基于碰撞辐射模型的激光等离子体光谱分析与模拟

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激光等离子体在其产生及膨胀冷却过程中经历着十分复杂的动力学演化过程,并且具有发射波段宽、多种电荷态离子共存、原子过程复杂以及温度和电子密度的空间梯度较大等非常丰富的物理信息。对激光等离子体的辐射输运性质和动力学演化特性的研究可以为受控热核聚变等离子体的诊断、极真空紫外和软X射线光源的设计、强流激光离子源的优化及天体等离子体的模拟等重大研究领域提供重要的参考。在本论文的研究中,我们搭建了时空分辨的激光等离子体光谱测量装置并对高纯度固体靶材产生的等离子体极真空紫外(EUV)波段光谱进行了测量。以含时的碰撞辐射模型为基础编写了求解激光等离子体中电荷态分布和激发态布居演化规律的程序。利用该程序获得了等离子体温度、电子密度、电荷态分布等参数的时间演化信息,准确地再现了等离子体的膨胀和冷却过程,实现了等离子体的快速诊断,并为激光等离子体的辐射和动力学演化特性的研究提供了一种行之有效的方法。结合实验测量和理论模拟,我们进行了以下几方面的工作:(1)实验测量了范围是6.5–16 nm范围的激光Cu等离子的EUV光谱,并用Cowan程序辨认出实验光谱主要来自Cu6+–Cu+9离子的3d–4f和3d–5f跃迁阵列。结合原子结构参数和等离子体中的电荷态分布,成功模拟了实验光谱,得到了Cu等离子体中温度和密度等状态参数的分布信息。(2)利用时空分辨光谱测量装置获得了激光Al等离子体的时间演化光谱。并通过激光等离子体分析模拟程序细致研究了Al等离子体的辐射和动力学特性,获得了等离子体温度、电子密度及电荷态分布随时间的演化信息,并讨论了光电离过程对电离平衡的影响。
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