金激光等離子體的空間分辨X射線發(fā)射譜及其應(yīng)用

1、第15卷第10期2003年10月強(qiáng)激光與粒子束HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Vol.15,No.10Oct.,2003文章編號(hào):100124322(20031020981204金激光等離子體的空間分辨X 射線發(fā)射譜及其應(yīng)用張繼彥,楊國(guó)洪,鄭志堅(jiān),楊家敏,丁耀南,張文海,李軍(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,四川綿陽(yáng)621900摘要:在星光II 激光裝置上,采用PET 平面晶體譜儀與寬20m 的狹縫構(gòu)成一維空間分辨光譜測(cè)量系統(tǒng),對(duì)金平面靶激光等離子體進(jìn)行觀測(cè),獲得了沿靶面法向一維空間分辨的金M 帶發(fā)射譜。在實(shí)驗(yàn)譜中觀察到了Au 元素類Ni 離子

2、的電四極躍遷線3p 63d 10(1S 023p 53d 104d (3/2,5/2J =1。利用電四極躍遷線對(duì)電子密度的敏感特性,開展了金激光等離子體電子密度診斷的嘗試,確定出利用該譜線進(jìn)行電子密度診斷的有效范圍大致在10194.5×1021cm -3之間。關(guān)鍵詞:金激光等離子體;電四極躍遷線;空間分辨;等離子體診斷;電子密度中圖分類號(hào):O536;O562.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A激光產(chǎn)生的熱稠密等離子體的狀態(tài)參數(shù)診斷是慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)研究工作的重要內(nèi)容。在目前的間接驅(qū)動(dòng)聚變研究中,常采用激光與金柱腔耦合產(chǎn)生的等離子體作為驅(qū)動(dòng)靶丸的X 光輻射源,腔等離子體的狀態(tài)直接影響內(nèi)爆過(guò)程及靶丸狀態(tài),

3、了解這些狀態(tài)對(duì)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件,提高內(nèi)爆效率具有指導(dǎo)作用。對(duì)等離子體狀態(tài)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)診斷主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類方法,即光學(xué)探針法(主動(dòng)式和光譜學(xué)診斷法(被動(dòng)式。電子密度是等離子體最重要的狀態(tài)參數(shù)之一。根據(jù)不同的等離子體密度范圍,通常所采用的診斷手段有紫外光全息干涉法1、Thomson 散射法2、雙電子復(fù)合伴線強(qiáng)度比法以及K 殼層發(fā)射譜線的Stark 展寬法等39。前兩種屬于光學(xué)診斷法,主要適用于較低密度的冕區(qū)等離子體,但需要復(fù)雜的幾何排布和測(cè)量系統(tǒng);后兩種屬于光譜學(xué)診斷法,主要用于較高密度的內(nèi)爆靶丸燃料區(qū)等離子體,其對(duì)實(shí)驗(yàn)排布和測(cè)量系統(tǒng)的要求相對(duì)較低。近年來(lái),利用電四極躍遷線進(jìn)行電子密度診斷的研究

4、開始受到關(guān)注3。通常,在中低Z 元素中,電四極(E2躍遷線和磁偶極(M1躍遷線的強(qiáng)度非常低,幾乎觀測(cè)不到。但對(duì)高Z 元素,電四極躍遷線卻能達(dá)到與電偶極躍遷線相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。因此,電四極躍遷線在高Z 等離子體中的這種禁戒消除特性使其作為等離子體狀態(tài)的診斷工具而得到研究。為深入研究慣性約束聚變黑腔等離子體特性,探索腔等離子體狀態(tài)參數(shù)診斷的方法和途徑,我們開展了激光與金平面靶相互作用分解實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,采用配接狹縫的平晶譜儀構(gòu)成一維空間分辨測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量了沿靶面法向一維空間分辨的金激光等離子M 帶發(fā)射譜。對(duì)實(shí)驗(yàn)譜進(jìn)行了細(xì)致處理和分析,研究了金M 帶發(fā)射譜Fig.1Experimental setup fo

5、r space 2resolved measurement of X 2ray spectra emitted from laser 2produced gold plasma 圖1金激光等離子體X 射線發(fā)射譜的空間分辨測(cè)量實(shí)驗(yàn)安排的細(xì)致結(jié)構(gòu)特征及其發(fā)射區(qū)特性。此外,還利用電四極(E2躍遷線3p 63d 10(1S 023p 53d 104f (3/2,7/2J =2與內(nèi)殼層激發(fā)線3p 63d 10(1S 023p 53d 104d (3/2,5/2J =1的線強(qiáng)比,進(jìn)行了電子密度診斷方面的初步探索。1實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量布局如圖1所示。一束三倍頻Nd 玻璃激光(=0.35m 經(jīng)透鏡聚焦后輻照在金平面

6、靶上,形成高溫等離子體光源。在與靶平面相切的方向,用一個(gè)配接寬度約為20m 狹縫的平面晶體譜儀對(duì)等離子體區(qū)域進(jìn)行觀測(cè),得到具有沿靶面法向一維空間分收稿日期:2002211226;修訂日期:2003205207基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助課題(10275056;中國(guó)工程物理研究院預(yù)研基金資助課題(20020210作者簡(jiǎn)介:張繼彥(19712,男,助理研究員,四川綿陽(yáng)9192986信箱;E 2mail :zhangjiyanziy 。辨的X 射線發(fā)射譜,并記錄于“天津2III ”X 光底片。實(shí)驗(yàn)中,激光光軸與靶面成45°夾角,激光能量為59J ,脈沖寬度為700ps ,激光聚焦焦斑直徑

7、約為200m ,靶面激光功率密度約為1.3×1014W/cm 3。Fig.2Image of X 2ray spectrum of laser 2produced gold plasma 圖2金激光等離子體的X 射線發(fā)射譜圖像膠片記錄的實(shí)驗(yàn)光譜圖像如圖2所示,圖中給出了光譜色散方向和光譜的空間位置方向,可以清晰地看到發(fā)射光譜沿空間方向的變化。實(shí)驗(yàn)?zāi)z片經(jīng)PDS 黑度計(jì)掃描后給出位置2黑密度數(shù)據(jù)文件。在譜數(shù)據(jù)處理時(shí),采Fig.3X 2ray spectrum emitted from laser 2produced gold plasma圖3金激光等離子體的X 射線發(fā)射譜用離散函數(shù)褶積滑

8、動(dòng)變換法作光譜數(shù)據(jù)光滑,應(yīng)用對(duì)稱零面積法尋峰,并通過(guò)調(diào)整窗寬來(lái)抑制高本底和假峰。波長(zhǎng)的計(jì)算采用多項(xiàng)式擬合方法。譜線辨識(shí)主要依據(jù)準(zhǔn)相對(duì)論性的Hartree 2Fock 2Relativistic (HFR 方法和全相對(duì)論性的多組態(tài)Dirac 2Fock (MCDF 方法的計(jì)算結(jié)果。此外,根據(jù)膠片的黑密度2相對(duì)強(qiáng)度響應(yīng)關(guān)系,以及Be 膜吸收特性對(duì)實(shí)驗(yàn)譜強(qiáng)度進(jìn)行了校正,但未考慮晶體的X光衍射效率對(duì)譜線相對(duì)強(qiáng)度的影響。另外,實(shí)驗(yàn)譜是采用時(shí)間積分方式測(cè)量的,即譜強(qiáng)度是等離子體從產(chǎn)生到湮沒整個(gè)過(guò)程的時(shí)間積累結(jié)果。圖3給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)得的距靶面100m (相對(duì)位置的X 射線發(fā)射譜。2物理圖像總體上,在激光等離子

9、體發(fā)射譜中的主要成分是電偶極躍遷線,磁偶極或電四極躍遷線一般較弱。然而,這種情況在原子序數(shù)升高到60以上就發(fā)生了明顯變化。Cowan 指出,對(duì)于n =1的電四極躍遷的輻射躍遷,其躍遷幾率與離子電荷成六次方關(guān)系,而通常的電偶極躍遷幾率與離子電荷成一次方關(guān)系。因此,在高電荷重離子的情況下電四極躍遷有較高的強(qiáng)度。在圖3中標(biāo)記為4f 7/223p 3/2(E2的電四極躍遷線,其強(qiáng)度與電偶極共振線(4d 5/223p 3/2強(qiáng)度已經(jīng)比較接近。Fig.4Curve of line ratio I (4f 7/223p 3/2/I (4d 5/223p 3/2vs electron density n e圖

10、4線強(qiáng)度比I (4f 7/223p 3/2/I (4d 5/223p 3/2隨電子密度n e 的變化曲線J.Wyart 等人通過(guò)對(duì)空間分辨的Ta 2Au 等元素激光等離子體發(fā)射譜的分析發(fā)現(xiàn)3,高電荷重離子中的電四極躍遷線4f 7/223p 3/2(E2與電偶極躍遷線4d 5/223p 3/2的強(qiáng)度比在空間上有明顯變化,并進(jìn)而想到這種變化應(yīng)該主要是由于激發(fā)能級(jí)的碰撞輻射過(guò)程對(duì)亞穩(wěn)態(tài)的3p 53d 104f 能級(jí)布居數(shù)的影響造成的,因而與等離子體電子密度相關(guān)。M.K lapisch 等針對(duì)上述問(wèn)題建立了數(shù)值計(jì)算模型,求解了各激發(fā)能級(jí)的布居數(shù),給出了電四極躍遷線與電偶極躍遷線的強(qiáng)度比與等離子體電子密

11、度的函數(shù)關(guān)系。計(jì)算中,假設(shè)等離子體電子溫度為800eV ,并且50%的類Ni 離子處于基態(tài)。此外,在計(jì)算中考慮了譜線的自吸收效應(yīng)(吸收等離子體厚度30m 并假定譜線形狀為離子溫度為400eV 的Doppler 線形。理論計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出譜線強(qiáng)度比對(duì)電子密度的敏感區(qū)域在10191022cm -3,不過(guò)在電子密度大于1021cm -3的區(qū)域,受4d 5/223p 3/2共振躍遷線不透明度的影響,該強(qiáng)度比隨電子密度的增加幾乎保持不變。3結(jié)果與分析本文直接利用K lapisch 等人的理論計(jì)算結(jié)果3,結(jié)合實(shí)驗(yàn)探索高Z 等離子體電子密度的新型診斷技術(shù)。實(shí)驗(yàn)譜線強(qiáng)度的計(jì)算方法如圖5所示。

12、由于在高Z 等離子體發(fā)射光譜中,眾多譜線常常疊加在一起,要得到譜線的總強(qiáng)度(對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)光譜峰的總面積,需要進(jìn)行光譜解析。對(duì)本文中所討論的情況,由于兩條譜線與其他譜線的重疊相對(duì)較小,可以簡(jiǎn)單地選取圖5中所示的陰影區(qū)域的面積即可。按照這種方法,分別計(jì)算了沿靶289強(qiáng)激光與粒子束第15卷Fig.5Experimentally measured electric quadrupole line 4f 7/223p 3/2and the electric dipole resonance line 4d 5/223p 3/2and their intensity 圖5實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電四極躍遷線4f 7/22

13、3p 3/2與電偶極共振線4d 5/223p 3/2及其強(qiáng)度面法線方向8個(gè)空間位置的發(fā)射譜中對(duì)應(yīng)譜線的強(qiáng)度比,并通過(guò)與圖4中給出的曲線比較得到電子密度的診斷值,結(jié)果如表1所示。表中x 為測(cè)量點(diǎn)到靶面的距離(實(shí)際上,為等離子體發(fā)光邊界到測(cè)量點(diǎn)的距離,r 是指電四極躍遷線4f 7/223p 3/2與共振躍遷線4d 5/223p 3/2兩者強(qiáng)度的比值,n e為電子密度。由于圖4中給出的線強(qiáng)度比并不是電子密度單調(diào)函數(shù),因此本文在確定電子密度時(shí)采用如下方法:首先,由于圖4中給出的理論線強(qiáng)度比隨電子密度變化存在極小值,而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也存在類似情況,因此可認(rèn)為理論線強(qiáng)度比的最小值與實(shí)驗(yàn)線強(qiáng)度比的最小值對(duì)應(yīng)于等離

14、子體中的同一位置;然后,根據(jù)遠(yuǎn)離靶面處的等離子體密度小,靠近靶面的位置等離子體密度大的特點(diǎn),在圖4中確定虛擬的靶面方向,并由此給出了距靶面105m 和120m 處的密度值。對(duì)于與靶面距離小于90m 的各位置點(diǎn),由于線強(qiáng)度比對(duì)電子密度的變化不敏感而無(wú)法獲得準(zhǔn)確結(jié)果。另外,當(dāng)遠(yuǎn)離靶面到等離子體電子密度小于1019cm -3時(shí),電子密度對(duì)上述線強(qiáng)度的影響變得非常小。因此,可以初步確定,用上述線強(qiáng)度比進(jìn)行電子密度診斷的有效密度范圍在10194.5×1021cm -3之間。表1從實(shí)驗(yàn)光譜中計(jì)算得到的譜線強(qiáng)度及強(qiáng)度比T able 1Line intensity and line ratio ob

15、tained from experimentally measured spectrum of Au plasm ax /m153045607590105120r0.7700.5650.4090.2690.2250.2090.2150.296n e /cm -3- 4.5×1021 2.0×1021 2.2×10204結(jié)論對(duì)Au 平面靶激光等離子體的M 帶發(fā)射譜進(jìn)行了一維空間分辨觀測(cè),對(duì)實(shí)驗(yàn)光譜進(jìn)行了分析,并利用實(shí)驗(yàn)光譜開展了電子密度診斷技術(shù)方面的有益探索,得到如下一些結(jié)果:1.實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到了較強(qiáng)的電四極躍遷線3p 63d 10(1S 023p 53d 104f

16、(3/2,7/2J =2,并給出了其與內(nèi)殼層激發(fā)線3p 63d 10(1S 023p 53d 104d (3/2,5/2J =1的線強(qiáng)度比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該線強(qiáng)度比在一定的范圍內(nèi)是空間位置的敏感函數(shù)。2.基于M.K lapisch 和J.Wyart 等人的研究結(jié)果,利用上述線強(qiáng)度比診斷得到了幾個(gè)空間位置金平面靶激光等離子體的電子密度。經(jīng)分析表明,利用上述線強(qiáng)度比進(jìn)行電子密度診斷的有效范圍大致在10194.5×1021cm -3之間。參考文獻(xiàn):1Attwood D T ,Halbach K ,K im K.Tunable coherent X 2raysJ .Science ,1985,

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22、m laser 2produced gold plasma and its applicationsZHAN G Ji 2yan ,Y AN G Guo 2hong ,ZHEN G Zhi 2jian ,Y AN G Jia 2min ,DIN G Y ao 2nan ,ZHAN G Wen 2hai ,L I J un(Research Center of L aser Fusion ,China Academy of Engineering Physics ,P.O.Box 9192986,Mianyang 621900,China Abstract :On the Xingguang 2II laser facility ,one dimensional s pace