Z箍缩高温等离子体极化光谱诊断研究

【摘要】：Z箍缩喷气靶实验研究中,气体内爆产生高温等离子体辐射的X射线光谱包含着十分丰富的信息,如等离子体电子温度、密度和离化度等,这些参数通常都是依据辐射光谱强度比与谱线轮廓进行诊断。X射线极化光谱学是基于相互正交方向的X射线强度比对等离子体进行研究,极化X射线对电子分布及磁场非常敏感,能够提供等离子体各向异性的信息,与等离子体参数诊断紧密相关。在国家自然科学基金项目(No.10576041)的资助下,首次研制出X射线极化晶体谱仪,并在Z箍缩“阳”加速器上进行实验,探测等离子体电子温度,首次对X射线极化度进行了诊断研究。 X射线极化光谱理论可以依据塞曼效应进行分析,在磁量子数变化ΔMJ=0或ΔMJ=±1的情形下会发生塞曼跃迁并辐射极化光谱。X射线极化度的理论计算方法通常有光子密度矩阵法及多极辐射场法两种,其计算结果基本一致。极化度会随着碰撞电子能量的增加而减小,并逐渐趋近于零。 从理论上分析X射线入射至晶体物质的反射及折射强度,推导出X射线的折射率表达式,计算出X射线的布儒斯特角约45°,检测X射线极化度的理想情形即要求X射线以布儒斯特角入射至晶体表面。晶面间距、半高宽、峰值衍射率和积分反射率是决定晶体性能的基本参数。晶面间距与被衍射X射线波长相对应,晶面间距较大的晶体既能使长波辐射发生衍射,又能使短波辐射发生衍射,但在短波段的角色散能力较低。表面处理可以改变半高宽、峰值衍射率和积分反射率。 对不同类型的晶体谱仪进行分析,研制了极化晶体谱仪各部分结构:晶体分析器、闸板阀、转接法兰、胶片暗盒等,并研究了铝膜的透射率与其密度、厚度以及X射线波长之间的关系,铝膜透射率随X射线波长的增大有一定波动,而不是单调变化。 极化晶体谱仪研制完成之后,在Z箍缩“阳”加速器装置上进行X射线探测实验,以诊断等离子体状态。实验成功得到理想的X射线信号,谱仪的光谱分辨率(λ/Δλ)可以达到1000以上。在此重点研究Z箍缩X射线极化度及等离子体电子温度诊断。系统地探讨了利用实验数据计算X射线极化度的三种方法,采用程序对实验结果进行处理,通过计算得到类氦共振线w及互组合线y的极化度数据。同时也分析了等离子体电子温度的三种探测方法,利用实验数据结合共振线与伴线比值测温法理论来诊断等离子体电子温度,测量结果为960~1060eV。研究极化度与Z箍缩打靶功率的关系以及极化度对等离子体电子温度诊断的影响,打靶功率高时X射线极化度会降低;而探测Z箍缩等离子体电子温度时,晶体衍射面与Z箍缩电场方向的角度变化会影响最终诊断结果,具有各向异性的等离子体都有类似特性,因此依据谱线强度比得到的等离子体电子温度、密度的诊断结果需要利用谱线极化度加以修正。