终影响当电子与离子或附近高密材料碰撞时所观测到的发射谱。 下面我们要研究发射过程的各个方面，并给出线辐射和连续辐射的例子。 图2 6 显示了用o 3 5 “m ( n d 的3 倍频) 、脉宽l n s 、强度5 x 1 0 “w 2 的激光 照射金的圆盘靶时，辐射到4n 立体角内的光谱能量密度，其单位是焦耳每k e v 2 l 重庆大学博士学位论文 带宽。这个发射谱显示了在亚千伏光子能量范围内的近热力学连续谱，在几个k e v 处的特征线谱( 在这种情况中是相当宽的m 带结构) ，呈指数下降，一直延伸到 1 0 k e y 的自由一束缚和自由自由的混合韧致辐射谱，以及最后延伸到1 0 0 k e v 及以 远的超热尾部。 图2 6 激光幅照高z 靶的x 射线谱( 由l l n l 的r k a u f f m a n 提供) f i g 2 6 t h ex - r a ys p e c t r ao f l a s e r - i r r a d i a t i o no i lt h eh i 曲zt a r g e t 2 4 1 亚千电子伏特的线发射与连续发射 高温高密实验室等离子体是软x 射线的丰富的辐射源，它通常具有复杂的密 度和温度的内部结构，并与它们的周围环境没有达到平衡，尽管在它们膨胀的过 程中可以短暂地达到某个准稳态。这些实验室等离子体通常呈现理想黑体不同的 发射谱。最高的电子温度发生在相对低密度( 1 1 e n c ) 的吸收区。通过带电粒子的随 机运动和辐射，所吸收的能量向内部较冷的、密度较高( i l e i l c ) 的区域传输。来自 这个相对高密区域的辐射倾向支配该发射过程，产生大量低到中等的光予能量。 由于传播路径相当长，通过高密的等离子体区域，由各种离子产生的线谱平滑成 带调制的连续谱。在相对中等的调制区域，黑体辐射特性能对理解和定标问题有 帮助。在某些情况中，弓1 入等效黑体温度t 。是有用的，当对一个宽的谱区积分时， 它会产生相同的辐射强度。 图2 7 是用中等强度激光与高z 靶产生的等离子体发出的准热力学辐射的例 子。是由z i g e r 和他的同事们做的实验【3 9 】，利用能量为7 0 j ，脉宽3 5 n s ，波长为1 0 6 l lm 的n d 激光脉冲，聚焦到镧( z = 5 7 1 靶上，强度为约1 0 1 4 w c r n 2 。通过使用磷酸 钾铵( k a p ) 晶体可以得到发射谱的色散，并记录在r a p 2 4 9 5 x 射线胶卷上。所观 察到的发射谱的调制归因于各次离化态的镧离子中4 f 到3 d 的跃迁，这些离化态是 从类锌( 还剩3 0 个电子，+ 2 7 电离态) 直到类钛( 剩2 2 个电子+ 3 5 电离态) 的镧离 嚣碡工莓葛_奄奄拳警毓孽 2 激光等离子体基础理论 子。各个峰由大量靠的很近的线包组成，用线包来称不可分辨的跃迁系列；对胶 卷的非线性响应进行校准后 4 0 “”，从峰到谷，调制仅约为2 0 。在这个离化态范 围( + 3 5 到+ 2 7 ) 中，镧的电离能通常为几百电子伏。在辐射强度1 0 “w c m 2 下，最大 的等效黑体温度约为1 7 0 e v ，峰值光子能量接近5 0 0 e v ，或波长为2 5 n m 。作者报 道这些较高电离态发射的跃迁系列明显变弱，合并入类铬及以远离子的噪音连续 谱中。 藏警n 图2 7 激光加热的镧靶的发射谱 f i g 2 7 t h ee m i s s i o ns p e c t r ao f t h el a n t h a n u mt a r g e tb yl a s e r - h e a t i n g 图2 8 是中等强度的激光照射中等z 靶产生的等离子体的发射谱。在这种情况 中是用波长1 0 6um ，强度为2 x 1 0 ”w l t i l 2 ，脉宽1 5 0 p s 的激光照射铬靶( z _ 2 4 ) 。 能看到很明显的类氖c r + “线，还有较弱的c r + ”线。所观测到的谱的高能光子极限 是由上覆滤光片中的中性铁( 7 0 7 e v ) 的l 吸收边设定的。这里色散是由铅b e h e n a t e 晶体( 2 d 。1 2 n m ) 提供的，由x 射线胶卷记录数据。c r + ”的离化能( 1 1 个电子) 是 3 8 4 e v ，而类氖的c r + ”( 1 0 个电子) 的离化能却是1 0 1 2 e v 。用辐照强度2 x 1 0 1 4 w e m 2 ， 我们预期等效黑体温度为k t 。一2 0 0 e v ，光谱辐射峰趋近6 0 0 e v 。这与类氖的电离 瓶颈一致，即大部分的c r + 1 3 进一步电离为c r + 1 4 ，这就解释了所观察到的强c r + 线和弱c r + ”线。根据k e l l y 的计算1 4 “，3 s 到2 p 和3 d 到2 p 的主发射线应该分别 位于光子能量为5 8 6 e v ，5 9 4 e v ，6 6 0 e v 和6 7 0 e v 处，非常接近实验值。注意c r + 1 5 的3 s 到2 p 的线谱的能量比c r + “相应谱线的能量高，因为少了一个电子，稍微减 少了对核电荷的屏蔽，导致对剩余电子的束缚更紧了，因此稍微增大了跃迁的能 量。总的来说，这里的光谱数据似乎与电子温度或等效黑体温度非常一致，在等 离子体的强辐射区趋近2 0 0 e v 。 重庆大学博士学位论文 l l f el - e d g e ( 7 0 7o v ) 氍2 啦_ 、 蕊浏 - i 。弋 i ；矬爿满 0 j i l 一；i i l l l ii il p h o t o ne n e r g y e v ) 图2 8 铬靶的发射谱( 由l l n l 的r k a u f f m a n 提供) f i g 2 8 e m i s s i o ns p e c t r ao f t h ec b r o m et a r g e t 除非用于诊断，在一些应用中，发射谱的精细细节是不重要的。而重要的是 精确理解能量的输运。为此，在比较宽的能量包( 间隔) 内，测量辐射能量经常是有 用的。s l i v i n s k y ，k o m b l u m ，t i r s e n 和他们的同事【4 3 1 ，在劳伦斯利佛摩尔国家实 验室为激光聚变项目进行了这种测量，在他们称之为“d a n t e ”的仪器中，采用一 系列的掠入射镜子，k 和l 边透射滤光片，以及绝对校正的x 射线二极管。这些 仪器已经被广泛应用，为许多激光转换到软x 射线的效率的研究提供了基本数据。 m e a d 等人给出在波长1 0 6um ，0 5 31 tm ，o 3 5um 和0 2 6 1 1m 的实验的解释性总 结。 已经对激光产生的等离子体发射的热辐射进行了时间分辨的研究，使用的是 分辨率为1 5 p s 的条纹相机m 】和一系列带有相应的透射滤光片的掠入射镜，如图 2 9 所示。作为一个谱带滤波片，相对谱带为e ae m 3 5 。条纹相机有一个对软x 射线和x 射线敏感的狭缝形光阴极。管内出现的光电子在背后的荧光板上重新聚 焦成窄缝的像。通过光触发一个严格时控的斜波电压，所通过的( 依赖时间的) 狭缝 形的电子束在输出荧光屏上垂直扫描，产生时间分辨的狭缝条纹，这些条纹通过 光学手段记录下来。例如经三个并排放置的谱带滤波片滤波的软x 信号，就可以 得到三个选定的光子能带发射的时间史记录。g s v a d i n g ，r k a u f f m a n ，h m e d e c k i 和他们的同事们斯j 进行了这样的研究，他们使用的是标称2 0 0 e v ，4 0 0 e v 和 6 0 0 e v 的通道，这些通道分别是带有碳k 边滤光片的5 。碳镜，带钒l 边滤光片的 釜曲cm至匠 2 激光等离子体基础理论 5 0 镍镜，带铁l 边滤光片的3 0 镍镜。图2 6 给出的是激光辐照金盘靶的软x 射线 通道。 图2 9 从高温高密等离子体测量的连续发射图( 由l l n l 的r k a u f t l n a n 提供) f i g 2 9m e a s u r i n gc o n t i n u u me m i s s i o nf o r mah o td e n s ep l a s m a 图2 9 还显示了三个通道光谱的叠加有一个软x 射线辐射功率的时间峰值， 它等于1 5 x 1 0 1 0 w ，这里假设在4 立体角内辐射是各向同性的。用发射面积等于 激光焦斑的面积，则给出软x 射线发射强度的时间峰值为3 1 0 ”、驯锄2 。要达到 这个辐射强度所需的等效黑体温度为2 3 0 e v ，其光谱峰值位于6 6 0 e v 。s i g e l 的文 章 4 7 1 里也引用了相似的温度。注意这个时间是与半高宽6 8 0 p s 的辐照激光脉冲相 似，除了稍微快一些的上升时间外，估计可能是由于初始冷靶的加热，以及随靶 冷却和能量向低光子能量( 2 0 0 e v ) 通道流动，而造成的长时间的衰减。因此该软x 射线发射的脉冲宽度稍长一些，为7 9 0 p s 。注意响应稍慢的记录仪器会显示一个较 低的峰值功率( 相同的辐射能量，但时间较长) ，因此降低了等效辐射温度。图2 1 0 中等效温度在时间峰的任何一边o 5 n s 处，均下降到约1 6 0 e v 。s t r a d l i i n g 的论文 【4 5 1 报道了涉及能量在层状靶里传输的进一步的时间分辨实验，他用镀膜窄带多层 镜代替了镜。滤光片通道，这些镜子是与来自靶的各层选定的发射线匹配的，这些 发射线是随热能的到达而发射出的。 重庆大学博士学位论文 图2 1 0 决定等效的黑