氩气Z箍缩内爆等离子体温度诊断

　　1　引　言

　　等离子体的电子温度、电子密度和平均离化度等特征状态参数对于深入理解惯性约束聚变中的能量耦合和不稳定性增长等物理过程具有重要意义,X射线光谱学诊断为获得这些特征参数提供了一种重要途径[1-4]。与一般的激光光学成像及Thomson散射等光学探针方法相比,X射线光谱学诊断方法可以获得更高密度区的等离子体状态参数[5-7],并且由于采用等离子体自身发射的X射线作为诊断工具,可以避免对等离子体产生干扰,同时诊断结果更精确。Z箍缩内爆实验形成高温等离子体,辐射出大量类H及类He离子X射线,包括共振线及其伴线,伴线强度与等离子体电子温度密切相关,故可用伴线与共振线强度之比来诊断等离子体温度。由于类He共振线与伴线均来自于相同的初始态,可以减弱等离子体非等温性造成的影响,同时两条谱线波长很接近,可使弯晶谱仪的测量误差减至最小。

　　本文对氩等离子体中的双电子复合过程进行研究,确定伴线与共振线比值和等离子体电子温度的理论关系。实验采用云母椭弯晶谱仪,检测以氩气为负载的Z箍缩内爆实验产生的X射线光谱,利用X射线胶片接收到氩的L层至K层跃迁辐射的类He谱线及伴线。测量得到了氩气Z箍缩等离子体辐射X射线能谱强度分布,依据伴线与共振线强度比以及伴线与禁戒谱线之和与w线强度比和温度的变化关系来确定等离子体电子温度。

　　2　理论分析

　　离子跃迁几率,包括从类Li、类He至类H离子,以及直接电离、碰撞电离和辐射复合率系数都可以用下式表示[8],

　　上式中nj是j态能级布居数,是从i态至j态的跃迁几率。在一定稳态条件下,每一电离化过程的转换,如双电子复合,三体复合等都能够探测到,甚至碰撞电离至Ar18+裸核及其辐射复合也包含在内。从Ar的裸核至类Li这4种离子的相对布居及每种离子的各能级布居数都可以在稳态条件下得到。在一特定密度、温度及跃迁波长λ0条件下,类He及Li离子碰撞激发线辐射量εij由下式给出,

　　这里ni是上能级布居数,Aij是从i态至j态的辐射跃迁几率,可以据此计算Ar的类Li伴线与类He共振线的谱线强度比。

　　来自于j态由电子碰撞激发产生的q电荷粒子发射率可用下式表示,

　　上式中ne及nq为电子、粒子密度,C(Te)为碰撞激发率系数,βj,f是上层能级跃迁辐射分支比,

　　上式中分母第一项表示表示通过自离化从j态至可达到更高能级的所有i态辐射跃迁几率之和,第二项则表示通过辐射从j态至可达到的更低能级的所有f态辐射跃迁几率之和。