超高密度高温等离子体诊断

离子数密度、温度范围分别为、的等离子体的各种物理参量的测量

超高密度高温等离子体诊断是指离子数密度、温度范围分别为、的等离子体的各种物理参量的测量。

介绍

在实验室中，这类等离子体一般都是在高功率密度的激光或带电粒子束与靶物质相互作用的过程中产生的，也称为惯性约束等离子体。这类等离子体的特点是尺寸小(10?m～1cm)，时间短(10ps～100ns), 而且它包含有参量范围和物理特性差别很大的各种等离子体区，即冕区、靶区和中心的燃料区。这就使得许多常规的等离子体诊断方法（见等离子体诊断学）在这里不适用了，而必须采用许多具有高空间分辨(1?m～1cm)和时间分辨1ps～20ns特点的诊断方法，形成了等离子体诊断学中的独特领域。惯性约束等离子体的诊断方法有：测量从等离子体内部发射出来的一切物质，包括各种频区的电磁辐射（这里主要是 X射线）、电子、离子以及热核反应产物（中子、α 粒子）等，以及主动地送入各种形式的探测束，例如紫外激光探测束、X射线探测束等,并根据它们与等离子体的相互作用，对等离子体进行诊断。下文以激光爆聚等离子体为主要对象, 对惯性约束等离子体中常用的诊断方法,作一简述。

激光诊断　在激光或粒子束与靶相互作用实验中，靶吸收入射束能量后，在靶的周围产生一个密度较低的等离子体区，通常称为冕层等离子体。入射束能量的吸收和输运过程都发生在冕区。因而，为了更好地了解束靶相互作用过程，就需要细致地测量该区中电子密度分布的细节。

如等离子体诊断学所述，干涉法或全息干涉法是测量等离子体电子密度的一种成功的方法，它是利用相干的探测光束通过等离子体时，由于等离子体折射率（它与电子密度有关）的变化所产生的相移来测量电子密度的。与常规的实验室等离子体相比，惯性约束的冕区等离子体的密度仍较高，且密度梯度大，这就要求探测束的波长要十分短。此外，由于这类等离子体密度的瞬态变化很快，它也要求探测束的脉冲宽度要足够窄。例如，在某些激光－靶相互作用实验中，利用主激光束（铷玻璃激光）的四倍频的紫外线束（波长2660┱）作探测束，并用全息干涉法探测了冕区等离子体电子密度分布，它所测的电子数密度高达1027米-3，并观测到了临界层附近的密度梯度变陡，等密度面存在小尺度波纹等现象，这些测量对束靶相互作用过程的理解起了重要的作用。

X 射线诊断惯性约束等离子体是个丰富的X射线源。在惯性约束等离子体实验中，靶材料被入射束加热，其温度可达约一百电子伏至几千电子伏；而且，当靶中含有聚变反应材料（如氘、氚等，它们也称为燃料），并发生聚变反应时，靶可被加热达五十千电子伏甚至更高温度。因而，从靶发出的电磁辐射,大部分都落在X射线区。这些X 射线辐射，特别是其能谱、空间和时间分布的数据，与靶中所发生的物理过程，特别是爆聚的动力学过程密切相关，通过对它们的测量可以得到下列重要的信息：

① 由时间分辨的X射线连续谱的测量，可以测定靶中电子温度随时间的变化，并可以了解靶爆聚的动力学过程，求出靶爆聚的时间；此外，它与下述的X 射线空间分辨测量数据相结合，可间接地求出靶的平均爆聚速度。

② 利用X射线成像方法，通过时间分辨地记录爆聚等离子体X射线源的像,可对靶的压缩过程进行时、空分辨的测量，从而可以直接测量爆聚的速度，并可获得有关爆聚对称性和压缩状况等重要数据。

③ 通过空间分辨地测量靶元素所发射的X射线标识线辐射强度（或强度比），可得到靶等离子体的电子密度和电子温度的空间分布。

④ 利用有意识地在燃料中掺入少量的杂质元素,通过高谱分辨和空间分辨地测量它们所发射的谱线轮廓，可以导出燃料区最后所达到的压缩密度和压缩尺寸。可见光和X 射线测量在超高密度高温等离子体诊断中占有十分重要的地位。因此，在惯性约束等离子体实验中都装备了很多各种类型的X 射线诊断仪器，以求尽可能完整地获得靶发射的X 射线的能谱、空间和时间分布的数据。这样，发展各种类型的、高性能的X 射线诊断仪器，也成为惯性约束等离子体实验研究的重要课题。

在惯性约束等离子体实验中,时间分辨的X射线测量的主要工具是X 射线高速扫描照相机，其工作原理基本上和光学的变像管式扫描照相机相同，它的分辨时间已达15ps，可用的能量范围是1～30keV。此外，也有用无窗快X 射线二极管做低能X 射线（能量小于一千电子伏）的时间分辨测量，分辨时间已达30ps，而且它在0.1～1.5keV范围内有较平的响应曲线。

X射线能谱测量仪器主要有两类，一类是多道K边滤光片X射线谱仪，用来测量宽能谱范围的X射线连续谱。它是利用不同元素在各自的K吸收边附近对X射线具有带通透射的特性,以及X射线连续谱和探测器的谱响应随能量而单调下降的特性，以获得不同道的谱窗。另一类谱测量仪器是X射线布喇格晶体谱仪，它能高分辨地测量X射线线谱及其轮廓。

常用的X射线成像仪器有：针孔照相机、掠射 X射线显微镜和菲涅耳波带片。它们也是天文学中X射线观测所常用的仪器。针孔成像是一种古老而简单的成像方法，它是利用光线近似直线传播的原理成像的。掠射式 X射线显微镜是利用媒质表面对于掠射角小于临界角的 X射线具有全反射的特性，制成各种类型聚焦的反射镜，用来对X 射线源成像。菲涅耳波带片编码照相是一种两步成像技术。它的关键成像部件是菲涅耳波带片，这是由一系列等面积的透明和不透明交替的环形带所组成的。其成像的第一步是源所发出的X 射线通过波带片在适当的成像平面上形成重叠的阴影图分布；第二步是用平行的相干光照射所得到的阴影图，它的透射光的菲涅耳衍射图在适当的空间内，重现了原辐射源的三维分布的实像。这类X射线成像仪器的空间分辨率已达3?m。

热核反应产物测量　当靶被加热和压缩时，靶的性能的一个重要标志是燃料区产生了聚变反应，并释放出大量的中子、α 粒子和质子等反应产物。这些聚变反应产物的测量可以给出燃料在加热和压缩期间所达到的各种物理参量, 如离子温度、密度以及面质量密度ρR（其中ρ是燃料区压缩后所达到的质量密度,R是燃料球压缩后所达到的半径）等。

聚变反应产物测量主要包括中子、α 粒子的产额、能谱分布和反应区的成像测量。中子产额和能谱的测量是比较直截了当的，从这些测量可以求出燃料的离子温度（见等离子体诊断学）。与此类似，从聚变反应产生的α 粒子的产额和能谱的测量，也能获得燃料的离子温度。与常规的中子、α 粒子能谱测量不同的是，由于这里的反应区体积小，反应时间极短，中子和α 粒子几乎是从同一地点瞬时地产生和发射的，因而特别适合于用飞行时间法测量它们的能谱。此外，利用针孔照相或波带片编码照相的方法，可以高分辨地测量中子和α 粒子源的空间分布，并由此可以获得燃料压缩后的尺寸，质量面密度和压缩的对称性等重要信息。但当燃料区达到较高的压缩密度时，α 粒子难以从中逃逸，这时可用中子活化分析测量燃料区压缩后的ρR值。它是将少量的待活化的原子均匀地掺入燃料或靶壳中，利用它们与热核中子的核反应而产生的放射性同位素的数目(它与ρR值成正比)，来间接地推算燃料区的ρR值。

X 射线探针　当靶等离子体的密度较高、温度较低时，靶自辐射的X射线强度较弱，难以用X射线自辐射进行诊断,这时，就需要借助于外X射线源所产生的强的线或带辐射，对这类靶的动力学过程进行诊断。它是利用靶在强的X射线背景辐照下所产生的阴影进行成像测量的，故有时也称为X射线背景照明诊断，或X射线阴影照相。X射线探针系统包括有外 X射线源、X射线成像仪器和记录仪器或介质。

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