以巨脉冲红宝石激光为光源的Mach-Zehnder干涉仪应用于θ收缩等离子体的研究

本文应用巨脉冲红宝石激光为光源的Mach-Zehnder干涉仪,研究了23kJ(千焦耳)“θ收缩”(θ-pinch)等离子体的电子密度、形状和不稳定性。从轴向干涉图的照片获得45至120mTorr(毫乇)氘气压范围的二维电子密度分布和电子密度的峰值在6×10¹⁶—2.3×10¹⁷cm^-3范围。等离子体最大收缩出现在主压缩磁场的第一个半周期的1/3附近,在等离子体的最大收缩附近的特征约束时间(粒子数衰减1/e的时间)为1.8—4.3μs,具有负偏磁场的干涉图显示在等离子体中捕获了偏磁场。从这些干涉图的照片上还看到等离子体在主压缩磁场和等离子体捕获场之间作径向磁流体振荡。干涉图照片还表明,在45至80mTorr氘气压范围内,等离子体在主压缩磁场的第一个半周期内基本上都是稳定的。     

电子回旋共振离子源等离子体的密度测量

 诊断电子回旋共振离子源等离子体的传统方法是采用传统的单探针无发射时测量伏安曲线,并根据曲线的拐点由理论公式计算出的等离子体密度。本文设计并研制了等离子体密度的测量装置。采用单根朗缪尔探针（该探针可以用来发射电子）测量等离子体的伏安特性。在探针有发射和无发射两种状态下测量得到两条伏安曲线,根据这两条曲线的"分叉点"得到等离子体电位,然后根据该电位直接由计算机计算出电子温度、电子密度。采用该新方法,测量得到的等离子体参量空间电位约为17 V,悬浮电位约为-5 V,电子温度约为4.4 eV,离子密度为1.10×10¹¹cm^-3,与传统方法计算出的等离子体1.12×10¹¹cm^-3相比,两者相差仅1.8％,但新方法效率和精度更高。     

用马赫贞德干涉仪测量喷气式Z箍缩等离子体密度

 为了研究喷气式Z箍缩（gas-puff Z-pinch）等离子体的内爆特性，研制了一套马赫-贞德干涉系统，并在小型喷气式Z箍缩装置(充电电压23kV,放电峰值电流210kA)上进行了试验，获得了清晰的干涉图像。根据干涉图上条纹的移动数目，计算得到该装置内爆早期等离子体的平均电子密度为10¹⁷~10¹⁸/cm³。     

等离子体全息干涉条纹的数据处理

本文介绍了用全息干涉法诊断爆炸丝等离子体的数据处理方法。在考虑等离子体区域为轴对称的情况下,给出了由折射率计算等离子体电子密度的计算公式。在爆炸丝能量为9.6J的情况下,拍摄到了延时3μs的爆炸丝等离子体干涉图。运用计算机图象处理技术对反拍后的干涉图进行了处理,获得了较为理想的干涉图。用微机控制的线阵CCD摄像机判读了干涉条纹漂移。给出了等离子体密度随径向分布的曲线,并得到相应的等离子体密度在中心处约为10¹⁶个/cm³。     

射频电感耦合夹层等离子体中的模式转换

本文利用微波相位法和光谱诊断法, 研究了ICP放电等离子体在圆台状夹层等离子体中E模和H模相互转换的物理现象. E模和H模的之间转换过程是一个瞬间突变的, 转换点的输入功率随真空室压强的变化而变化. H模向E模转换的阈值功率低于E模向H模转换的值, 等离子体参数随输入功率变化曲线类似于铁磁物质中的磁滞回线. Ar II 408.2 nm谱线的强度的变化规律和电子密度随功率变化的规律基本一致. 通过本实验可以获得一种电子密度范围为3.85×10¹¹ cm^-3 < n_e < 4.68× 10¹¹ cm^-3, 外表面积为0.3 m², 厚度为2 cm稳定工作的等离子体源.     

Al激光等离子体电子温度的时间分辨诊断

 将门控分幅相机与平面晶体谱仪耦合，构成时间分辨光谱测量系统，对Al激光等离子体的K壳层发射谱进行测量，获得了相对入射激光延迟约1ns，积累时间约200ps的光谱信号。利用稳态碰撞-辐射平衡（CRE）近似条件下的等离子体光谱辐射动力学模型，给出了Al激光等离子体Ly-β线与He-β线强度比以及Ly-γ线与He-γ线强度比与电子温度的函数关系。在此基础上，根据实验谱线强度比，得到激光强度为2.319×10¹⁴，1.937×10¹⁴和3.946×10¹⁴ W/cm²时，等离子体冕区电子温度分别为1.190(1±27%)，1.165(1±27%)和1.525(1±27%)keV。     

托卡马克微波预电离等离子体

使用回旋管系统产生的电子回旋波段的大功率微波在托卡马克中得到无电流等离子体。其电子密度达8×10¹²cm^-3,电子温度达50eV,粒子约束时间约为0.5ms,加热效率达25％以上。研究了对环向击穿的影响及加热机制。     

剪切干涉测量电缆枪等离子体电子密度

用剪切干涉仪测量了电缆枪产生的等离子体电子密度分布.在实验中获得了激光波前通过等离子体后的干涉图样,测出等离子体沿轴向的平均运动速度约为2 cm/μs.对干涉图进行了二维波前重建,计算了电子线积分密度,给出了直观的等离子体分布图像,并计算了自由电子总数.根据等离子体的圆柱对称关系,利用Abel积分变换算出了局部电子密度沿径向的分布曲线.     

空气放电非平衡等离子体的模拟计算

 基于空气放电非平衡等离子体动力学,对空气放电进行了数值计算,分析了放电后等离子体中的主要粒子（N₂(v6),N₂(A3),O₂(a1),O和O₃）数密度随起始温度、电子数密度和约化场强的变化趋势。计算结果表明,随着初始温度的升高,空气放电产生的粒子数密度增加。温度为300 K时,放电产生的O原子数密度最大值约为4.90×⁷ cm^-3,而当温度升高到400 K和500 K时,O原子数密度的最大值则相应地增加到5.2×10¹⁰ cm^-3和5.51×10¹⁰ cm^-3。约化场强的影响与温度类似,其中氮气的振动激发态N₂(v6)数密度随约化场强的变化幅度不明显。电子数密度增加,粒子数密度大幅增加,氮分子的激发态N₂(A3)粒子数密度与电子数密度保持严格的线性关系。     

钨酸钇钠晶体中Tm3+的光谱特性

测量了Tm³⁺:NaY(WO4)₂晶体的吸收光谱、发射光谱和激发光谱，利用J_O理论计算了钨酸钇钠晶体的强度参数：Ω₂=7.21304×10^-20cm²，Ω4=0.504766×10^-20cm²，Ω6=0.977784 ×10^-20cm²，以及Tm³⁺光学参数包括各能级的荧光寿命和荧光分支     

Gd靶激光等离子体光源离带辐射及其等离子体演化的研究

利用脉冲宽度为10 ns,输出波长为1 064 nm的Nd∶YAG激光器作用金属Gd以及纳米粒子掺杂的低密度Gd玻璃等两种形式靶所产生等离子体光源的离带辐射进行了研究,发现等离子体所发出的连续辐射是离带辐射的主要成分,光谱分布与温度为5 eV的普朗克曲线相匹配。此外,相对于金属Gd靶而言,采用纳米粒子掺杂的低密度Gd玻璃靶可大幅度降低等离子体光源的离带辐射。利用光谱法,对激光作用纳米粒子掺杂的低密度Gd玻璃靶所形成光源的等离子体羽的电子温度和电子密度进行了时空分辨研究。实验结果表明,在打靶结束125 ns时,距靶面6 mm位置处等离子体的电子温度约为4 eV,电子密度约为1.2×1018 cm-3。同时发现在激光打靶结束后等离子体羽的电子温度和电子密度随延时的变化而呈指数下降,在120～250 ns时间范围内,两者下降较快,之后其幅度下降缓慢。另一方面,当打靶脉冲结束约200 ns时,在距离靶面1～10 mm的空间内等离子体的电子温度及密度均经历先上升后下降的变化过程。在距靶材表面6 mm位置处,电子温度和电子密度均达到最大值,电子温度约为2.6 eV,电子密度为8.5×1017cm-3。     

HL-2M 装置 CO2 色散干涉仪研制

研制了一套新型 CO₂ 激光色散干涉仪用于 HL-2M 装置初始放电期间的电子密度测量。该系统采用 基于激光倍频的色散测量原理,能够消除机械振动产生的相位误差。该系统使用全新的调相式信号调制,研发了 相应的数据采集/处理/上传系统。根据实验测量结果表明,CO₂ 激光色散干涉仪和微波干涉仪测量曲线基本一致, 色散干涉仪系统的测量精度约为 2×10¹⁷m⁻³,密度测量上限能达到 10²¹m⁻³。     

A Fast Interferometer Using a Nitrogen Laser for Dense Plasmas

A Mach-Zehnder interferometer utilizing a short pulse (5 ns FWHM) nitrogen laser has been built and successfully operated. This system is capable of measuring plasma electron densities higher than 1020 cm-3 and is simple as well as inexpensive. The same system can be used for schlieren and shadow photography. Examples of an interferogram and a shadowgraph of a high density plasma are presented.     

HL-2A装置电子密度多道干涉测量实验系统

电子密度是核聚变等离子体研究中的一个主要物理参数,为获取电子密度时空分布的准确信息,结合HL-2A装置结构特点设计并建立了八道FIR激光干涉仪测量系统。在长光路的布局中采用了介质波导传输,研制了长谐振腔高功率HCN波导激光器。另外为减少干扰影响在差拍信号数据采集电子学中采用了数字锁相滤波FPGA技术, 并用软件和硬件两种相位比较方法监测电子密度,实现了密度随时间变化的实时显示。在等离子体放电中干涉仪系统测量精度可达1/33条纹,相应密度约为1.3×10¹¹cm^-3,时间分辨为0.1ms。     

The Hydrogen Dissociator

A performance analysis is presented for the hydrogen dissociator used in hydrogen masers to provide a beam of atomic hydrogen. An analysis of the discharge characteristics yields relations for electron temperature as a function of vessel size and gas pressure and for plasma density as a function of power input. Also a relation between ion impact energy at the wall and electron temperature is derived. For a typical dissociator (2" diameter, 0.1 Torr hydrogen pressure, and 4 watt input power) these relationships yield an electron temperature of 39,000°K, a plasma density of 1011 cm-3 and an ion impact energy of 20 volts. The dissociation rate is calculated using published cross-sections. Assuming a recombination rate of 4 × 10-3, the analysis yields an atomic hydrogen density of about 1014 cm-3, a degree of dissociation of 2%, and an atomic beam flux of 1.3 × 1018 cm-2 × sec-1 for the example quoted. This beam flux is in good agreement with estimated values for hydrogen masers. A coefficient for performance ? is derived for the hydrogen dissociator, defined as the ratio of atomic beam flux to discharge power consumption. It is shown that ? is a function of the electron temperature and has a maximum at 87,000°K. It is concluded from this analysis that the discharge in presently used hydrogen dissociators is well optimized given the pressure constraints of the system.     

CO2激光锡等离子体极端紫外及可见光光谱

利用CO2激光烧蚀锡靶产生等离子体,当入射到靶面的单个脉冲能量为400mJ,半峰全宽(FWHM)为75ns时,使用光谱仪和增强型电荷耦合器件(ICCD)采集了等离子体的时间分辨光谱。在局域热平衡假设下,利用谱线的斯塔克展宽和五条Sn II谱线的相对强度计算并得到了等离子体电子密度、电子温度和辐射谱线强度随时间的变化规律;利用掠入射极端紫外平场光栅光谱仪,结合X射线CCD同时探测了光源在6.5～16.8nm波段的时间积分极端紫外辐射光谱。实验结果表明:激光点燃等离子体早期的100ns内有很强的连续谱,此后才能分辨出明显的原子和离子线状谱。在延时0.1～2.0μs的时间区间内,等离子体中的电子温度和密度分别在2.3～0.5eV和7.6×1017～1.2×1016 cm-3范围内,均随时间经历了快速下降,然后再较缓慢下降的过程。激光锡等离子体极端紫外不可分辨辐射跃迁光谱峰值中心位于13.5nm,FWHM为1.1nm。     

两级喇曼压缩系统配偏振干涉仪诊断等离子体电子密度

 在星光Ⅱ铷玻璃激光装置上,采用两级喇曼压缩系统产生的波长为308 nm的紫外光作为探针束,配合Nomarski偏振干涉仪对金平面靶冕区激光等离子体进行诊断。308 nm光具有波长短、亮度高、脉冲时间短、相干性好的优点,作为探针束诊断冕区产生的等离子体电子密度,可以与高功率激光装置打靶激光同步,实现有效地脉冲压缩,同时避免等离子体中谐波分量的干扰。实验获得了308 nm紫外探针光偏振干涉条纹图,在研究Abel反演算法的基础上,利用自行研制的基于Windows操作系统的实验数据处理软件,对实验数据进行了处理和分析,得到了冕区等离子体电子密度的空间分布。结果表明：两级喇曼压缩系统配偏振干涉能有效抑制主束谐波影响,以更高时间分辨测量等离子体的更高密度区域。     

金等离子体的荷态分配数的计算

在非局域热动力学平衡(Non-LTE)下,采用类氢近似,计算得出电子密度分别为6.0×10~(20) cm~(-3)、1.4×10~(21) cm~(-3)、1.0×10~(22) cm~(-3)和1.7×10~(22) cm~(-3)的条件下的三体复合、辐射复合、双电子复合系数随电子温度的变化,得出总的复合系数随电子温度的变化关系;结合相关的电离系数得出相应的离子占有数的比,最后,计算出一定电子密度和温度条件下Au~(48+)～Au~(52+)离子的离子丰度,从而得到金等离子体的荷态分配数与电子温度和电子密度的关系.     

氩气/空气ICP放电现象研究和基于H_β光谱展宽的微波干涉电子密度诊断方法

闭式腔体ICP是解决飞行器等离子体局部隐身的可行方案,其电子密度Ne在电磁波入射方向上的分布是影响其电磁波衰减效果的关键因素。对此,开展了在30.8cm×30.8cm×5.8cm石英腔体内的ICP放电实验,通过实验研究了空气/氩气ICP的E-H模式跳变的物理现象,通过测量得到了空气/氩气环状ICP的宽度和覆盖面积比例随电源功率变化的规律,并给出了上述实验现象的理论解释。为了得到平面型ICP的电子密度在微波入射方向的分布,提出基于Hβ光谱展宽的微波干涉分布诊断法,分别对平面真空腔室内空气/氩气ICP的电子密度在电磁波入射方向上的分布进行了诊断,通过H_β(486.13nm)Stark展宽拟合和微波干涉过程分别获取电子密度分布函数的两项参数,得到了电子密度分布随放电功率变化的曲线。实验可得到电子密度范围为0.5×10~(11)~3.2×10~(11) cm~(-3)的环状ICP源,实验结果表明,ICP的电子密度受气体种类,射频功率影响较大,峰值电子密度接近ICP的中心位置,通过比较发现,氩气的电子密度较高,有效拟合区域较窄,空气的有效拟合区域较宽,覆盖面积较大。