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电子热传导机制是激光与物质相互作用过程中与能量输运直接有关的关键问题之一。目前,对于激光等离子体中电子热传导机制的研究而言,特别是对于人们在实验中发现的热流受限现象,定量的、可相互验证的理论和实验研究很少。本论文在国内首次利用x光谱线翼部线形和谱线强度比两诊断方法相结合对三倍频铝激光等离子体进行实验诊断;并将实验结果分别与流体动力学理论模拟和电子热传导区解析模型对比,对三倍频激光等离子体电子热传导机制进行了实验研究,为进一步的电子热传导机制研究打下基础。
实验是在中国工程物理研究院的“星光II”激光装置上进行的。等离子体由波长为0.35μm的泵浦激光束垂直聚焦照射平面Al靶产生,在靶前向侧面与靶面法线垂直方向放置具有空间分辨的晶体谱仪,用成像板来记录光谱信号。晶体(PET)谱仪空间分辨约为22μm,谱分辨λ/△λ≈800。
所进行的研究工作主要包括以下几个方面的内容:
1.电子热传导理论。
推导了经典的热传导模型,给出了其适用条件:进而探讨了考虑非局域效应、非Maxwellian分布对热流的影响;并对热流受阻的物理实质自生磁场及离子-声波湍流进行了一般讨论。借助于与电子热传导区有关的一维平面解析模型,给出了对局域模型中限流因子范围的估计方法,对于非局域稳态模型则修正了已有的限流因子估计公式;分析了各解析模型的有效范围;并简单评述了目前可用于电子热传导区直接诊断研究的方法。
2.x光谱诊断技术。
从激光等离子体x光谱辐射理论出发,讨论了辐射x光谱包含的激光等离子体参数信息。总结了目前用于激光等离子体参数诊断的x光谱方法;并详细比较了激光等离子体辐射x光谱线的各种展宽机制;基于已经较为成熟的x光谱诊断技术,成功搭建了空间分辨的x光谱测量系统,给出了等离子体发射光谱的数据处理方法。
3.三倍频Al激光等离子体电子热传导区特性的实验研究。
(a)基于电子热传导理论及光谱辐射理论,给出了三倍频Al激光等离子体电子温度、密度及类H离子类He离子丰度比在热传导区的空间分布。(b)通过对光谱线形的分析,给出了翼部Stark展宽诊断方法的大致适用范围;通过辐射模型的适用范围,估计了谱线强度比可诊断的电子密度范围。(c)通过结合拟合线谱翼部Stark展宽与常规的共振线和互组合线强度比两光谱学方法,得到了等离子体电子密度沿靶面法线分布的完整轮廓。(d)通过与一维辐射流体力学程序MultilD的对比,实验上证实了三倍频激光等离子体中电子热传导区的存在。(e)与一维非局域的稳态解析模型相结合,初步估计了热传导区长度、临界面附近的限流因子的大小,探索研究了热传导区的一些流体力学性质。