类锂铝复合机制产生X光激光的等离子体状态

本文从速率方程出发,讨论了类锂铝复合等离子体的激发态结构,衰减常数,反转率和小信号增益等表征介质增益特性的物理量以及它们随电子温度,电子密度和光子逃逸几率的变化。找到了进行类锂铝离子通过复合机制产生X光激光设计应创造的等离子体状态目标区域。还讨论了这些物理量随原子序数变化的定标律。     

类锂钙和钾离子X射线激光的实验研究

探索进入“水窗”波段以寻求X射线激光在近期的科学技术应用,是当前实验室X射光线激研究的一个重要目标.采用复合泵浦方案,我们曾用较低的驱动激光功率首次实现了类锂硅离子5f—3d(8.884nm),5d—3p(8.728nm)跃迁软X射线激光,并第一次发现了类锂硅离子的6f—3d(7.583nm)和6d—3p(7.464nm)新的X射线激光跃迁.最近,我们进一步完成了线聚焦激光辐照CaF_2和KCl平板靶的实验,探索了沿类锂离子等电子数序,将软X射线激光推进至更短波长的现实可能性,实现了类锂钙和类锂钾4f—3d跃迁的软X射线激光,波长分别为5.77nm和6.47nm,增益系数分别达到4.3cm~(-1)和1.6cm~(-1).同时也观察到了类氢氟Hα(8.09 nm)的增益,增益系数为1.4cm~(-1).实验结果进一步显示了复合泵浦类锂离子方案在实现更短波长X射线激光方面的潜力.     

激光诱导Al等离子体发射光谱特性的实验研究

本文从实验上研究了不同缓冲气体(He,Ar,N2和Air)中激光Al等离子体的时间分辨发射光谱,研究了原子发射谱线的强度和Stark展宽随延时、缓冲气体性质和压力变化的规律.结果表明原子谱线的强度在3μs左右达到最大值,随着延时的增加,谱线的Stark展宽减小,而缓冲气体压力的增大导致谱线的Stark展宽增大,在实验测定的四种缓冲气体中,Ar气体中谱线的Stark展宽最大.     

东方超环(EAST)装置中等离子体边界锂杂质的碰撞-辐射模型

在东方超环(EAST)装置中,由于大量锂化壁处理的使用,切向可见光摄像机拍摄到等离子体边界通常存在一条由锂(Li)杂质形成的绿色发光带.本文基于EAST边界等离子体参数条件,基于碰撞-辐射模型给出由已知边界等离子体状态推算Li绿光光强的空间分布的具体方法,并针对简化后的一维径向分布问题,收集、处理OPEN-ADAS数据库的数据,采用软件Mathematica 10.4.1编写相应的数值计算程序,分别输入EAST工作于低约束(L)与高约束(H)模时获得的两组边界电子温度、密度分布数据,给出并分析比较了利用该模型的计算结果.此项工作对于未来建立通过测量及反演边界锂杂质特征谱线强度的空间分布来重构边界等离子体状态的全新技术和研究存在三维磁场扰动条件下的边界等离子体行为均具有重要的理论参考价值.     

低气压闭式等离子体放电实验及光谱诊断

闭式等离子体可以克服等离子体隐身技术在开放环境中等离子体难以维持及能耗过大的问题。针对等离子体隐身应用,设计了一种封闭式的等离子体发生装置,选用微秒脉冲电源,以氩气为工质气体,在低气压环境下进行了放电实验。采用发射光谱法,测量了密闭腔体内部厚度方向上的Ar谱线强度,并将碰撞-辐射模型用于分析等离子体参数的分布规律。当放电参数确定时,给定电子温度和电子密度,可通过碰撞-辐射模型计算得到2p能级上的布居分布比值,将其与从光谱数据中得到的布居分布比值进行比较,当差异值最小时,即可确定相应的等离子体参数。通过对电子温度在1～5 eV范围内的2p9和2p1能级布居分布比值进行计算,分析了碰撞-辐射模型计算可能存在的误差。实验结果表明,在厚度方向上,封闭式腔体中的等离子体电子密度达到1011 cm-3量级且呈一定的梯度分布,但变化幅度不大,其分布情况有利于等离子体隐身技术的应用。     

激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.     

中国联合球形托卡马克氦放电等离子体的碰撞辐射模型及其在谱线比法诊断的应用

介绍了针对中国联合球形托卡马克氦放电等离子体建立的碰撞辐射(CR)模型.给出CR模型计算的来自主量子数n=4激发态能级的三条谱线的强度比447.1 nm(23P—43S)/492.2 nm(21P—41D)和492.2 nm/504.8 nm(21P—41S)在电子温度Te和电子密度Ne空间内的计算结果.建立了根据谱线强度比确定Te与Ne的谱线比法.将该方法应用在氦放电等离子体诊断上,通过与微波干涉仪测量结果的对比以及CR模型与实验测量的激发态数密度的对比验证了方法的有效性.分析了引起诊断结果误差的因素,包括实验测量设备误差、CR模型使用的速率系数不确定度与能级选取,以及光谱测量的弦积分特性等.     

用类氦双电子复合伴线诊断Ar等离子体电子温度

在电子密度约为ne=10 13 cm-3 条件下计算了类氦Ar的伴线 j(1s2 2 p2 P3 / 2 - 1s2 p2 2 D5/ 2 )与共振线w(1s2 1S0 - 1s2P1P1)的强度比 ,采用Hartree Fork Relativistic (HFR)方法计算了伴线因子和波长 ,从而得到伴线强度以及强度比。根据计算的相对强度比随温度的变化关系可以利用实验诊断电子温度     

外加电场下激光诱导Al等离子体特性的实验研究

由Q-Nd:YAG脉冲激光(波长1.06μm,脉宽10 ns)烧蚀Al靶产生等离子体.观测了在低气压和直流电场条件下的Al等离子体发射光谱.研究了激光功率密度和直流电场对各谱线强度的影响,分析了谱线半高全宽与外加电压,等离子体电子温度与激光能量的变化规律.结果表明,直流电场对铝原子谱线强度有显著的增强,铝原子谱线的半高全宽与直流电场的外加电压基本上呈线性关系.     

泵浦功率密度对复合类锂离子X射线激光特性的影响

本文通过分析不同泵浦功率密度下类钾硅离子X射线激光的实验结果以及有可能实现X射线激光的其它类锂离子的光谱特性,表明利用类锂离子复合方案,在现有驱动激光装置上实现“水窗”波段放大器有很大的可能性。     

类锂离子与软X射线激光研究有关的跃迁波长和振子强度

本文用多组态HXR自洽场方法和优化以Slater径向积分法相结计算了类锂离子(Z=13～17,19)1s~2nl~2LJ(2≤n≤5,0≤l≤4)能级之间的跃迁波长和振子强度,并和实验进行了比较。就软X射线激光跃迁4f—3d而言,本文计算的波长值比其它文献的计算值更接近于观测值。     

金等离子体平均离化度随电子温度变化关系的研究

用Cowan的原子结构从头算程序和自旋轨道劈裂阵模型计算各阶电离的金离子能级和跃迁， 在碰撞辐射模型下求解能级布居数方程，计算给定等离子体密度和电子温度下等离子体中离子的分布，给出了平均离化度随电子温度的变化关系.发现稀薄的金等离子体中，在一定的电子温度范围内电子温度的升高平均电离度反而下降的反常现象.讨论了电离势对平均离化度的影响. 关键词： 金等离子体 碰撞辐射模型 布居数 平均电离度     

类锂氯离子和钾离子软X射线激光光谱理论计算

本文采用Hartree-Fock自洽场方法,从理论上计算了类锂氯离子和类锂钾离子可能实现软X射线激光的有关能级能量及跃迁谱线性质:跃迁波长、跃迁几率和振子强度。计算结果表明,类锂钾离子的部分跃迁非常有可能实现软X射线激光,并且其中有三条谱线的波长已进入水窗。     

激光诱导铝等离子体中原子和离子组分膨胀特性

为了了解等离子体中原子与离子组分的膨胀特性及背景气体存在状态下其运动状态的改变规律,设计了一系列实验,并进行了深入探究.采用波长为532 nm的纳秒激光剥蚀铝样品形成等离子体,并使用配有em ICCD检测器的C-T型三光栅单色仪对等离子体进行时序采集,同时使用2400 g·mm~(-1)的光栅替代窄带滤光片进行不同组分成像诊断,得到铝等离子体中Al Ⅰ (396.1 nm), Al Ⅱ (466.3 nm), Al Ⅲ (447.9 nm)的光谱分辨图像.在不同背景气压下采集了等离子体各组分光谱图像,探究背景气体对等离子体演化的影响.结果表明,在等离子体形成过程中,离子组分相对于原子组分分布在羽流前端,且角度分布较小.原子与离子组分的真空膨胀速度均处于10~4m·s~(-1)量级.等离子体中离子组分的运动速度较高,且其运动速度随着离子价态的增加而增大,但在本实验使用的能量密度范围下,随激光能量的变化波动不大.中性原子的运动速度较慢,但随能量的增加而增大.随着膨胀过程的进行,各组分羽流沿样品表面法线方向推进且发射强度逐渐降低,对应的羽流密度和温度也相应降低.环境气压逐渐增大时,各研究组分运动状态与在高真空度下时有明显区别.在气压大于1 Pa后,等离子体与环境气体发生相互渗透,膨胀前端出现的晕影,产生扰动,发生束缚缓速.且等离子羽因气压增大而收缩、与背景气体的碰撞概率增加,使得羽流发射强度加强,等离子体的寿命随之延长.提出的新颖诊断方法与实验所得结果可为等离子体组分动力学过程的研究提供参考.     

AlK壳层等离子体辐射谱模型的比对

碰撞辐射模型的比对研究对校验发展等离子体辐射谱模型、提高等离子体参数的诊断精度具有重要意义. 基于Al等离子体, 对常用的辐射模型代码FAC和FLYCHK K壳层辐射谱模型开展了比对研究, 详细比较了它们的离子丰度、特征线强度、谱发射率曲线和吸收系数曲线等特征, 并根据各能态的速率方程, 从FAC和FLYCHK模型的结构特点出发, 分析了造成这些差异的原因. FAC 和FLYCHK计算得到的类H、类He离子n=2, n=3激发态数密度有显著差异, 进而引起特征线发射率及其比值(He-IC/He-αup, He-βup/H-βup)的差异, 从而对等离子体参数的诊断结果产生影响. 除了模型中采用的能级结构和碰撞辐射过程速率外, 计算结果显著地受到FAC 和FLYCHK 模型结构的影响. n=2激发态数密度的差异是由FAC和FLYCHK分别采用能级和超组态(组态)的方式构建n=2激发态的速率方程而引起的, 而FAC代码忽略了n=3与更高激发态之间的碰撞耦合过程, 是引起n=3激发态数密度差异的原因. 主要特征线的吸收系数与基态能级的数密度相关, 受到激发态数密度的影响较小, 因此与谱发射率曲线相比, FAC和FLYCHK计算结果的差异更小.     

用于研究铝等离子体软X射线光谱的碰撞-辐射模型

我们建立了一个以AlXI和AlXII离子为主的碰撞一辐射模型,模型中考虑了碰撞电离和复合,碰撞激发和退激发,辐射复合和自发辐射跃迁等原子过程.本文还分析了该模型的计算结果,包括离子丰度分布,辐射损失,及诊断的特性.     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd：YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离（lens-to-sample distance,LTSD）对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100～4 000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

超高速碰撞喷出物气化与等离子体形成的物理机制

 为了了解超高速碰撞产生等离子体的物理机制,采用理论方法对超高速碰撞LY12铝靶各物理过程的能量分配进行了分析,涉及到熔化相变、气化相变及等离子体形成过程的能量消耗。揭示了碰撞喷出物形成过程中各物理阶段对气化、等离子体形成的影响因素,包括碰撞的附加热机制、材料碰撞后等离子体羽的形成及等离子体羽膨胀的物理机制,并给出了模型描述。     

激光烧蚀硬铝产生等离子体温度和力学效应测量

为了研究激光推进技术中激光与材料相互作用的机制,获取等离子体状态参数及力学参数,采用Nd:YAG被动调Q固体激光器烧蚀硬铝,通过激光诱导等离子体光谱技术测得等离子体光谱和温度,由冲量摆测得力学参数。实验结果显示：在激光功率密度0.534×108 W/cm2时,靶材表面的等离子体温度在等离子体辐射过程中呈二次曲线衰减;改变靶材等离子体点燃阈值附近的激光功率密度时,随着功率密度的增加,等离子体温度、冲量耦合系数也随着增大,当功率密度达到靶材的等离子体点燃阈值时,各参数达到最大,此后随着功率密度增加,由于等离子体对能量的屏蔽作用,导致靶材表面的等离子体温度降低,等离子体获得的动能减少,靶材耦合的冲量降低。