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Au等离子体辐射冷却效应实验研究

文章来源:甘肃快三信息中心编辑室   时间:2018-12-17 10:41:00 访问数:

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辐射是等离子体损失能量的一种重要方式。辐射冷却效应在惯性约束聚变、磁约束聚变以及天体物理等研究领域具有重要的研究意义及应用价值。在惯性约束聚变中,流体力学不稳定性引起的烧蚀层(包括掺杂元素)与燃料层的混合会加剧燃料层的辐射冷却,进而影响内爆动力学过程甚至影响点火;在磁约束聚变中,通过掺杂元素(Kr)的辐射冷却效应来降低等离子体在第一壁上的热沉积;在天体物理中,辐射冷却目前被认为是准直射流其形成的一个重要机制。

原子序数Z越高,辐射效应越显著。我们利用神光高功率激光装置,通过激光加热CH包覆的Au微点样品,来产生温度密度较均匀的Au等离子体并研究其辐射冷却效应。

1  实验设计

实验在“神光Ⅱ”装置上进行,实验排布示意图如图1所示。直径为f175 μm、厚0.2 μmAu/Ti/Cr样品对称地埋在2 μm厚的CH薄膜中央Au/Ti/Cr样品分为三层,其初始厚度分别为0.1 μm0.05 μm0.05 μm,掺杂TiCr元素是为了利用其类He离子的发射线诊断样品等离子体的温度。两侧各用两路激光对称地加热样品:激光波长0.351 μm,波形为1ns脉宽的方波,每束激光能量260 J,束匀滑激光焦斑直径为f400 μm,激光功率密度约2×1014 W/cm2。通过此种靶设计及激光加载方式,Au/Ti/Cr样品被CH等离子体从各个方向束缚,可以使其在膨胀过程中保持较均匀的温度密度状态。同时,由于CH包覆层与Au/Ti/Cr样品的辐射冷却速率差异大,可以观测到明显的辐射塌缩现象,演示天体射流的形成并从宏观尺度上检验辐射流体力学模拟程序。通过分幅相机从正向观测样品的横向尺寸变化,从侧向用条纹相机观测样品膨胀后的厚度,二者结合可以得到等离子体的密度;通过晶体谱仪测量TiCr的类He离子发射谱,通过其强度比诊断得到等离子体的电子温度;用X光二极管(XRD)测量样品的辐射流,用针孔相机从侧向对样品的二维膨胀图像进行观测。

Au等离子体辐射冷却效应实验研究

2  实验结果与数据分析

2是实验测量的Au/Ti/Cr等离子体在膨胀过程中的X光自发射图像。图2(a)和图2(b)分别为分幅相机测量的等离子体横向尺寸和厚度,可以看到当等离子体在厚度方向(z-方向)膨胀的同时,横向直径(x-y平面)在塌缩,Au/Ti/Cr等离子在膨胀过程中形成了类射流的结构。图2(c)分幅相机观测的时间积分的膨胀图像证实了这一结果。由于观测方向的原因,图2(c)的左侧部分被靶支撑机构遮挡了。

在图3(a)3(b)中,分别给出了等离子体半径以及厚度的变化曲线。线性拟合结果表明厚度方向的膨胀速度约为2.5×107 cm/sCH-Au/Ti/Cr等离子边界向高Z等离子体方向塌缩的速度约为1.3×107 cm/s,塌缩起始时刻为t=480 ps。稠密等离子体区域周围的发光区域为外向膨胀的Au/Ti/Cr等离子体进入CH等离子体形成的混合物。在此混合物中形成了一个径向向外传播的冲击波,速度约为1.3×107 cm/s

Au等离子体辐射冷却效应实验研究

根据Flychk程序的计算结果,本实验中的等离子体可以看做光学薄等离子体。对于光学薄等离子体,其发射强度正比于其离子密度的平方(ni2)。通过图2(a)的强度分布可以得到等离子体质量密度的分布;将等离子体的发光时刻对齐,利用图3(a)3(b)的直径和厚度可以得到等离子体的体积。在等离子体初始质量确定的情况下,我们可以得到Au/Ti/Cr等离子体质量密度随时间的变化曲线。图3展示了稠密区域的平均密度随时间的变化曲线,可以看到有一个平均密度约为r=11 mg/cm3的平台区域。通过TiCrHe离子发射线的强度比诊断得到的平均电子温度Te?2.0 keV

辐射塌缩敏感于等离子体辐射冷却时间和流体运动时间的比值。辐射冷却时间定义为等离子体内能和辐射流的比值,即

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在本实验中,等离子体温度Te=2.0 keV,密度ne=1.9×1021 cm-3,半径Rjet=90 mm。通过对Au/Ti/Cr等离子体谱线的分析,AuTiCr的平均离化度分别为Z*=502022。则等离子体声速为cs=1.3×107 cm/s,流体运动时间为Thydro=290 ps

根据文献中给出的理论计算的辐射流qrad,本实验中Au/Ti/Cr等离子体的平均辐射冷却时间为Trad=29 ps;而根据实验测量的激光加热结束时的辐射流计算出的辐射冷却时间为Trad=17 ps。实验测量的辐射流约为理论计算值的2倍,但文献中给出的理论不确定因子为2~4。通过上述分析可知,辐射冷却时间远小于流体运动时间(Trad<<Thydro),在等离子体膨胀过程中辐射冷却效应具有重要影响。

3  辐射流体力学模拟

利用Multi-2D程序模拟了f175 μm、厚0.2 μmAu样品对称地埋在2 μm厚的CH薄膜中央在膨胀过程中的空间分布、温度、密度以及压强分布。模拟中未考虑AuCH等离子体的混合。从图4中可以看到,随着Au等离子体在厚度方向膨胀,其直径在塌缩。在t=0.5 ns之前,Au等离子体中的压力高于CH包覆层等离子体的压力,AuCH包覆层等离子体作为一个整体一起膨胀。由于辐射冷却,Au等离子体的压力在后期低于CH等离子体的压力,CH等离子体开始压缩Au等离子体,使得观测到等离子的辐射塌缩。在激光加热CH的边界处,形成了一个向轴线传播的冲击波;在t=0.7 ns时,冲击波在轴线上汇聚然后向外传播,抑制了等离子体塌缩。在图5中,我们给出了等离子体的半径收缩比实验和理论的对比情况。由于在模拟中未考虑混合效应、以及激光斜入射引起的侧向烧蚀,在激光加热的后期理论模拟的收缩比大于实验测量值。

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