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。     

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。     

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。     

辐射热波实验观察

 以强激光加热腔靶形成的强X光辐射烧蚀Al薄膜介质，在国内首次用软X光能谱时间高分辨诊断技术观察到了辐射热波，测得了质量烧蚀率。实验还观察到了X光辐射驱动的冲击波信号，得到了相应的冲击波压力。     

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     

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.     

辐射烧蚀铝箔数值模拟研究

 利用一维多群辐射输运程序RDMG数值模拟神光II条件下辐射烧蚀铝箔的实验研究,详细描述了X光在铝箔中的辐射输运过程,清楚地显示了辐射热波在铝箔中的传播,给出铝等离子体温度密度的时空分布、铝箔背面出射的X光能谱及出射X光各能区能流随时间的变化,分析出射X光的能区对测量结果的影响,对神光II条件下辐射烧蚀铝箔的厚度范围进行初步的探讨。数值结果与实验结果相吻合。     

基于MULTI2D-Z程序的Z箍缩动态黑腔形成过程模拟

对辐射流体力学程序MULTI-2D进行改造,增加磁场演化方程程序模块,自洽地在运动方程模块中增加洛伦兹力,在能量方程模块中增加欧姆加热,将它改造成辐射磁流体力学程序MULTI2D-Z.验证了新增磁场程序模块的可靠性,并发现温度和密度的增大会抑制磁场的扩散,负径向速度梯度的流体对流也会抑制磁场的扩散.利用改造好的MULTI2D-Z程序模拟了峰值为8 MA的脉冲电流驱动的钨丝阵Z箍缩动态黑腔形成过程.得到了X光功率(约30 TW)和能量(约300 k J)、泡沫辐射温度(约120 eV)、箍缩轨迹等模拟结果.在动态黑腔形成过程中,磁场主要分布在钨主体等离子体中;辐射向内传播,烧蚀泡沫柱而使它膨胀;辐射热波在被撞击的泡沫柱中传播,其传播速度比物质温度传播得快,当辐射热波传播到中心轴时泡沫柱中的辐射场变得比较均匀,并且除了冲击波处外辐射温度与物质温度基本上没有分离.这些模拟结果可增强人们对磁场扩散和对流规律以及动态黑腔形成机制的理解,同时表明了MULTI2D-Z程序可成为Z箍缩及其应用的新的程序模拟工具.     

填充等离子体的介质同轴波导中的切伦科夫辐射

 利用自洽线性场理论，导出了薄环形相对论电子注通过填充等离子体的介质同轴波导中的注波互作用色散方程，得到了注波互作用产生切伦科夫辐射的同步条件和波增长率。分析了填充等离子体后的波与电子注之间的能量交换及等离子体密度对色散特性、波增长率和注波能量交换的影响。分析结果表明：切伦科夫辐射是由沿介质同轴波导传播的慢波与沿薄环形相对论电子注传播的负能空间电荷波耦合所致，且其耦合强度与电子注的密度成正比；输出频率和波增长率随着填充等离子体密度的增大而提高；保持一定的输出频率，增大电子注的束流可得到高的微波输出功率。     

光在吸收介质中传播的折射定律

光波在均匀非吸收介质中传播时振幅不衰减,在两种非吸收介质界面处产生折射现象,由几何光学中实数形式的光折射定律定量描述.而光波在均匀吸收介质中传播时,其振幅沿传播方向衰减,且其等振幅面与等相位面会发生分离.考虑吸收对光波传播特性的影响,本文回顾了复折射率的概念和复数形式的折射定律,据此对光波由吸收介质入射到吸收介质和光波由非吸收介质入射到吸收介质的两种情况进行了讨论,阐明了复数折射定律在具体问题讨论中的必要性和便利性,同时分析了实数形式和复数形式折射定律的关系.     

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     

三能级固体激光介质对抽运光吸收的理论研究

从激光介质中光能量的传输方程和描述脉冲激光的能级跃迁速率方程出发，研究了激光介质对抽运光的吸收特性.理论分析表明，固体激光介质对抽运光的吸收不仅是指数函数吸收方式，当抽运光的能量密度增大到一定程度时激光介质对抽运光的吸收变为非指数函数吸收，吸收深度增加.以红宝石晶体为例进行了具体的理论计算，结果显示出了随抽运光能量密度增大介质吸收的变化规律. 关键词： 抽运 激光介质 光传输方程 光吸收     

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     

短脉冲激光与介质相互作用的扩散模型

推导了扩散近似方程,通过半无限大均匀介质计算,用扩散理论分析解验证了数值方法的有效性.模拟了光在非均匀介质内的传输过程,给出了介质内光通量随时间变化的空间分布.结果表明,该基于扩散模型的数值方法能够模拟短脉冲光在强散射介质中的传播过程以及漫散射光的时间变化特性,并且借助于光通量空间分布能够准确模拟非均匀介质内内含物的位置.     

填充多层互易手征介质金属同轴线传播特性

 采用在圆柱坐标系中分离变量的方法，推出填充多层互易手征介质的金属同轴线各层电磁场之间的关系，得到其模式特征方程和圆波导模式特征方程，给出了填充两层手征介质金属同轴线部分模式的色散特性的数值计算结果，分析了手征介质参量及两层手征介质厚度变化等对手征同轴线传播特性的影响。如果互易手征介质的手征参数等于零，可得填充普通介质的同轴线的模式特征方程。与填充普通介质的同轴线中的模式相比，手征同轴线中的模式发生了分叉。当同轴线中所填介质的折射率增大时，其模式归一化截止频率和进行基模单模传输的带宽归一化频率都将减小。     

稠密颗粒介质热辐射传输特性的边界效应

稠密颗粒介质在自然界和工业生产中广泛存在。在高温条件下，辐射对传热过程有十分重要的影响，并且在实际工程应用中，边界的作用不可忽略。本文采用辐射传递函数(RDF)作为表征体系内辐射换热的特性参数，它是辐射传递因子(RD)从离散尺度到连续尺度的扩展，不仅包含几何信息还包含辐射能量信息。因此它可以完全表征体系中的辐射换热，从而有助于直观地分析边界对颗粒热辐射传输特性(以RDF分布进行表征)的影响。分析了在靠近反射性边界时颗粒填充率和颗粒表面发射率对颗粒热辐射传输的影响，结果表明，边界对于由RDF表征的系统内颗粒热辐射传输有重要影响，颗粒填充率和颗粒表面发射率对该影响具有调节作用。研究结果有助于深入理解稠密颗粒介质中的热辐射传输机制。     

地下强爆炸辐射流体动力学过程的二维数值模拟

为评估强爆炸的毁伤效应,利用流固耦合界面处理方法,考虑辐射输运引起的能量沉积过程,建立同时求解辐射流体力学方程和流体弹塑性方程的二维耦合计算方法,给出地下强爆炸时,爆室内辐射波传播、辐射能量沉积到岩土表层、岩土表层膨胀、冲击波在岩土介质中传播、爆室内高压压缩爆室壁、爆室壁振荡增大的完整物理过程.     

光在非均匀介质中传播规律的演示

光在介质中的传播规律遵循费马原理,如：在均匀介质中,光沿直线传播．在非均匀介质中,光的传播轨迹比较复杂,与非均匀介质的状态有密切关系．尽管海市蜃楼和沙漠幻影是大自然中能够看到的光在非均匀介质中的传播现象,但只有在一定条件下才能出现,不是随时可以看到的．为了能在光学教学中让学生能够看到光在非均匀介质中的传播,本文利用白糖溶液和水之间扩散形成的浓度非均匀区域,实现了光线的非直线传播．通过光线实际传播的路径,计算了非均匀区域液体折射率的相对变化．这一演示实验取材简单,容易实现,对学生思维训练具有一定的借鉴意义．     

三维柱腔内辐射输运的一维模拟

在惯性约束聚变实验中,使用一维辐射流体力学程序模拟辐射在管壁约束的介质中的传输,因为无法考虑管壁辐射漏失等二维或三维边缘效应而引入了较大的误差.通过解析的视角因子公式和反照率定标公式来模拟X射线在管壁中的损失以及腔壁开口的漏失等边缘效应,对一维辐射流体力学程序MULTI的辐射输运计算进行了修改,成功模拟了X射线辐照下金等离子体的界面运动轨迹,比不考虑边缘漏失更接近实验测量结果,证明了该方法的有效性.     

X光加热金平面靶再发射时间的数值模拟

 用一维多群辐射输运程序对X光加热金平面靶的物理过程进行了数值模拟, 计算出了X光再发射延迟时间, 与最近的双盘靶测得的再发射延迟时间的实验结果相当吻合。在各种因素的影响下, X光各能区再发射的延迟时间的变化趋势与实验结果一致的。这说明这个一维多辐射输运程序可以较好的模拟X光打击平面靶的实验结果。