X光辐射在泡沫介质中超声速传输研究进展

X光辐射输运过程通过光子的发射与吸收使能量在介质内进行再分配,而光子的辐射和吸收过程对从介质内出射的能谱产生十分显著的影响。辐射输运由积分-微分方程来描述,得到它的解极其困难,这是因为此方程依赖于局域和非局域的条件。当外加的非局域的X光辐射场作用在介质上一个强的X光辐射能流时,介质的局域温度和密度将影响X光的吸收和发射。本文将对辐射输运的方程和基本理论进行阐述,并对辐射超声速传输的实验结果进行评述。首先,介绍辐射在介质中的传输的理论基础以及简化分析模型;其次,对辐射在介质中扩散超声速输运进行解析分析,我们首次导出辐射的超声速传输条件下的辐射能流与物质能流之比与马赫数和光学厚度的定量关系;最后,介绍国外的主要实验结果,同时也给出我们近期的研究结果。我们的实验结果表明,不同能区的光子因辐射不透明度不同使得在介质中的传播时间不同,并且实验测出光学厚度。     

辐射在填充介质管中输运的理论研究

辐射输运的研究有重要的科学和实用的意义。辐射波的传输过程分为两个阶段，当介质受到较强的辐射辐照时，首先是超声速辐射热波在常密度介质中的传播。与此同时，受热介质压力升高发生膨胀，产生向内传播的冲击波和稀疏波。随着受热介质的质量增加，辐射热波的速度下降，冲击波和稀疏波赶上并超过它，形成亚声速传播的辐射烧蚀波。这是均匀介质中的一维热传导模型的描述，它的应用受到许多限制。辐射在填充介质金管中的传输，由于涉及高z金属管壁对辐射的改造，属于非均匀介质中的输运问题。它涉及辐射在填充介质传输过程中的吸收和再发射，以及管壁吸收和再发射。当输运介质为光性薄时，外加的辐射源可到达波头加热冷介质。当输运介质为光性厚时，辐射在到达波头前多次被吸收和再发射，辐射被输运介质改造。加上输运管后，管壁会吸收辐射，吸收的一部分能量经管壁改造后再发射到介质中，影响输运。因而辐射在填充介质管中输运计算是复杂的二维计算。     

柱输运管中扩散超声速辐射波的能流

采用于敏关于直角坐标系下两平板间粒子传输的辐射能流计算的理论模型，给出了柱输运管中与径向位置相关的谱辐射能流的计算公式.研究结果表明，由于管壁的自由程远小于传输介质的自由程，从而导致辐射能流中几何因子随径向变化，并认为这是最近关于扩散超声速辐射波实验中测得的辐射波强度随径向呈拱形分布的又一个重要原因.另外，还给出对横截面平均的谱辐射能流、以及当辐射与物质处于局部热动平衡时的辐射能流的计算公式，并将其中的几何因子与人们传统的通过几何自由程获得的几何因子进行了比较.为方便数值模拟，还给出了辐射能流公式中含有多 关键词： 柱管中扩散超声速辐射波传输 辐射能流 几何因子     

同心壳层结构中超声速扩散辐射波的几何自由程

在局域热动平衡近似下,研究几何壳层结构所产生的腔体约束对辐射过程的影响.基于同心圆柱和同心圆球的壳夹层光输运模型,给出垂直于光子通路的谱辐射能流径向分布和平均能流公式,通过数值求解得到截面平均的壳层结构平均几何自由程,研究输运通道的径向光学厚度和几何结构对几何自由程的影响.由于球几何对光子的三维束缚,球壳层结构对辐射过程的影响比柱壳层更大,辐射过程必须根据实际几何构型和辐射通道的光学厚度予以几何自由程的修正.为方便使用,根据一定几何构型结合严格数值解给出了几何自由程的拟合公式.     

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

基于稳态辐射传输方程的小动物尺寸组织体扩散光学层析法

在Newton-Raphson逆模型框架下,发展了基于稳态辐射传输方程光子输运正模型和代数重建技术的扩散光学层析图像重建算法,并针对小尺寸组织体内部吸收和散射系数同时重建情况下的标准代数重建技术算法进行了改进,数值结果表明改进后的代数重建技术算法重建图像效果优于标准代数重建技术算法.     

基于稳态辐射传输方程的小动物尺寸组织体扩散光学层析法

在Newton-Raphson逆模型框架下,发展了基于稳态辐射传输方程光子输运正模型和代数重建技术的扩散光学层析图像重建算法,并针对小尺寸组织体内部吸收和散射系数同时重建情况下的标准代数重建技术算法进行了改进,数值结果表明改进后的代数重建技术算法重建图像效果优于标准代数重建技术算法.     

神光Ⅱ装置x射线辐射在低密度CH泡沫中的超声速传播实验研究

在“神光Ⅱ”的三倍频装置上进行实验，利用北四路激光注入半腔靶后接不同密度、不同厚度的CH（C₆6H₁₂，聚4甲基1戊烯）发泡材料，研究x射线辐射在低密度CH泡沫中的超声速传播问题，对x射线辐射的多个能点（80,250和400eV）的传播时间、传播速度、输运管壁收缩过程、时间能谱和辐射温度等进行了测量，获得了10倍的超声速传输的速度，并采用辐射输运“漏水管模型”对实验结果进行了简要分析，结果基本相符 . 关键词： 辐射输运 超声速热波 CH发泡     

在低密度介质中的辐射传输实验

辐射在介质中的传输方程是十分复杂的，即使用数值求解也十分困难，由于吸收和发射系数与辐射场互相耦合，所以解辐射传输方程和速率方程需要迭代才行。在一些近似条件下，可以使问题简化，如果等离子体是光性厚的，那么扩散近似条件是实用的。另外当辐射传播速度比声速大得多的时候，物质来不及运动，物质中的压力也来不及拉平，而热量是沿着不动的物质流散的，辐射可以近似为在密度不随时间改变的介质中的传输。所以如果辐射在光性厚等离子体中的传输时，传输问题可以大为简化。     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明:在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

激光腔靶耦合二维辐射输运数值模拟

间接驱动激光聚变过程中,黑腔内物质处于非局域热动平衡(non-LTE)状态,而且辐射传输具有非平衡、各向异性等特点。为了精确描述黑腔辐射场的演化及其与物质的相互作用,最新研制的激光聚变二维总体LARED集成程序,基于non-LTE的多群辐射输运建模,首次实现了激光黑腔靶实验的全过程数值模拟。数值结果表明,辐射输运计算较好地反映了黑腔辐射场均匀性变化,腔壁光斑区与非光斑区X光发射强度比与实验测量值接近,靶丸压缩形状与实验图像定性一致。     

二维稳态辐射传输方程的有限差分求解法

针对扩散光学层析在小动物成像中的应用问题并基于混浊介质空间光子三维散射的实际物理效应,提出的二维稳态辐射传输方程的有限差分数值求解新方法.在此基础上,研究了不同的空间剖分网格和角度离散密度对求解准确度的影响,并通过将所提方法与蒙特卡洛模拟进行比对,验证方法的正确性.研究表明：在均匀组织体内,当离散角度达到一定数量时,由辐射传输方程的有限差分解获得的透射面和侧面的光子密度对空间网格大小并不敏感,而在反射面上光子密度计算则需要较密的空间网格才能够达到一定准确度.本研究为发展基于辐射传输方程的扩散光学层析理论奠定了基础.     

半透明介质表面红外测温的辐射传输模拟

考虑不透明漫射基底的反射/发射和半透明介质层的吸收/发射,建立半透明介质层表面红外测温过程的辐射传输模型,采用反向蒙特卡罗法进行模拟,获得探测表面在热像仪的指示辐射温度。与不透明表面红外测温进行比较,分析表面形状、基底发射率ε_s及介质层光学厚度τ的影响。结果表明,半透明介质层表面的指示辐射温度在ε_s1.0时,随τ的增大而增大,τ≥2时数值趋于ε_s=1.0时的结果,与不透明表面存在较大差异;针对复杂形状或内凹曲面红外测温,不透明表面和半透明介质层表面均受到反射其他部位辐射现象的影响。     

X射线辐射在双孔柱腔靶中传输实验研究

在“星光Ⅱ”装置上,采用双孔柱腔靶研究辐射在空腔中轴向传输变化特性.提出“漏水管”辐射输运的简化模型,用来分析X射线在空腔中的传输的实验结果。分析结果表明,简化模型与实验结果基本相符.X射线输运的结果是输运末端的X射线减弱,辐射持续的时间增大,等离子体弛豫时间增大 关键词： 双孔柱腔靶 辐射传输 “漏水管”模型     

利用渡越辐射研究超热电子在固体靶中的输运过程

为了探索超热电子的输运过程，在100 TW掺钛蓝宝石飞秒激光器上利用光学CCD相机和OMA光学多道分析仪，分别在靶背表面法线方向测量了光发射空间分布图案和光谱. 实验测量结果显示，光发射空间分布图案呈圆盘状，在圆盘中明亮而强的光信号呈局部化分布，该现象表明，超热电子在输运的过程中存在成丝效应，引起严重的不稳定性；光发射光谱在3倍频和3/2倍频附近出现尖峰，分别是3次谐波和3/2次谐波，这一现象归因于超热电子束在传输的过程中产生的微束团而引起的相干渡越辐射(CTR)；光发射光强随靶厚度的增加而减小. 关键词： 超热电子 相干渡越辐射 输运 不稳定性     

任意入射辐射条件下介质特性对瞬态辐射传递的影响

用基于Monte Carlo法的DRESOR法在平行平板系统内具有吸收、无发射介质中研究不同波形入射、壁面反射、介质散射率、光学厚度、各向异性散射等条件对瞬态辐射传递的影响.任意连续波形入射辐射是目前大多数数值方法很难处理的瞬态辐射问题,而DRESOR法通过在系统内计算一单位入射辐射能对介质的DRESOR数分布,就能计算任意连续波形入射辐射条件下高方向分辨率的瞬态辐射强度结果.DRESOR法和Monte Carlo法计算的结果进行了比较验证,两者吻合较好,证明了DRESOR法处理瞬态入射辐射问题的正确性和有效性.     

任意阶球谐函数法求解辐射传输问题的误差分析

针对各向异性散射介质内的红外辐射传输开展数值方法研究.应用球谐函数展开推导了一维吸收、发射、散射性灰介质的辐射传输近似方程组,采用差分方法结合三对角矩阵解法建立了任意阶辐射传输近似方程数值解法.并通过计算算例验证了高阶PN方法的数值无关性问题.计算结果表明,高阶球谐函数数值解与理论解吻合得很好,同时计算验证了不同展开阶...     

X射线辐射输运分解实验研究

在“星光Ⅱ”激光装置上进行了X射线辐射输运分解实验研究.实验中利用高时空分辨的MCP选通X射线皮秒分幅相机和软X射线条纹相机从缝口观测腔内壁X射线辐射时空分布,得到X射线在腔中的输运速率、X射线持续发射时间和轴向强度衰减量;利用X射线CCD针孔透射光栅谱仪观测到腔内X射线辐射光谱随空间位置的变化,得到X射线在输运过程中被多次吸收和发射后谱的变化特征;用X射线二极管和亚千X射线能谱仪分别得到源和输运末端X射线辐射总量和辐射温度.介绍了实验中采用的诊断技术和实验方法,并给出了获得的典型结果. 关键词：     

温度梯度对平面金壁发射能流平衡性的影响

在激光惯性约束聚变(ICF)的辐射输运实验和理论研究中,输运管壁对于输运管内物质中的辐射能谱具有改造作用. 文中利用一维平面模型模拟了柱形输运管壁的辐射能流发射行为,给出了输运管壁的辐射能流不平衡度的计算公式. 结果表明,输运管壁内的电子温度梯度是引起输运管壁发射能流不平衡的原因. 利用不平衡度这一概念对输运管壁发射能流的不平衡性做了定量研究,并在ICF辐射输运实验的温度范围内给出了估算公式. 关键词： 辐射输运 温度梯度 能流 不平衡度     

非线性光学

非线性光学概论O4372007032364向列相液晶中强非局域空间光孤子的实验观察=Experi-mental observation of strong nonlocal optical spatial soli-tons in nematic liquid crystals[刊,中]/张涛(华南师范大学信息光电子科技学院传输光学实验室,广东省高校光子信息技术重点实验室.广东,广州(510006)),胡巍…//光学学报.?2007,27(1).?143-147通过实验对向列相液晶中的非局域空间光孤子的传输进行了研究。理论上基于非线性的液晶孤子传输方程,采用高斯形式的试探解,得到了孤子传输的解析解,以及对液晶中的非局域孤子和Snyder等提出的强非局域…