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.     

Characteristic parameters of diffusive supersonic radiation transport in low density materials

Diffusive heat waves play an important role in radiation hydrodynamics. In low density material, it may be possible that the radiative energy flux dominates the material energy flux and thus energy flow can be determined. In this paper by means of a simple algebraic method, the expressions characterizing the condition of diffusion approximation and supersonic transport of heat wave are found. In this case, the ratio of the radiative energy flux to the material energy flux is directly proportional to the product of Mach number M multiplied by optical depth \tau. And it may also be expressed by radiation temperature heating material. The material density and length may be determined in order to achieve above-mentioned conditions when the driven temperature and duration are given.     

辐射超声速扩散传输产生条件的研究

 利用1维辐射扩散方程的解析理论，在外加辐射源为恒温源的条件下，对能够产生辐射超声速扩散传输的条件进行了研究，可以解析地得出在固定物质密度下能够产生超声速扩散流的参数区域。分析得出：对于一个固定的恒温外源，随着时间的增加，热波波头位置是随时间的平方根增长的，光学厚度正比于波头位置，也是随时间而逐渐增加的；而马赫数是按时间平方根倒数减少的。并推导出在不同密度下恰好产生超声速扩散时，辐射源温度和辐射热波波头位置满足的临界值条件，它们是关于介质密度的函数关系式。最后以SiO₂泡沫为算例，对这些结果的物理图像做了简要的阐述，对它们的应用进行了具体的说明和分析。     

Simultaneous solution of Kompaneets equation and radiative transfer equation in the photon energy range 1-125 keV

Radiative transfer equation in plane parallel geometry and Kompaneets equation is solved simultaneously to obtain theoretical spectrum of 1-125 keV photon energy range. Diffuse radiation field are calculated using time-independent radiative transfer equation in plane parallel geometry, which is developed using discrete space theory (DST) of radiative transfer in a homogeneous medium for different optical depths. We assumed free-free emission and absorption and emission due to electron gas to be operating in the medium. The three terms n, n² and (∂n/∂x_k) where n is photon phase density and x_k=(hν/kT_e), in Kompaneets equation and those due to free-free emission are utilized to calculate the change in the photon phase density in a hot electron gas. Two types of incident radiation are considered: (1) isotropic radiation with the modified black body radiation I^MB[1] and (2) anisotropic radiation which is angle dependent. The emergent radiation at τ=0 and reflected radiation τ=τ_max are calculated by using the diffuse radiation from the medium. The emergent and reflected radiation contain the free-free emission and emission from the hot electron gas. Kompaneets equation gives the changes in photon phase densities in different types of media. Although the initial spectrum is angle dependent, the Kompaneets equation gives a spectrum which is angle independent after several Compton scattering times.     

Generalized reference fields and source interpolation for the difference formulation of radiation transport

In the difference formulation for the transport of thermally emitted photons the photon intensity is defined relative to a reference field, the black body at the local material temperature. This choice of reference field combines the separate emission and absorption terms that nearly cancel, thereby removing the dominant cause of noise in the Monte Carlo solution of thick systems, but introduces time and space derivative source terms that cannot be determined until the end of the time step. The space derivative source term can also lead to noise induced crashes under certain conditions where the real physical photon intensity differs strongly from a black body at the local material temperature.In this paper, we consider a difference formulation relative to the material temperature at the beginning of the time step, or in cases where an alternative temperature better describes the radiation field, that temperature. The result is a method where iterative solution of the material energy equation is efficient and noise induced crashes are avoided. We couple our generalized reference field scheme with an ad hoc interpolation of the space derivative source, resulting in an algorithm that produces the correct flux between zones as the physical system approaches the thick limit.     

Some aspects of the plasma uptake and spectrum excitation produced by laser radiation

It is shown that the ejection of material is explosive, the material emerging as jets moving at 20 km/sec. This supersonic flow produces a shock wave in the plasma. The main source of emission by the evaporated material lies in the jets and in the zones of the shock wave, these determining the character of the spectrum. Spectra recorded with a laser show a strong continuous background, together with line broadening and reversal, as well as absorption lines. The character of the spectrum is independent of the energy density of the laser radiation, but it is very much affected by the air pressure.     

典型甚低频电磁波对辐射带高能电子的散射损失效应

辐射带中高能电子与空间甚低频电磁波由于波粒共振相互作用发生投掷角散射, 进而沉降入稠密大气而损失. 为研究甚低频电磁波对辐射带中高能电子的散射作用机制, 本文基于准线性扩散理论, 利用库仑作用和波粒共振相互作用扩散系数的物理模型, 得到了两组典型甚低频电磁波与高能电子波粒共振相互作用的赤道投掷角弹跳周期平均扩散系数, 并分析了甚低频电磁波共振散射作用与大气库仑散射作用对不同磁壳及不同能量的辐射带电子扩散损失的影响规律. 以磁壳参数L=2.2, 能量E=0.5 MeV的辐射带电子作为算例, 采用有限差分方法数值求解扩散方程, 计算分析了电子单向通量和全向通量随时间的沉降损失演化规律. 研究结果表明: 当电子能量大于0.5 MeV, 磁壳参数大于1.6时, 甚低频电磁波的共振散射作用显著; 随着磁壳参数或电子能量的增大, 斜传播甚低频电磁波引起的高阶共振相互作用越来越大; 电子全向通量近似随时间呈指数函数形式衰减.     

低密度泡沫金提升黑腔腔壁再发射率的实验研究

提高黑腔辐射温度对高能量密度物理研究,尤其是惯性约束聚变研究至关重要.提高黑腔腔壁再发射率是增强黑腔辐射温度的一个有效措施.理论研究发现低密度泡沫材料能够降低腔壁能量损失,进而提高再发射率.在神光II原型激光装置上开展了泡沫金和固体金再发射能流对比测量实验,证实了该理论研究.实验利用透射光栅得到具有空间分辨和谱分辨的X射线发射,测量结果表明在190 eV的黑腔辐射场作用下,0.4 g/cc密度的泡沫金可比固体金提升约20%的X射线能流发射,并且增加的发射以1 keV以下的低能能段为主.自相似解得到的理论结果和MULTI 1D模拟计算的结果均表明泡沫金可提高腔壁再发射能流,与实验结果定性一致.研究结果表明,泡沫金作为黑腔腔壁材料可提高腔壁再发射率,增强黑腔辐射温度,具有诱人的应用前景.     

Waves in coaxial optical fiber under DB-boundaries

Investigations are made of the wave propagation through coaxial optical fiber composed of dielectric medium with inner and outer surfaces bounded with DB-boundary. Eigenvalue equation for the system is deduced and the energy flux density patterns corresponding to the propagating hybrid modes in the guide are analyzed by varying the radial dimensions of it. The efficacy of the use of DB-boundary is predicted in the form of power content of higher modes in the guide.