超高密度高溫電漿診斷是指離子數密度、溫度範圍分別為、的電漿的各種物理參量的測量。
基本介紹
- 中文名：超高密度高溫電漿診斷
- 外文名：Ultra-high density plasma diagnostics
- 作用：測量物理參量
- 包括：雷射診斷
介紹
在實驗室中，這類電漿一般都是在高功率密度的雷射或帶電粒子束與靶物質相互作用的過程中產生的，也稱為慣性約束電漿。這類電漿的特點是尺寸小(10?m～1cm)，時間短(10ps～100ns), 而且它包含有參量範圍和物理特性差別很大的各種電漿區，即冕區、靶區和中心的燃料區。這就使得許多常規的電漿診斷方法（見電漿診斷學）在這裡不適用了，而必須採用許多具有高空間分辨(1?m～1cm)和時間分辨1ps～20ns特點的診斷方法，形成了電漿診斷學中的獨特領域。慣性約束電漿的診斷方法有：測量從電漿內部發射出來的一切物質，包括各種頻區的電磁輻射（這裡主要是 X射線）、電子、離子以及熱核反應產物（中子、α 粒子）等，以及主動地送入各種形式的探測束，例如紫外雷射探測束、X射線探測束等,並根據它們與電漿的相互作用，對電漿進行診斷。下文以雷射爆聚電漿為主要對象, 對慣性約束電漿中常用的診斷方法,作一簡述。
雷射診斷 在雷射或粒子束與靶相互作用實驗中，靶吸收入射束能量後，在靶的周圍產生一個密度較低的電漿區，通常稱為冕層電漿。入射束能量的吸收和輸運過程都發生在冕區。因而，為了更好地了解束靶相互作用過程，就需要細緻地測量該區中電子密度分布的細節。
如電漿診斷學所述，干涉法或全息干涉法是測量電漿電子密度的一種成功的方法，它是利用相干的探測光束通過電漿時，由於電漿折射率（它與電子密度有關）的變化所產生的相移來測量電子密度的。與常規的實驗室電漿相比，慣性約束的冕區電漿的密度仍較高，且密度梯度大，這就要求探測束的波長要十分短。此外，由於這類電漿密度的瞬態變化很快，它也要求探測束的脈衝寬度要足夠窄。例如，在某些雷射－靶相互作用實驗中，利用主雷射束（銣玻璃雷射）的四倍頻的紫外線束（波長2660┱）作探測束，並用全息干涉法探測了冕區電漿電子密度分布，它所測的電子數密度高達1027米-3，並觀測到了臨界層附近的密度梯度變陡，等密度面存在小尺度波紋等現象，這些測量對束靶相互作用過程的理解起了重要的作用。
X 射線診斷 慣性約束電漿是個豐富的X射線源。在慣性約束電漿實驗中，靶材料被入射束加熱，其溫度可達約一百電子伏至幾千電子伏；而且，當靶中含有聚變反應材料（如氘、氚等，它們也稱為燃料），並發生聚變反應時，靶可被加熱達五十千電子伏甚至更高溫度。因而，從靶發出的電磁輻射,大部分都落在X射線區。這些X 射線輻射，特別是其能譜、空間和時間分布的數據，與靶中所發生的物理過程，特別是爆聚的動力學過程密切相關，通過對它們的測量可以得到下列重要的信息：
① 由時間分辨的X射線連續譜的測量，可以測定靶中電子溫度隨時間的變化，並可以了解靶爆聚的動力學過程，求出靶爆聚的時間；此外，它與下述的X 射線空間分辨測量數據相結合，可間接地求出靶的平均爆聚速度。
② 利用X射線成像方法，通過時間分辨地記錄爆聚電漿X射線源的像,可對靶的壓縮過程進行時、空分辨的測量，從而可以直接測量爆聚的速度，並可獲得有關爆聚對稱性和壓縮狀況等重要數據。
③ 通過空間分辨地測量靶元素所發射的X射線標識線輻射強度（或強度比），可得到靶電漿的電子密度和電子溫度的空間分布。
④ 利用有意識地在燃料中摻入少量的雜質元素,通過高譜分辨和空間分辨地測量它們所發射的譜線輪廓，可以導出燃料區最後所達到的壓縮密度和壓縮尺寸。可見光和X 射線測量在超高密度高溫電漿診斷中占有十分重要的地位。因此，在慣性約束電漿實驗中都裝備了很多各種類型的X 射線診斷儀器，以求儘可能完整地獲得靶發射的X 射線的能譜、空間和時間分布的數據。這樣，發展各種類型的、高性能的X 射線診斷儀器，也成為慣性約束電漿實驗研究的重要課題。
在慣性約束電漿實驗中,時間分辨的X射線測量的主要工具是X 射線高速掃描照相機，其工作原理基本上和光學的變像管式掃描照相機相同，它的分辨時間已達15ps，可用的能量範圍是1～30keV。此外，也有用無窗快X 射線二極體做低能X 射線（能量小於一千電子伏）的時間分辨測量，分辨時間已達30ps，而且它在0.1～1.5keV範圍內有較平的回響曲線。
X射線能譜測量儀器主要有兩類，一類是多道K邊濾光片X射線譜儀，用來測量寬能譜範圍的X射線連續譜。它是利用不同元素在各自的K吸收邊附近對X射線具有帶通透射的特性,以及X射線連續譜和探測器的譜回響隨能量而單調下降的特性，以獲得不同道的譜窗。另一類譜測量儀器是X射線布喇格晶體譜儀，它能高分辨地測量X射線線譜及其輪廓。
常用的X射線成像儀器有：針孔照相機、掠射X射線顯微鏡和菲涅耳波帶片。它們也是天文學中X射線觀測所常用的儀器。針孔成像是一種古老而簡單的成像方法，它是利用光線近似直線傳播的原理成像的。掠射式 X射線顯微鏡是利用媒質表面對於掠射角小於臨界角的 X射線具有全反射的特性，製成各種類型聚焦的反射鏡，用來對X 射線源成像。菲涅耳波帶片編碼照相是一種兩步成像技術。它的關鍵成像部件是菲涅耳波帶片，這是由一系列等面積的透明和不透明交替的環形帶所組成的。其成像的第一步是源所發出的X 射線通過波帶片在適當的成像平面上形成重疊的陰影圖分布；第二步是用平行的相干光照射所得到的陰影圖，它的透射光的菲涅耳衍射圖在適當的空間內，重現了原輻射源的三維分布的實像。這類X射線成像儀器的空間解析度已達3?m。
熱核反應產物測量 當靶被加熱和壓縮時，靶的性能的一個重要標誌是燃料區產生了聚變反應，並釋放出大量的中子、α 粒子和質子等反應產物。這些聚變反應產物的測量可以給出燃料在加熱和壓縮期間所達到的各種物理參量, 如離子溫度、密度以及面質量密度ρR（其中ρ是燃料區壓縮後所達到的質量密度,R是燃料球壓縮後所達到的半徑）等。
聚變反應產物測量主要包括中子、α 粒子的產額、能譜分布和反應區的成像測量。中子產額和能譜的測量是比較直截了當的，從這些測量可以求出燃料的離子溫度（見電漿診斷學）。與此類似，從聚變反應產生的α 粒子的產額和能譜的測量，也能獲得燃料的離子溫度。與常規的中子、α 粒子能譜測量不同的是，由於這裡的反應區體積小，反應時間極短，中子和α 粒子幾乎是從同一地點瞬時地產生和發射的，因而特別適合於用飛行時間法測量它們的能譜。此外，利用針孔照相或波帶片編碼照相的方法，可以高分辨地測量中子和α 粒子源的空間分布，並由此可以獲得燃料壓縮後的尺寸，質量面密度和壓縮的對稱性等重要信息。但當燃料區達到較高的壓縮密度時，α 粒子難以從中逃逸，這時可用中子活化分析測量燃料區壓縮後的ρR值。它是將少量的待活化的原子均勻地摻入燃料或靶殼中，利用它們與熱核中子的核反應而產生的放射性同位素的數目(它與ρR值成正比)，來間接地推算燃料區的ρR值。
X 射線探針 當靶電漿的密度較高、溫度較低時，靶自輻射的X射線強度較弱，難以用X射線自輻射進行診斷,這時，就需要藉助於外X射線源所產生的強的線或帶輻射，對這類靶的動力學過程進行診斷。它是利用靶在強的X射線背景輻照下所產生的陰影進行成像測量的，故有時也稱為X射線背景照明診斷，或X射線陰影照相。X射線探針系統包括有外 X射線源、X射線成像儀器和記錄儀器或介質。
雷射診斷 在雷射或粒子束與靶相互作用實驗中，靶吸收入射束能量後，在靶的周圍產生一個密度較低的電漿區，通常稱為冕層電漿。入射束能量的吸收和輸運過程都發生在冕區。因而，為了更好地了解束靶相互作用過程，就需要細緻地測量該區中電子密度分布的細節。
如電漿診斷學所述，干涉法或全息干涉法是測量電漿電子密度的一種成功的方法，它是利用相干的探測光束通過電漿時，由於電漿折射率（它與電子密度有關）的變化所產生的相移來測量電子密度的。與常規的實驗室電漿相比，慣性約束的冕區電漿的密度仍較高，且密度梯度大，這就要求探測束的波長要十分短。此外，由於這類電漿密度的瞬態變化很快，它也要求探測束的脈衝寬度要足夠窄。例如，在某些雷射－靶相互作用實驗中，利用主雷射束（銣玻璃雷射）的四倍頻的紫外線束（波長2660┱）作探測束，並用全息干涉法探測了冕區電漿電子密度分布，它所測的電子數密度高達1027米-3，並觀測到了臨界層附近的密度梯度變陡，等密度面存在小尺度波紋等現象，這些測量對束靶相互作用過程的理解起了重要的作用。
X 射線診斷 慣性約束電漿是個豐富的X射線源。在慣性約束電漿實驗中，靶材料被入射束加熱，其溫度可達約一百電子伏至幾千電子伏；而且，當靶中含有聚變反應材料（如氘、氚等，它們也稱為燃料），並發生聚變反應時，靶可被加熱達五十千電子伏甚至更高溫度。因而，從靶發出的電磁輻射,大部分都落在X射線區。這些X 射線輻射，特別是其能譜、空間和時間分布的數據，與靶中所發生的物理過程，特別是爆聚的動力學過程密切相關，通過對它們的測量可以得到下列重要的信息：
① 由時間分辨的X射線連續譜的測量，可以測定靶中電子溫度隨時間的變化，並可以了解靶爆聚的動力學過程，求出靶爆聚的時間；此外，它與下述的X 射線空間分辨測量數據相結合，可間接地求出靶的平均爆聚速度。
② 利用X射線成像方法，通過時間分辨地記錄爆聚電漿X射線源的像,可對靶的壓縮過程進行時、空分辨的測量，從而可以直接測量爆聚的速度，並可獲得有關爆聚對稱性和壓縮狀況等重要數據。
③ 通過空間分辨地測量靶元素所發射的X射線標識線輻射強度（或強度比），可得到靶電漿的電子密度和電子溫度的空間分布。
④ 利用有意識地在燃料中摻入少量的雜質元素,通過高譜分辨和空間分辨地測量它們所發射的譜線輪廓，可以導出燃料區最後所達到的壓縮密度和壓縮尺寸。可見光和X 射線測量在超高密度高溫電漿診斷中占有十分重要的地位。因此，在慣性約束電漿實驗中都裝備了很多各種類型的X 射線診斷儀器，以求儘可能完整地獲得靶發射的X 射線的能譜、空間和時間分布的數據。這樣，發展各種類型的、高性能的X 射線診斷儀器，也成為慣性約束電漿實驗研究的重要課題。
在慣性約束電漿實驗中,時間分辨的X射線測量的主要工具是X 射線高速掃描照相機，其工作原理基本上和光學的變像管式掃描照相機相同，它的分辨時間已達15ps，可用的能量範圍是1～30keV。此外，也有用無窗快X 射線二極體做低能X 射線（能量小於一千電子伏）的時間分辨測量，分辨時間已達30ps，而且它在0.1～1.5keV範圍內有較平的回響曲線。
X射線能譜測量儀器主要有兩類，一類是多道K邊濾光片X射線譜儀，用來測量寬能譜範圍的X射線連續譜。它是利用不同元素在各自的K吸收邊附近對X射線具有帶通透射的特性,以及X射線連續譜和探測器的譜回響隨能量而單調下降的特性，以獲得不同道的譜窗。另一類譜測量儀器是X射線布喇格晶體譜儀，它能高分辨地測量X射線線譜及其輪廓。
常用的X射線成像儀器有：針孔照相機、掠射X射線顯微鏡和菲涅耳波帶片。它們也是天文學中X射線觀測所常用的儀器。針孔成像是一種古老而簡單的成像方法，它是利用光線近似直線傳播的原理成像的。掠射式 X射線顯微鏡是利用媒質表面對於掠射角小於臨界角的 X射線具有全反射的特性，製成各種類型聚焦的反射鏡，用來對X 射線源成像。菲涅耳波帶片編碼照相是一種兩步成像技術。它的關鍵成像部件是菲涅耳波帶片，這是由一系列等面積的透明和不透明交替的環形帶所組成的。其成像的第一步是源所發出的X 射線通過波帶片在適當的成像平面上形成重疊的陰影圖分布；第二步是用平行的相干光照射所得到的陰影圖，它的透射光的菲涅耳衍射圖在適當的空間內，重現了原輻射源的三維分布的實像。這類X射線成像儀器的空間解析度已達3?m。
熱核反應產物測量 當靶被加熱和壓縮時，靶的性能的一個重要標誌是燃料區產生了聚變反應，並釋放出大量的中子、α 粒子和質子等反應產物。這些聚變反應產物的測量可以給出燃料在加熱和壓縮期間所達到的各種物理參量, 如離子溫度、密度以及面質量密度ρR（其中ρ是燃料區壓縮後所達到的質量密度,R是燃料球壓縮後所達到的半徑）等。
聚變反應產物測量主要包括中子、α 粒子的產額、能譜分布和反應區的成像測量。中子產額和能譜的測量是比較直截了當的，從這些測量可以求出燃料的離子溫度（見電漿診斷學）。與此類似，從聚變反應產生的α 粒子的產額和能譜的測量，也能獲得燃料的離子溫度。與常規的中子、α 粒子能譜測量不同的是，由於這裡的反應區體積小，反應時間極短，中子和α 粒子幾乎是從同一地點瞬時地產生和發射的，因而特別適合於用飛行時間法測量它們的能譜。此外，利用針孔照相或波帶片編碼照相的方法，可以高分辨地測量中子和α 粒子源的空間分布，並由此可以獲得燃料壓縮後的尺寸，質量面密度和壓縮的對稱性等重要信息。但當燃料區達到較高的壓縮密度時，α 粒子難以從中逃逸，這時可用中子活化分析測量燃料區壓縮後的ρR值。它是將少量的待活化的原子均勻地摻入燃料或靶殼中，利用它們與熱核中子的核反應而產生的放射性同位素的數目(它與ρR值成正比)，來間接地推算燃料區的ρR值。
X 射線探針 當靶電漿的密度較高、溫度較低時，靶自輻射的X射線強度較弱，難以用X射線自輻射進行診斷,這時，就需要藉助於外X射線源所產生的強的線或帶輻射，對這類靶的動力學過程進行診斷。它是利用靶在強的X射線背景輻照下所產生的陰影進行成像測量的，故有時也稱為X射線背景照明診斷，或X射線陰影照相。X射線探針系統包括有外 X射線源、X射線成像儀器和記錄儀器或介質。
