高功率激光加载下的X射线源特性及应用研究
发布时间：2023-02-26 16:48
X射线探针诊断技术是惯性约束聚变(ICF)实验研究中的一种重要诊断方法,常用于观测极端条件下的复杂体系内高温稠密等离子体的时空演化,用以校验理论物理模型及数值模拟程序。辐射源探针的品质关乎实验诊断的成败,是评价诊断技术方案可行性的重要依据。利用强激光产生的等离子体X光源具有皮秒量级时间分辨,几十微米的空间分辨能力,是最为契合ICF相关实验诊断需求的辐射源。本论文以ICF实验诊断需求为牵引,以建立1-60keV波段的X射线诊断能力为目标,开展了纳秒激光及超短脉冲激光驱动X光源特性及其应用研究。博士期间的主要工作内容可分为两个部分:开展纳秒激光驱动Multi-keV波段的X射线背光源特性及优化研究,为当前神光Ⅱ装置上开展的各类ICF实验研究提供高效诊断探针源。具体内容如下:1.为建立高质量的纳秒级钛背光探针,在神光Ⅱ装置上开展了双脉冲驱动及气凝胶优化实验研究,通过对X射线辐射源的各类特征参量(如辐射源空间尺度、时间波形、能谱分布等)分析,结合辐射流体力学程序模拟,对神光Ⅱ装置实验平台上的钛背光源输出能力进行了评估。2.以X射线背光成像诊断技术对辐射面源的需求为牵引,开展了纳秒激光驱动钛、氯...
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 X射线辐射源简介
1.3 论文安排
第一部分 纳秒激光驱动Multi-keV波段X光源特性及应用研究第二章 激光等离子体产生的Multi-keV X光源特性
2.1 激光等离子体X光源
2.2 Multi-keV波段X射线的产生过程
2.2.1 逆韧致吸收
2.2.2 Multi-keV辐射的产生
2.3 Multi-keV波段X射线特征参量性质
2.3.1 Multi-keV波段X射线的能谱特性及变化规律
2.3.1.1 K壳层X射线
2.3.1.2 L壳层X射线
2.3.1.3 M壳层X射线
2.3.1.4 自由-束缚连续谱
2.3.1.5 光谱分布变化规律
2.3.2 时间行为
2.3.3 辐射源尺寸
2.3.4 辐射角分布
2.3.5 X射线转换效率与激光特征参数之间的关系
2.3.5.1 激光脉宽与CE
2.3.5.2 激光波长与CE
2.3.5.3 材料原子序数与CE
2.3.5.4 激光功率密度与CE
2.3.5.5 激光入射角与CE
2.3.5.6 X射线谱宽与转换效率CE
2.4 Multi-keV波段X射线的优化研究
2.4.1 气体靶的启示
2.4.1.1 “整体加热”效应
2.4.1.2 “超声速加热”效应
2.4.2 辐射源效率优化方法
2.4.2.1 低密度掺杂气凝胶优化方案
2.4.2.2 “预爆炸薄膜靶”优化方案
2.4.2.3 内衬腔优化方案
2.4.3 Multi-keV X光源辐射源优化小结
2.5 总结
第三章 纳秒激光驱动钛背光源优化实验研究
3.1 研究背景
3.2 实验装置及实验排布
3.2.1 双脉冲优化方案
3.2.2 疏松靶优化方案
3.3 实验结果及分析
3.4 数值模拟分析
3.4.1 模拟工具
3.4.2 计算初始条件
3.4.3 数值模拟结果
3.4.3.1 单脉冲驱动(DP) K-α辐射功率与靶厚
3.4.3.2 双脉冲驱动(SP) K-α辐射功率与靶厚
3.4.3.3 原因分析
3.4.4 数值模拟小结
3.5 结论
第四章 纳秒激光驱动Multi-keV面源背光实验研究
4.1 研究需求
4.2 模拟预估分析
4.3 实验方案
4.4 实验结果与分析
4.4.1 等离子体能谱分布
4.4.2 Multi-keV波段X射线辐射区域
4.4.3 Multi-keV波段背光源脉冲宽度
4.4.4 Multi-keV波段背光源辐射相对强度比较
4.5 背光诊断应用研究
4.6 结论
第五章 纳秒激光驱动Cu背光源特性及优化研究
5.1 研究目标
5.2 实验排布
5.3 实验结果与分析
5.3.1 背光源发光区域
5.3.2 背光源能谱
5.3.3 X射线辐射脉宽
5.3.4 实验小结
5.5 数值模拟分析
5.5.1 K-α辐射模拟
5.5.1.1 预脉冲作用下的K-α射线辐射
5.5.1.2 不同初始密度的气凝胶优化结果
5.5.2 L壳层辐射模拟
5.5.2.1 不同初始密度
5.5.2.2 不同功率密度
5.5.3 正入射模拟
5.5.4 结论
5.6 应用研究
5.7 总结
第六章 超强超短激光驱动X光源研究简介
6.1 需求牵引
6.2 Kα射线产生原理
6.2.1 超热电子加速机制
6.2.1.1 共振吸收
6.2.1.2 真空加热
6.2.1.3 J×B加热
6.2.2 超强超短激光与固体相互作用的简单物理模型
6.2.2.1 有限尺度的平面靶内产生Kα光子的模型
6.2.2.2 Kα光子产额与靶厚度之间的关系
6.2.2.3 Kα光子产额与热电子温度之间的关系
6.2.2.4 Kα光子产额与原子序数Z之间的关系
6.3 国内外研究现状
6.3.1 超短脉冲驱动Kα光源特性研究
6.3.2 靶构型对X射线产额优化实验研究
6.3.3 瞬态透视照相技术及应用研究
6.4 总结
第七章 皮秒激光驱动Kα光源实验研究
7.1 研究目的与意义
7.2 实验排布
7.3 实验结果及分析
7.3.1 Cu-Kα能谱及发光区
7.3.2 电子能谱测量
7.3.3 Kα辐射与功率密度的关系
7.3.4 不同的靶厚度条件下的Kα源
7.4 瞬态透视照相技术探索—Kα背光探针静态投影成像
7.5 总结
第八章 皮秒激光驱动Kα光源数值模拟分析
8.1 PIC/MC模思路及近似假设
8.1.1 基本物理图像
8.1.2 物理过程分析:电子加速与碰撞输运
8.1.2.1 PIC与MC模拟特点
8.1.2.2 分离模拟依据
8.2 数值模拟物理模型
8.2.1 PIC程序的计算物理模型
8.2.2 电子能量及运动轨迹统计方法
8.2.2.1 激光作用阶段的超热电子信息统计方法
8.2.2.2 激光作用阶段的电子输运(MC)计算方法
8.2.2.3 激光结束后阶段的超热电子信息的统计方法
8.2.2.4 激光结束后阶段的电子输运(MC)计算方法
8.2.2.5 总的统计结果
8.3 不同初始密度分布模拟
8.3.1 初始设置
8.3.2 模拟结果
8.3.2.1 激光到电子的能量转化率
8.3.2.2 电子到Kα射线的转化效率
8.3.2.3 激光到Kα射线的能量转化效率CE
8.3.3 电子能谱对比分析
8.3.3.1 电子温度与激光功率的变化规律
8.3.3.2 超热电子能量随激光功率的变化规律
8.4 电子加速机制分析
8.5 总结
8.5.1 模拟结论
8.5.2 模拟中存在的问题-近似假设
8.5.3 模拟中存在的问题-计算模型不足之处
8.5.3.1 激光加载阶段计算模型的不足
8.5.3.2 激光结束阶段计算模型的不足
8.5.4 改进与研究展望
第九章 总结与展望
参考文献
致谢
个人简历
个人发表学术论文、专利及学术活动情况
本文编号：3750541
【文章页数】：152 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 X射线辐射源简介
1.3 论文安排
第一部分 纳秒激光驱动Multi-keV波段X光源特性及应用研究第二章 激光等离子体产生的Multi-keV X光源特性
2.1 激光等离子体X光源
2.2 Multi-keV波段X射线的产生过程
2.2.1 逆韧致吸收
2.2.2 Multi-keV辐射的产生
2.3 Multi-keV波段X射线特征参量性质
2.3.1 Multi-keV波段X射线的能谱特性及变化规律
2.3.1.1 K壳层X射线
2.3.1.2 L壳层X射线
2.3.1.3 M壳层X射线
2.3.1.4 自由-束缚连续谱
2.3.1.5 光谱分布变化规律
2.3.2 时间行为
2.3.3 辐射源尺寸
2.3.4 辐射角分布
2.3.5 X射线转换效率与激光特征参数之间的关系
2.3.5.1 激光脉宽与CE
2.3.5.2 激光波长与CE
2.3.5.3 材料原子序数与CE
2.3.5.4 激光功率密度与CE
2.3.5.5 激光入射角与CE
2.3.5.6 X射线谱宽与转换效率CE
2.4 Multi-keV波段X射线的优化研究
2.4.1 气体靶的启示
2.4.1.1 “整体加热”效应
2.4.1.2 “超声速加热”效应
2.4.2 辐射源效率优化方法
2.4.2.1 低密度掺杂气凝胶优化方案
2.4.2.2 “预爆炸薄膜靶”优化方案
2.4.2.3 内衬腔优化方案
2.4.3 Multi-keV X光源辐射源优化小结
2.5 总结
第三章 纳秒激光驱动钛背光源优化实验研究
3.1 研究背景
3.2 实验装置及实验排布
3.2.1 双脉冲优化方案
3.2.2 疏松靶优化方案
3.3 实验结果及分析
3.4 数值模拟分析
3.4.1 模拟工具
3.4.2 计算初始条件
3.4.3 数值模拟结果
3.4.3.1 单脉冲驱动(DP) K-α辐射功率与靶厚
3.4.3.2 双脉冲驱动(SP) K-α辐射功率与靶厚
3.4.3.3 原因分析
3.4.4 数值模拟小结
3.5 结论
第四章 纳秒激光驱动Multi-keV面源背光实验研究
4.1 研究需求
4.2 模拟预估分析
4.3 实验方案
4.4 实验结果与分析
4.4.1 等离子体能谱分布
4.4.2 Multi-keV波段X射线辐射区域
4.4.3 Multi-keV波段背光源脉冲宽度
4.4.4 Multi-keV波段背光源辐射相对强度比较
4.5 背光诊断应用研究
4.6 结论
第五章 纳秒激光驱动Cu背光源特性及优化研究
5.1 研究目标
5.2 实验排布
5.3 实验结果与分析
5.3.1 背光源发光区域
5.3.2 背光源能谱
5.3.3 X射线辐射脉宽
5.3.4 实验小结
5.5 数值模拟分析
5.5.1 K-α辐射模拟
5.5.1.1 预脉冲作用下的K-α射线辐射
5.5.1.2 不同初始密度的气凝胶优化结果
5.5.2 L壳层辐射模拟
5.5.2.1 不同初始密度
5.5.2.2 不同功率密度
5.5.3 正入射模拟
5.5.4 结论
5.6 应用研究
5.7 总结
第六章 超强超短激光驱动X光源研究简介
6.1 需求牵引
6.2 Kα射线产生原理
6.2.1 超热电子加速机制
6.2.1.1 共振吸收
6.2.1.2 真空加热
6.2.1.3 J×B加热
6.2.2 超强超短激光与固体相互作用的简单物理模型
6.2.2.1 有限尺度的平面靶内产生Kα光子的模型
6.2.2.2 Kα光子产额与靶厚度之间的关系
6.2.2.3 Kα光子产额与热电子温度之间的关系
6.2.2.4 Kα光子产额与原子序数Z之间的关系
6.3 国内外研究现状
6.3.1 超短脉冲驱动Kα光源特性研究
6.3.2 靶构型对X射线产额优化实验研究
6.3.3 瞬态透视照相技术及应用研究
6.4 总结
第七章 皮秒激光驱动Kα光源实验研究
7.1 研究目的与意义
7.2 实验排布
7.3 实验结果及分析
7.3.1 Cu-Kα能谱及发光区
7.3.2 电子能谱测量
7.3.3 Kα辐射与功率密度的关系
7.3.4 不同的靶厚度条件下的Kα源
7.4 瞬态透视照相技术探索—Kα背光探针静态投影成像
7.5 总结
第八章 皮秒激光驱动Kα光源数值模拟分析
8.1 PIC/MC模思路及近似假设
8.1.1 基本物理图像
8.1.2 物理过程分析:电子加速与碰撞输运
8.1.2.1 PIC与MC模拟特点
8.1.2.2 分离模拟依据
8.2 数值模拟物理模型
8.2.1 PIC程序的计算物理模型
8.2.2 电子能量及运动轨迹统计方法
8.2.2.1 激光作用阶段的超热电子信息统计方法
8.2.2.2 激光作用阶段的电子输运(MC)计算方法
8.2.2.3 激光结束后阶段的超热电子信息的统计方法
8.2.2.4 激光结束后阶段的电子输运(MC)计算方法
8.2.2.5 总的统计结果
8.3 不同初始密度分布模拟
8.3.1 初始设置
8.3.2 模拟结果
8.3.2.1 激光到电子的能量转化率
8.3.2.2 电子到Kα射线的转化效率
8.3.2.3 激光到Kα射线的能量转化效率CE
8.3.3 电子能谱对比分析
8.3.3.1 电子温度与激光功率的变化规律
8.3.3.2 超热电子能量随激光功率的变化规律
8.4 电子加速机制分析
8.5 总结
8.5.1 模拟结论
8.5.2 模拟中存在的问题-近似假设
8.5.3 模拟中存在的问题-计算模型不足之处
8.5.3.1 激光加载阶段计算模型的不足
8.5.3.2 激光结束阶段计算模型的不足
8.5.4 改进与研究展望
第九章 总结与展望
参考文献
致谢
个人简历
个人发表学术论文、专利及学术活动情况
本文编号：3750541
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/hkxlw/3750541.html
