等离子体Z箍缩过程与类氖氩软X射线激光的研究

发布时间：2017-05-31 10:06

  本文关键词：等离子体Z箍缩过程与类氖氩软X射线激光的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：软 X射线激光,由于其具有的波长短、单色性好、脉冲窄等其他光源不能同时拥有的特点,在诸如高温高密度等离子体诊断等领域,具有无法替代的应用前景。目前,在众多的小型化软X射线激光方案当中,毛细管放电软X射线激光具有装置体积小、搭建运行成本低、单发能量高、重复频率高等特点,是最有希望实现大规模实验室应用的方案。在理论和实验两方面,对毛细管放电软X射线激光进行深入研究。理论上模拟了毛细管放电等离子体Z箍缩过程。实验上,在低气压成功实现毛细管放电46.9 nm软X射线激光的基础上,本论文搭建了一整套,大电流主脉冲毛细管放电软X射线激光装置,开展类氖氩软X射线激光研究。在理论方面,编写了一维柱对称磁流体力学程序,并利用该程序对不同内径毛细管中,不同初始气压的Z箍缩过程进行了模拟,得出Z箍缩过程中等离子体状态的空间分布随时间的变化。通过模拟获得了在激光产生时,如电子温度、电子密度、类氖氩离子密度等状态在空间上的分布情况。对内径、初始气压对毛细管中的Z箍缩过程的影响进行了分析。对使用内径3.2 mm和4.0 mm毛细管的最佳气压条件下,增益系数之间的差别进行了分析。利用大电流主脉冲毛细管放电装置,进行毛细管放电软X射线激光研究。同时,研究预脉冲过程中的等离子体状态,以及Ar原子和Ar+离子丰度随时间的变化。对预电离等离子体进行诊断,测量了由预电离等离子体发出的自发辐射强度随时间的变化,以及时间积分光谱,研究不同预脉冲条件对软X射线激光的影响。利用内径为3.2 mm和4.0 mm的陶瓷毛细管,在主脉冲电流幅值为26 k A的条件下,研究了气压和预主脉冲延时对毛细管放电泵浦类氖氩6.9 nm软X射线激光实验的影响并获得了最佳实验参数。使用内径4.0 mm和3.2 mm陶瓷毛细管时,在最佳条件下测得46.9 nm激光的增益系数分别为0.86 cm-1和1.3 cm-1,实现了46.9 nm激光的深度增益饱和。深入研究了毛细管放电46.9 nm激光的脉冲持续时间和激光光强分布。首先,在激光脉冲宽度方面,分别利用内径3.2 mm和4.0 mm毛细管,在最佳初始气压条件下,测量了激光脉冲宽度随增益介质长度的变化。同时,模拟了激光脉冲宽度随增益介质长度的变化,解释了激光脉冲宽度的演化机理。测量了不同初始气压条件下的激光脉冲宽度。结合等离子体Z箍缩过程的理论研究结果,对不同气压条件下的激光脉宽演化过程进行了分析。利用软X射线平场谱仪,对内径3.2 mm和4.0 mm毛细管中,不同初始气压条件下获得的激光光强分布进行测量,计算最佳条件下的激光束散角,并对实验结果进行分析。针对实现毛细管放电类氖氩69.8 nm C线和72.6 nm E线的激光输出开展了研究。首先,通过降低主脉冲电流幅值和降低初始Ar气气压,获得了较高的电子温度和较低的电子密度的Z箍缩等离子体,该等离子体状态有利于69.8 nm和72.6 nm激光输出。实验中,在主脉冲电流幅值12 k A和初始气压14 Pa的条件下,实现了69.8 nm和72.6 nm激光输出,其中69.8 nm激光增益系数达到0.34 cm-1,增益长度积达到11。同时利用MHD程序对产生69.8 nm激光时的等离子体状态进行了模拟,对产生69.8 nm激光的等离子体状态进行了分析。本文对毛细管放电过程中的等离子体Z箍缩过程,以及其对类氖氩软X射线激光的影响进行了细致的研究,所得的理论和实验结果,对毛细管放电软X射线激光的发展具有的一定的推动作用。
【关键词】：Z箍缩 毛细管放电 软X射线激光 磁流体 增益饱和
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O434.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-35
• 1.1 研究的目的及意义14-16
• 1.2 国内外研究进展及分析16-34
• 1.2.1 国外研究现状16-29
• 1.2.2 国内研究现状29-30
• 1.2.3 国内外文献综述的简析30-34
• 1.3 本文的主要研究内容34-35
• 第2章 毛细管放电等离子体Z箍缩的理论研究35-65
• 2.1 毛细管放电Z箍缩效应35-36
• 2.2 等离子体Z箍缩的理论模型36-44
• 2.2.1 一维两温磁流体力学模型38-42
• 2.2.2 Z箍缩等离子体电离模型42-44
• 2.3 等离子体Z箍缩过程理论模拟44-51
• 2.3.1 内径 3.2 mm毛细管内等离子体Z箍缩过程44-47
• 2.3.2 内径 4.0 mm毛细管内等离子体Z箍缩过程47-51
• 2.4 产生激光时刻等离子体状态空间分布模拟51-63
• 2.4.1 内径 3.2 mm毛细管等离子体状态分析52-57
• 2.4.2 内径 4.0 mm毛细管等离子体状态分析57-61
• 2.4.3 毛细管内径对 46.9 nm激光增益的影响分析61-63
• 2.5 本章小结63-65
• 第3章 大电流Z箍缩产生类氖氩 46.9 nm激光研究65-110
• 3.1 引言65
• 3.2 大电流主脉冲毛细管放电实验装置65-85
• 3.2.1 主脉冲电源66-69
• 3.2.2 放电室69-70
• 3.2.3 连接套筒70-71
• 3.2.4 预主脉冲隔离电感71-74
• 3.2.5 可移动放电电极74-77
• 3.2.6 真空系统77-78
• 3.2.7 预脉冲电源系统78-80
• 3.2.8 延时电路80-82
• 3.2.9 软X射线探测系统82-85
• 3.3 毛细管放电预电离等离子体状态研究85-89
• 3.3.1 引言85-86
• 3.3.2 预电离等离子体诊断实验装置86-87
• 3.3.3 预电离等离子体诊断实验87-89
• 3.4 内径 3.2 mm毛细管的 46.9 nm激光实验研究89-99
• 3.4.1 毛细管内初始气压对 46.9 nm激光影响研究92-93
• 3.4.2 预脉冲电流条件对 46.9 nm激光的影响研究93-96
• 3.4.3 46.9 nm激光增益测量实验96-99
• 3.5 内径 4.0 mm毛细管的 46.9 nm激光实验研究99-108
• 3.5.1 毛细管内初始气压对 46.9 nm激光影响研究102-104
• 3.5.2 预脉冲电流条件对 46.9 nm激光的影响104-105
• 3.5.3 46.9 nm激光增益测量实验105-108
• 3.5.4 毛细管内径对 46.9 nm激光影响的分析108
• 3.6 本章小结108-110
• 第4章 46.9 nm激光的脉宽和光斑光强分布的实验研究110-129
• 4.1 引言110
• 4.2 46.9 nm激光的脉宽的实验研究110-118
• 4.2.1 等离子体柱长度对 46.9 nm激光脉宽的影响111-115
• 4.2.2 初始气压对 46.9 nm激光脉宽的影响115-118
• 4.3 46.9 nm激光光强分布实验研究118-128
• 4.3.1 实验装置118-120
• 4.3.2 软X射线平场谱仪标定120-123
• 4.3.3 46.9 nm激光光强空间分布的实验研究123-128
• 4.4 本章小结128-129
• 第5章 小电流Z箍缩产生 69.8nm软X射线激光研究129-147
• 5.1 引言129-131
• 5.2 小电流毛细管放电软X射线激光激光实验装置131-136
• 5.3 毛细管放电类氖氩 3p-3s能级 69.8 nm激光实验136-142
• 5.4 小电流下等离子体Z箍缩的理论模拟142-146
• 5.5 本章小结146-147
• 结论147-149
• 参考文献149-159
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果159-162
• 致谢162-163
• 个人简历163

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘正坤;邱克强;陈火耀;刘颖;徐向东;付绍军;王琛;安红海;方智恒;;软X射线双频光栅剪切干涉法研究[J];物理学报;2013年07期

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本文编号：409130