强X射线与金属作用产生脉冲强电流效应研究

论文摘要

压强大于1 Mbar或能量密度大于1011 J/m3的系统属于典型的高能量密度系统。高能量密度系统一般处于等离子体状态,在宇宙中普遍存在,特别是处于演化中后期的星系,例如脉冲星。脉冲星能辐射1020-24 W的定向微波电磁脉冲,其辐射频谱满足关系I∞ω-2,属于非热辐射；脉冲星的非热电磁辐射机制并没有完全被解决。高能量密度条件下的非热电磁辐射为探索能够产生高功率（≥1016 W）、大能量（≥1010 J）电磁脉冲的方法提供了线索。早期的高能量密度物理研究主要集中在天体物理上,主要原因是缺乏实验室高能量密度加载手段。最近几十年超强超短激光技术、Z箍缩实验技术、脉冲功率技术、磁场加载技术以及尖端诊断设备等迅速发展,这为在实验室内多方面细致探索高能量密度物理现象提供了条件。Z箍缩内爆等离子体是目前实验室水平最强的X射线源,如Sandia国家实验室Z装置上等离子体内爆实验能产生200 TW.6 ns的X射线脉冲。向一个系统注入能量后,该系统将处于不稳定的高能量状态（激发态）,向低能量状态跃迁过程中系统将释放能量,而能量释放的方式是多样的,例如气化、喷射、温升、热辐射和非热辐射等。能否控制能量释放的方式,使其朝着我们所需要的模式发展?本论文的主要研究目的是探索强X射线所产生的高能量密度系统的非热电磁辐射机制。本论文得到的主要结论包括：（1）采取同心球面状传输线能获取较好的负载参数：负载电流1 MA,上升时间80～90 ns;（2）脉冲电流由三部分组成：光电效应回流、康普顿电流和热电流。X射线加载初期光电效应占主导,随后康普顿电流和热电流增强。光电流占热电流的～10%,康普顿电流占热电流的～20%,热电流～1 A（X射线峰值强度～106W/cm2）。实验排除了Z箍缩等离子体溅射、线圈自身差异和电缆色散等因素的影响。（3）测量了X射线驱动产生的电磁脉冲,实验结果并不理想,可能的原因是入射X射线强度不够,不足以驱动很强的定向电磁脉冲。（4）建立了脉冲电流的微观理论模型。根据电子的波动性计算了光电效率,将此结论推广得到势能与折射率之间的关系,并得到了描述波动的牛顿运动方程。计算结果表明强度I～106W／cm2的X射线脉冲产生的光电流密度和康普顿电流密度,～10-1A／cm2,热电流密度～105A／cm2,能量沉积深度～100 nm,电子的温度～101eV；电流正比于Iα（1／3<α<1／2）；电子的温度和电流密度与能量沉积深度成反比,而能量沉积深度一定程度上反映了入射光子的硬度,因此入射强度一定时,入射光子能量越高热电流密度越小。（5）用热传导方程讨论了热电流的宏观机制。温度-4×103K,电流密度～105 A／cm2。电流密度峰所在的位置从辐照区域向外移动,移动速度～103m/s,这表明电子沿金属靶表面从辐照区域向边界运动；随后讨论了能量输出形式与加载条件的关系。（6）根据系统的关联性对几种相互作用机制进行了分类。光电效应和康普顿效应属于电子的个体行为,热效应为电子系统的弱关联集体行为。可以预测超强X射线加载下金属／真空界面等离子体区域将出现强关联集体行为-电荷密度调制状态,其在退激发过程中可能以较高的效率辐射定向微波电磁脉冲。（7）分析了电荷密度调制状态的性质。根据对称性准则分析了出现电荷密度调制状态的合理性,估算了一维电荷密度调制状态参数：电荷密度调制状态的储能密度正比于调制波长的平方,正比于电荷密度调制振幅的平方。推导了系统的拉格朗日函数和描述系统演化的Euler-Lagrange方程,利用拉格朗日函数推导了等离子体振荡,以此验证该模型的合理性。根据拉格朗日函数和哈密顿函数分析了产生电荷密度调制的关键因素,电子与声子的耦合以及磁场是产生电荷密度调制状态的关键因素。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 高能量密度物理
• 1.2.1 高能量密度的定义
• 1.2.2 高能量密度系统的性质
• 1.2.3 实验室高能量密度装置
• 1.2.4 非热电磁辐射现象
• 1.2.5 本论文的研究工作
• 1.3 X射线与物质相互作用机制简介
• 1.4 国外研究方法和进展
• 1.4.1 X射线与物质相互作用
• 1.4.2 超强超短激光脉冲与物质相互作用
• 1.4.3 国内外进展小结
• 第二章 强X射线与金属相互作用实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 Z箍缩基本原理及实验装置简介
• 2.3 实验设计
• 2.3.1 传输线结构优化设计
• 2.3.2 回流罩设计
• 2.3.3 负载设计、制备及安装
• 2.3.4 实验参数的选择
• 2.4 实验结果
• 2.4.1 斜入射软X射线产生脉冲电流
• 2.4.2 X射线垂直入射
• 2.4.3 康普顿电流
• 2.4.4 实验存在的问题及补充实验
• 2.4.5 斜入射X射线驱动电磁脉冲的初步实验
• 2.5 本章小结
• 第三章 实验结果分析
• 3.1 引言
• 3.2 脉冲电流的理论模型
• 3.2.1 光电流的估算
• 3.2.2 康普顿电流的估算
• 3.2.3 热电流
• 3.3 理论预测
• 3.4 磁场重联
• 3.5 几种相互作用机制之间的联系
• 3.5.1 热电子发射的几种机制
• 3.5.2 光电效应与热效应之间的关系
• 3.6 本章小结
• 第四章 电荷密度调制状态的性质
• 4.1 主要研究内容
• 4.2 电荷密度调制状态简介
• 4.3 金属表面的电荷密度调制
• 4.3.1 电荷密度调制状态的参数估算
• 4.3.2 体系的拉格朗日量和哈密顿量
• 4.4 产生电荷密度调制状态的关键因素
• 4.4.1 特殊条件下方程的解析解
• 4.4.2 产生电荷密度调制状态的关键因素
• 4.5 初步计算结果
• 4.5.1 金属表面的电荷密度调制
• 4.5.2 入射X射线强度对电荷密度调制振幅的影响
• 4.5.3 金属靶尺度效应
• 4.5.4 入射电磁脉冲偏振态的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 主要研究结论
• 5.2 展望
• 5.3 论文工作创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表论文情况