磁约束下组合脉冲激光诱导等离子体膨胀动力学研究

发布时间：2019-11-27 08:03

【摘要】：磁约束激光诱导等离子体的研究是等离子体应用中引人注目的课题。它是用磁场来约束等离子体中带电粒子的运动,使其受到洛伦兹力限制等离子体扩散技术。其广泛应用在激光诱导击穿光谱、磁约束核聚变技术,光刻技术以及磁控溅射技术等领域。由于其物理过程十分复杂,因此我们需要对磁场约束下的激光诱导等离子体膨胀动力学特性进行深入的研究。本文主要研究了磁场约束下组合脉冲激光诱导等离子体光谱特性,等离子体羽体膨胀形态,等离子体冲击波膨胀过程等物理过程。搭建磁场约束下的激光诱导等离子体发射光谱实验系统,研究有无磁场约束下单脉冲激光诱导铝等离子体光谱强度的变化。改变铝靶材在磁场中的位置,研究磁场曲率半径和梯度、磁力线弯曲程度对等离子体光谱的影响,研究不同波长在磁场约束条件下光谱强度的变化,计算了等离子在磁场和不存在磁场下的电子温度和电子密度。研究有无磁场约束下单脉冲激光诱导铝等离子体膨胀动力学特性。通过快速摄影法和阴影法记录等离子体的膨胀图片。对比分析有无磁场中等离子体的膨胀距离、冲击波膨胀速度和压强随着时间的演化过程。并且对比了靶材在磁场中不同位置的荧光图片,计算了等离子体膨胀距离发现磁场中不同位置的等离子体膨胀距离大小与不同位置等离子体的光谱强度大小正好相反,这说明,等离子体膨胀方向相同的曲率和梯度方向,磁性压力高,电子-离子碰撞频率的增加,欧姆加热增强,以及等离子体膨胀速度减小和等离子体膨胀距离减少,并且等离子体发射增强。计算了等离子体冲击波的速度和压强,发现在磁场约束条件下冲击波速度和压强均大于无磁场约束的情况。搭建磁场约束下共线双脉冲激光诱导等离子体实验系统,使用镜像显微镜进行光束合束准直,利用快速摄影法记录了磁场约束下不同延时双脉冲等离子羽体膨胀形态的时间演化过程。采用光谱法分析不同延时双脉冲激光诱导等离子体光谱学特性。双脉冲实验结果又一次证明长波长激光增强了等离子体的屏蔽效应,降低了激光与靶材的耦合,短波长时降低了等离子体的屏蔽效应,增加了激光与靶材的耦合。同时也证明了磁场约束对等离子体特性的影响。
【图文】：

带电粒子,螺旋线运动,回旋运动,磁力线

从方程（1.2），可得=常数//ν这表明粒子将以纵向速度沿着磁场方向做匀速直线运动和⊥v 垂直于洛伦兹力，故粒子作圆周运动的向心力由可写为qvBRvm⊥⊥=2以上分析知，在均匀稳恒磁场中带电粒子的运动由两部动；另一部分是匀速圆周运动。这两部分的合成是带电线为轴作螺旋线运动[12]，如图 1.1 所示。

托卡马克装置,结构示意图

图 1.2 托卡马克装置结构示意图马克装置复杂性和昂贵的运行成本。对于一些高能带电离我们可以尝试用激光等离子进行模拟。激光诱导等离子体m3，温度 3682K-10206K，可以达到等离子体核聚变的参统，利用磁场约束激光等离子体模拟磁约束核聚变，，等离用机理相同，设备结构简单，运行成本低廉。因此研究磁膨胀动力学可以为磁约束核聚变提供一定的理论铺垫。选题意义及主要研究内容了对在磁场约束下 1064nm+355nm 组合脉冲激光诱导铝等究，通过采集等离子发射光谱时间空间演化数据与荧光成像和阴影成像下等离子体冲击波图像，相互比对支撑，寻磁场和激光波长以及脉冲延时对铝等离子体微观粒子及等磁场约束对等离子体发射光谱强度增强的物理机制。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;TN249

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