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非局域热动平衡等离子体的粒子布居和辐射性质研究

高城  
【摘要】:等离子体辐射性质的研究在惯性约束聚变(ICF)、磁约束聚变、天体物理、X射线和激光物理等领域具有重要应用,考虑非局域热动平衡效应对粒子布居的影响是获得精确辐射参数的重要方面。本文发展了细致能级和细致组态层次的碰撞辐射模型,并用于非局域热动平衡等离子体粒子布居和辐射性质的研究。作为应用,基于细致能级的计算,利用氩等离子体Lyβ谱线强度对热电子温度的敏感性,提出了诊断ICF实验内爆区热电子温度的方法。基于细致组态的计算,对具有开N壳层的金等离子体粒子布居和M带发射谱进行了研究,并与实验进行了系统比较。在细致组态层次上,使用类氢的解析公式获得所有原子参数,以此建立的碰撞辐射模型用于高原子序数等离子体粒子布居的快速计算。使用含时的碰撞辐射模型研究了等离子体粒子布居随时间的演化。此外,本文还对等离子体环境对原子结构和辐射不透明度的影响做了初步研究。具体内容如下: 首先,发展了基于细致能级层次的碰撞辐射模型,在稳态近似下研究了辐射场对碳等离子体电离平衡的影响。结果表明,辐射场使等离子体电离增强,但是随着等离子体密度的增大,辐射场对电离平衡的影响越来越小。研究了在ICF内爆区的条件下,热电子对氩等离子体粒子布居和K壳层发射谱的影响。结果表明:热电子使得氩等离子体的电离度增大,但是当热电子的温度达到某一临界值后,热电子对电离平衡的影响开始逐渐减小。研究了氩等离子体K壳层发射光谱在不同的热电子温度和份额条件下的变化。结果表明,类氢氩离子的Lyβ谱线强度对热电子的温度非常敏感。利用这种敏感性,可以为实验提供一种诊断内爆区热电子温度的工具。 其次,发展了基于细致组态的碰撞辐射模型,研究了具有开N壳层结构的金等离子体粒子布居和M带的发射谱,与各种条件下金等离子体的实验测量结果进行了系统比较,与实验符合得较好。使用类氢的解析公式获得组态层次的所有原子参数,并以此建立的碰撞辐射模型研究了高Z(Z为原子序数)元素等离子体粒子布居,使用该方法可以快速高效地对高Z元素的等离子体粒子布居进行计算。检验了基于类氢的解析公式得到的自电离和双电子符合速率的精度。结果表明,由解析公式得到的自电离参数与精细计算的结果相比,整体上精度不高,因此从原子参数精度的角度解释了长期以来,不同的NLTE模型得到的粒子布居存在差异的原因。 第三,基于细致能级的计算,利用含时的碰撞辐射模型,研究了氩等离子体K壳层激发自电离态的驰豫过程。为模拟激光与物质相互作用过程中的能量沉积、粒子布居和辐射性质的含时演化提供了工具。 第四,基于Debye模型研究了等离子体环境对原子结构、光电离过程和辐射不透明度的影响。首先使用Debye模型研究了等离子体屏蔽对氢原子能级、束缚-束缚跃迁的振子强度和光电离截面的影响。发现屏蔽增强时,氢原子能级次序发生改变。当屏蔽增强到一定程度时,氢原子基态光电离截面在电离域值附近发生共振现象,解释了共振产生的原因。其次,使用Debye模型研究了环境效应对碳原子结构和辐射不透明度的影响,分析了光谱分辨的不透明度的谱线位置和强度的变化原因。 最后,作为理论的应用,基于细致能级的计算,实现了对等离子体状态的精确诊断。首先,使用精细的局域热动平衡铁等离子体辐射不透明度诊断了高温铁等离子的物质状态。结果表明实验等离子体没有处在严格的局域热动平衡,并预测了可能的粒子布居。其次,使用碰撞辐射模型诊断了高温稠密的非局域热动平衡碳等离子电离平衡,分析了可能影响电离平衡的因素。计算表明,高温辐射场是导致实验碳等离子体偏离局域热动平衡的主要因素。


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