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《中国工程物理研究院北京研究生部》 2003年
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激光差分干涉测量稠密等离子体密度技术研究

陈光华  
【摘要】: 本文阐述了激光差分干涉测量稠密等离子密度技术的研究背景和意义,综述了国内外等离子体密度测量技术的研究现状。本文以建立较完善的激光差分干涉测量稠密等离子体密度技术为目的,进行了深入而且广泛的理论和实验研究。 理论上,运用激光与等离子体的相互作用原理、激光在等离子体中的传播规律、以及差分剪切干涉测量技术原理,建立了使用差分干涉技术测量稠密等离子体密度的基本模型。在此基础上,采用数值模拟的方法,计算了在几种典型的等离子体密度分布下,激光波面的变化和产生的干涉图样;并用光线矢量微分方程的数值解法计算了当等离子体密度接近光频临界电子密度时,光线在等离子体中的传播路径,从中掌握了在不同的等离子体密度和形状下,进行干涉测量所应估计到的因素。 研究了从干涉图中重建等离子体在三维空间中的体密度分布的数据处理方法。首先对干涉图进行频谱滤波,用频谱移频法从干涉图中提取相位,然后用快速傅立叶变换或多项式拟合实现波面重建,计算线积分密度,再利用Abel积分变换从线积分密度的拟合曲线中反演径向体密度分布。 另外,本文还着重推导了线积分密度分布和径向体密度分布之间的傅立叶积分变换关系,并利用快速傅立叶变换实现了完全抛开Abel反演公式的密度反演计算。快速傅立叶变换法适合于重建具有陡峭波峰和复杂形状的等离子体密度分布,数值模拟的结果表明该方法具有计算精度高和速度快的特点。此外,在理论上还研究了对强折射等离子体重建密度分布的迭代算法。 建立了适合于稠密等离子体测量的激光剪切差分干涉测量系统。从波长、脉冲宽度和脉冲能量等方面分析了光源应满足的条件,并对系统的物象关系进行了分析。设计了基于共光路结构的离焦4f剪切差分干涉仪,该干涉仪同时具有M-Z型干涉仪的剪切量和条纹空间频率分别可调的优点以及共光路结构的稳定性和易于调节的优点,使得在稠密等离子体的测量中,系统参数可以兼顾小的剪切量和大的条纹空间频率。 实验上,对等离子体断路开关中的电缆等离子体枪(C-Gun)和等离子体焦点装置(DPF)产生的等离子体进行了测量,获得了对应不同时刻的清晰的干涉图像,给出了线积分密度等值线图和距喷口不同高度处的径向密度分布。测量到的C-Gun等离子体的最高体密度约为2.6×10~(17)cm~(-3);DPF等离子体在焦点附近的密度约为1.2×10~(19)cm~(-3)。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院北京研究生部
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:O531

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