輻射輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中的Al等離子體發(fā)射光譜研究*

蒲昱東 楊家敏 靳奉濤 張 璐 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)(2009年12月17日收到;2010年5月29日收到修改稿)

輻射輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中的Al等離子體發(fā)射光譜研究*

蒲昱東 楊家敏 靳奉濤 張 璐 丁永坤

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)(2009年12月17日收到;2010年5月29日收到修改稿)

SGII裝置上用八路激光注入金腔產(chǎn)生高溫輻射源，然后利用該輻射源來加熱輸運(yùn)腔中的摻Al泡沫樣品.從測(cè)量得到的Al類氦離子發(fā)射光譜可以觀察到a—d，qr伴線的強(qiáng)度明顯高于jkl伴線的強(qiáng)度，由此可以確定出光子激發(fā)和電離過程對(duì)輸運(yùn)腔中等離子體的形成不可忽略.除此之外，還觀察到較強(qiáng)的互組合線發(fā)射，這表明存在一個(gè)低密度區(qū)域.最后考慮到實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的Al類氦離子發(fā)射光譜是時(shí)間、空間積分，利用兩個(gè)狀態(tài)等離子體的發(fā)射光譜合成再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)光譜.

發(fā)射光譜，輻射加熱，光譜診斷

PACS:52.70.Kz，52.40.Db

1.引 言

在慣性約束聚變和天體研究等領(lǐng)域，X射線在等離子體中的輸運(yùn)現(xiàn)象受到廣泛的關(guān)注.在間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變研究中，激光對(duì)稱的注入黑腔轉(zhuǎn)化成X射線，這些X射線通過輸運(yùn)過程傳輸?shù)角槐谏媳晃赵佥椛洌蚴钦丈涞桨型枭?，?qū)動(dòng)靶丸內(nèi)爆.X射線在黑腔中的輸運(yùn)既影響X射線的轉(zhuǎn)換份額，又影響X射線的能譜結(jié)構(gòu).而在天體物理研究中，一般通過觀察發(fā)射光譜來推斷天體性質(zhì).然而由于存在自吸收效應(yīng)，對(duì)來自星體深處的發(fā)射光譜而言，必須用輻射輸運(yùn)理論進(jìn)行分析.

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，我們能夠在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)創(chuàng)造出高溫輻射源，這使得我們能夠從實(shí)驗(yàn)上研究輻射輸運(yùn)中的基本物理問題.20世紀(jì)90年代，美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)在 NOVA激光裝置上，通過X射線背光吸收光譜法測(cè)量了 Al，F(xiàn)e，Ni，Ge等中高Z材料的高溫輻射不透明度數(shù)據(jù).國內(nèi)則從20世紀(jì)90年代末期開始，在星光Ⅱ和在神光Ⅱ激光裝置上，相繼進(jìn)行了一系列輻射輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)，研究了輻射輸運(yùn)的效率和超聲速熱波的傳播問題［1，2］.在所有的這些實(shí)驗(yàn)中，輻射加熱等離子體的溫度、密度始終是我們感興趣的問題之一，是理論分析和定量理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要參數(shù).張繼彥、楊家敏等人［3，4］曾通過吸收譜來獲得輻射加熱等離子體電子溫度，而在我們的實(shí)驗(yàn)中，則對(duì)利用發(fā)射譜來推斷輻射加熱等離子體電子溫度的方法進(jìn)行了嘗試.為此，我們?cè)贑H泡沫材料中摻入Al元素，測(cè)量Al類氦離子發(fā)射光譜.與以往電子碰撞加熱等離子體發(fā)射光譜不同，在我們的實(shí)驗(yàn)中，觀察到 a—d qr伴線的強(qiáng)度明顯強(qiáng)于jkl伴線的強(qiáng)度，這表明伴線的主要產(chǎn)生機(jī)理由雙電子復(fù)合轉(zhuǎn)變成光子激發(fā)內(nèi)殼層電子，a—d qr伴線的增強(qiáng)正好體現(xiàn)出輻射加熱在等離子體發(fā)射光譜形成中的作用，所以用碰撞輻射模型解釋實(shí)驗(yàn)光譜時(shí)，我們必須在模型中考慮光激發(fā)、受激輻射以及光電離等過程.

2.實(shí)驗(yàn)安排

實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示，神光Ⅱ八路激光(每路激光能量260 J，脈寬1 ns)注入金腔中產(chǎn)生高溫輻射源，利用該輻射源加熱輸運(yùn)管中的摻 Al泡沫樣品.輸運(yùn)管直徑為 600 μm，長(zhǎng) 600 μm，壁上沿輸運(yùn)腔軸方向開寬度為300 μm的兩條正對(duì)的診斷狹縫.輸運(yùn)管中填充了密度為 (29.7±1.4)mg/cm3的CH 泡沫，摻雜原子比為 C∶H∶Al=100∶200∶1.7.利用軟X射線能譜儀從激光注入口測(cè)量獲得等效輻射溫度的時(shí)間過程，其峰值溫度為150 eV.同時(shí)利用晶體譜儀測(cè)量Al等離子體發(fā)射光譜.晶體譜儀采用TJ-ⅢX射線膠片進(jìn)行記錄，然后通過黑密度計(jì)掃描譜圖得到位置和黑密度譜圖，按識(shí)別的譜線進(jìn)行譜線位置-波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換，利用記錄膠片的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行黑密度-強(qiáng)度轉(zhuǎn)換，最后得到實(shí)驗(yàn)光譜結(jié)果，如圖2所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)排布示意圖

圖2 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的Al等離子體發(fā)射光譜

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用文獻(xiàn)［5］中的符號(hào)來代表譜線，我們對(duì)譜線進(jìn)行了辨認(rèn).從實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的結(jié)果來看，發(fā)射光譜具有以下幾個(gè)明顯的特征:1)類 Li伴線發(fā)射較強(qiáng)，并且 a—d(1s2p2→1s22p2∶2P0－2P)，qr(1s2p2s→1s22s∶2P － (1P)2P0)等伴線強(qiáng)度高于 jkl(1s2p2→1s22p∶2P0－2D)伴線;2)有明顯的互組合線(1s2p3P1→1s21S0)發(fā)射.為了定量解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，首先用 Multi-1D［6］對(duì)輻射加熱過程進(jìn)行了模擬，給出等離子體溫度、密度的大致范圍.然后根據(jù)此范圍，利用碰撞輻射模型［7］，從理論上計(jì)算出發(fā)射光譜，并與實(shí)驗(yàn)光譜相比較，確定出輻射加熱CH泡沫等離子體狀態(tài).

在用Multi-1D進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，我們將軟X射線能譜儀測(cè)量得到的等效輻射溫度作為輸入輻射源，加在CH材料的一端，CH材料的另一端采用自由面邊界條件，同時(shí)將不透明度參數(shù)劃分為20群.圖3給出了 CH材料的加源端(front side)，自由端(back side)以及中部(mid plane)三處位置的電子溫度和電子密度隨時(shí)間的變化.從計(jì)算結(jié)果可以看出，電子溫度在輸運(yùn)管內(nèi)分布較為均勻，在100 eV左右.電子密度在加源端和自由端由于稀疏波向里傳播而隨時(shí)間下降.電子密度在中部變化相對(duì)較小，約為1×1022cm－3(相當(dāng)于 CH全電離).此時(shí)等離子體處于非局域熱動(dòng)平衡(NLTE)狀態(tài).Salzmann在文獻(xiàn)［8］中曾指出當(dāng)電子密度在 1×1021—1×1023cm－3范圍內(nèi)時(shí)，Al等離子體處于冕區(qū)平衡和LTE之間的過渡區(qū)域.在后面對(duì) a—d，qr伴線強(qiáng)度高于jkl伴線強(qiáng)度進(jìn)行討論時(shí)，這一結(jié)論將幫助我們確定該光譜特征來源于等離子體的輻射加熱特性.

圖3 通過模擬計(jì)算得到的CH材料加源端(front side)、自由端(back side)以及中部(mid plane)三處位置的電子溫度(a)和電子密度(b)隨時(shí)間的變化

3.1.伴線發(fā)射

在實(shí)驗(yàn)光譜中，我們觀察到 a—d，qr伴線的強(qiáng)度高于jkl伴線的強(qiáng)度.這樣的結(jié)果對(duì) LTE等離子體而言是容易理解的.因?yàn)槲覀冎捞幱贚TE狀態(tài)下，各種碰撞的正逆過程到達(dá)精細(xì)平衡，此時(shí)Al等離子體發(fā)射光譜中 a—d，qr伴線強(qiáng)度高于 jkl伴線的強(qiáng)度.但是通過前面的分析，輸運(yùn)管內(nèi)的等離子體電子密度在1×1022cm－3以下，處于 NLTE狀態(tài).所以伴線的強(qiáng)度特征不可能來源于LTE等離子體發(fā)射光譜的貢獻(xiàn)，而是來源于輻射場(chǎng)的作用.

為此我們計(jì)算比較了存在輻射場(chǎng)和不存在輻射場(chǎng)條件下發(fā)射光譜的區(qū)別，如圖4所示.從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)不存在輻射場(chǎng)時(shí)，a—d，qr伴線的強(qiáng)度低于jkl伴線的強(qiáng)度，這一特征在冕區(qū)平衡或NLTE條件下普遍存在，從許多其他實(shí)驗(yàn)測(cè)得的光譜中也可以觀察到這一特點(diǎn)［9］.然而，當(dāng)輻射場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)(輻射溫度高于電子溫度)，a—d，qr伴線的強(qiáng)度反而高于jkl伴線的強(qiáng)度，我們認(rèn)為這是輻射加熱等離子體的發(fā)射光譜特征之一.產(chǎn)生這一現(xiàn)象，這是因?yàn)?a—d，qr伴線主要由內(nèi)殼層電子激發(fā)產(chǎn)生，而jkl伴線則主要由雙電子復(fù)合產(chǎn)生，所以在輻射場(chǎng)較弱，并且電子密度不是太高的情況下(無法達(dá)到LTE)，雙電子復(fù)合產(chǎn)生機(jī)理占優(yōu)，jkl伴線較強(qiáng).而當(dāng)輻射場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，光子激發(fā)內(nèi)殼層電子的產(chǎn)生機(jī)制占優(yōu)，于是a—d，qr伴線強(qiáng)度較強(qiáng).

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，我們比較了在兩種條件下Li2l2l′雙激發(fā)態(tài)各種產(chǎn)生機(jī)理的相對(duì)大小，如圖5所示，其中縱坐標(biāo)的含義是單位時(shí)間單位體積內(nèi)通過某一種原子過程產(chǎn)生的該種雙激發(fā)態(tài)的數(shù)目，DR(dielectron recombination)，CE(electron excitation)，PI(photon ionization)，A(photon excitation)分別代表雙電子復(fù)合過程、電子碰撞激發(fā)內(nèi)殼層過程、光子電離內(nèi)殼層過程、光子激發(fā)內(nèi)殼層過程.從圖中可以看出在相同電子密度、溫度條件下，不考慮輻射場(chǎng)時(shí)，雙激發(fā)態(tài)主要由雙電子復(fù)合產(chǎn)生

而當(dāng)輻射場(chǎng)變強(qiáng)以后，雙激發(fā)態(tài)離子則主要由光子激發(fā)內(nèi)殼層電子產(chǎn)生

這種趨勢(shì)隨著電子溫度的增加而減弱，當(dāng)Te=180 eV時(shí)，類Li2l2l′雙激發(fā)態(tài)的產(chǎn)生又重新以雙電子復(fù)合為主.

圖4 對(duì)比存在輻射場(chǎng)和不存在輻射場(chǎng)時(shí)的理論計(jì)算光譜 (a)Tr=150 eV;(b)Tr=1 eV.計(jì)算了在三個(gè)電子溫度下的發(fā)射光譜，Te=80，90，120 eV.(a)中 a—b，qr伴線強(qiáng)度高于jkl伴線的強(qiáng)度;(b)中 a—b，qr伴線的強(qiáng)度低于 jkl伴線的強(qiáng)度(Ne=1×1022cm－3)

3.2.互組合線發(fā)射

圖5 比較了在Te=80 eV，Ne=1×1022cm－3時(shí)，存在輻射場(chǎng)和不存在輻射場(chǎng)兩種條件下Li2l2l′雙激發(fā)態(tài)各種產(chǎn)生機(jī)理的相對(duì)大小.組態(tài)與能級(jí)編號(hào)的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系為 171—1s2s2;(172—176，180—181)-1s2s2p;(177—178，182—186)-1s2p2(a)存在輻射場(chǎng);(b)不存在輻射場(chǎng)

我們知道，互組合線可以用作等離子體密度診斷.為此我們計(jì)算了在Te=200 eV，并且不考慮輻射場(chǎng)條件下，不同電子密度時(shí)類He離子發(fā)射光譜，如圖6所示.從圖中可以看出，互組合線在密度較低時(shí)發(fā)射較強(qiáng).隨著電子密度的增加，互組合線相對(duì)于共振線的強(qiáng)度單調(diào)減少.文獻(xiàn)［10］中也得到相同的結(jié)論.如果在計(jì)算中加入輻射場(chǎng)，基本的結(jié)論依然沒有變化:互組合線在等離子體密度較低時(shí)發(fā)射較強(qiáng).這是因?yàn)?P1態(tài)主要由電子碰撞激發(fā)產(chǎn)生，通過自發(fā)輻射損失.輻射場(chǎng)的存在并不能直接影響3P1態(tài)的產(chǎn)生和損失，而是通過改變電離態(tài)分布而間接影響互組合線的發(fā)射.在目前的實(shí)驗(yàn)中，觀察到較明顯的互組合線發(fā)射，這意味著在我們實(shí)驗(yàn)的觀測(cè)范圍內(nèi)，存在一密度較低的等離子體區(qū)域.最后，我們根據(jù)互組合線相對(duì)于共振線的強(qiáng)度，推斷出低密度區(qū)域的電子密度約為1×1019cm－3.

圖6 互組合線發(fā)射強(qiáng)度隨電子密謀降低而增加

3.3.再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)光譜

根據(jù)以上兩個(gè)小節(jié)的分析，我們知道在不同的溫度、密度以及輻射溫度下的等離子體狀態(tài)可以對(duì)應(yīng)不同的光譜特征.考慮到我們實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是時(shí)間、空間積分的發(fā)射光譜，用單一等離子體狀態(tài)難以再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)光譜.所以根據(jù)觀測(cè)到的兩個(gè)明顯光譜特征，我們用兩種等離子體狀態(tài)合成再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)光譜，如圖7所示.其中一組參數(shù)是 Te=85 eV，Tr=150 eV，Ne=1×1022cm－3.這一組參數(shù)是考慮到a—d，qr伴線的強(qiáng)度，同時(shí)參考模擬計(jì)算給出的電子溫度、密度而確定的，它代表了輻射加熱低溫高密度等離子體狀態(tài).另一組參數(shù)為 Te=200 eV，Ne=1×1019cm－3，沒有輻射場(chǎng).這一組參數(shù)是考慮到互組合線發(fā)射而確定的，它代表了高溫低密度冕區(qū)等離子體.我們注意到這樣一組參數(shù)與模擬給出的等離子狀態(tài)并不相符合.在一維模擬中，無法考慮二維效應(yīng)，因此無法考慮輸運(yùn)管內(nèi)等離子體通過診斷狹縫向外膨脹，而這一過程會(huì)進(jìn)一步降低輸運(yùn)管內(nèi)的等離子體密度.除此之外，模擬計(jì)算中的源項(xiàng)考慮的是一個(gè)黑體輻射場(chǎng)，而在實(shí)驗(yàn)中，黑腔內(nèi)的電子、散射激光、金M帶都有可能直接加熱泡沫，從而進(jìn)一步提高電子溫度.進(jìn)一步確定其原因需要設(shè)計(jì)時(shí)間、空間分辨的光譜實(shí)驗(yàn)，還有待實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展.但總的來說，合成光譜基本反映了實(shí)驗(yàn)光譜中的主要特征，其中Li2l2l′伴線和互組合線的強(qiáng)度，計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值符合得較好，而類Be的伴線和Li2lnl′(n=3，4)的伴線計(jì)算值低于實(shí)驗(yàn)值，可能的原因是在計(jì)算中沒有包括n大于4的雙激發(fā)態(tài)能級(jí).

圖7 合成光譜與實(shí)驗(yàn)光譜的比較

4.結(jié) 論

在輻射輸運(yùn)實(shí)驗(yàn)中，我們通過在CH泡沫材料中摻入Al元素，測(cè)量得到了 Al類 He離子發(fā)射光譜.觀測(cè)到 a—d，qr伴線的強(qiáng)度高于 jkl伴線的強(qiáng)度，這是等離子體在輻射加熱占主導(dǎo)情況下的光譜特征.然后利用兩種等離子體狀態(tài)，合成再現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)光譜.

在電子加熱占主導(dǎo)的等離子體中，我們可以用伴線與共振線的相對(duì)強(qiáng)度來診斷電子溫度.然而在輻射加熱等離子體中，伴線的產(chǎn)生機(jī)理發(fā)生了改變，這時(shí)伴線的強(qiáng)度與輻射溫度有關(guān)，并且電子加熱的效果與輻射加熱效果呈相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系.所以在輻射加熱顯現(xiàn)作用時(shí)，利用光譜特征診斷電子溫度或是輻射溫度的可能性，值得我們進(jìn)一步探討.

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PACS:52.70.Kz，52.40.Db

Characteristics of emission spectroscopy of radiatively heated Al plasma*

Pu Yu-Dong Yang Jia-Min Jin Feng-Tao Zhang Lu Ding Yong-Kun
(Research Center of Laser Fusion of China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)(Received 17 December 2009;revised manuscript received 29 May 2010)

The X-ray spectrum of radiatively heated tracer Al in the doped foam was recorded by using a flat crystal spectrometer.The radiation thermal bath with a peak temperature of 150 eV is created inside the hohlraum irradiated by 8 laser beams，each delivering 250J.From the measured spectrum，we have observed that the intensities of jkl Li-like satellite were smaller than those of qr Li-like satellites，which is not a case usually encountered in electron collision dominated low density plasmas.The analyses of various generation and loss channels of doubly excited states indicate that in the radiatively heated plasma considered in the present work，the photo excitation and the photo ionization processes are fully responsible for the generation of doubly excited states instead of dielectronic recombination.Besides the satellite features，intercombination lines are also observed which imply the existence of a low density plasma region.Finally，we compare the calculated spectrum with the measured spectrum，and find that they are in fairly good agreement was achiered.

emission spectrum，radiation heating，spectrum diagnostics

*等離子體物理國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(批準(zhǔn)號(hào):9140C6801020801)資助的課題.

E-mail:pyd02@mails.tsinghua.edu.cn

*Project supported by the Science and Technology Foundation of State Key Laboratory of Plasma Physics(Grant No.9140C6801020801).

E-mail:pyd02@mails.tsinghua.edu.cn