Z箍缩内爆动力学过程中非Planck辐射产生机制研究

Z箍缩内爆动力学过程中产生的X光辐射在强辐射源、高能量密度物理和驱动惯性约束聚变研究中具有重大应用价值，因此研究清楚其产生机制和能谱结构具有重要意义。研究表明，Z箍缩产生的X光辐射并不是平衡的Planck能谱分布。辐射的非平衡特性会极大地影响Z箍缩内爆动力学状态，并且也被广泛用于诊断等离子体参数。项目从理解Z箍缩非平衡X光辐射微观产生机制及其对内爆动力学的反作用过程出发，通过把细致的原子电离模型和辐射输运模型耦合到磁流体力学运动中，研究各碰撞过程和辐射跃迁对形成非Planck辐射能谱结构的机理，分析不同内爆阶段的主导辐射产生机制及能谱分布，研究非平衡辐射能谱产生过程对宏观内爆动力学和能量优化的影响，获取不同驱动器和负载条件下的优化参数。进而建立能谱诊断分析方法，提出等离子体参数能谱诊断方案。本项目可以深化对Z箍缩物理过程特别是高能量密度条件下辐射产生机制的理解，为实验设计和分析提供参考。

根据项目研究设想，我们针对Z箍缩内爆动力学过程中的非Planck辐射产生机制建立物理模型，研制模拟程序，开展Z箍缩非平衡辐射特性和辐射产生机制物理研究，发展能谱程序用于等离子体参数诊断，初步开展动态黑腔中辐射产生过程物理研究，并应用于毛细管放电产生X光激光过程的物理分析。这些工作使得我们在Z箍缩非Planck辐射方面建立了较强的研究能力，对Z箍缩内爆辐射特性和主导产生机制及变化规律有了更为深入的理解与认识，并应用于Z箍缩实验物理研究，达到了项目预期目标。.为描述Z箍缩内爆中的非Planck辐射产生过程，建立了基于主量子数的细致组态电离模型，可以研究中性原子到裸核所有离化度下主量子数小于10的所有能级的线跃迁、复合辐射及轫致辐射过程，并考虑5类原子过程对离子布居的影响。针对线辐射输运建立逃逸概率近似模型，针对连续谱建立多群扩散模型，并与辐射磁流体力学方程耦合，发展了一维拉格朗日非平衡辐射磁流体程序；针对Z箍缩内爆，研究清除了从电磁能到Z箍缩等离子体动能、内能以及辐射能之间的能量转化，分析了离子、电子和光子之间能量交换。进而分析了在内爆加速以及滞止过程中碰撞电离、激发、复合等原子过程对辐射产生的影响，研究了不同驱动条件下不同内爆阶段的主导辐射产生机制；针对Al、Ar、Ti、Fe等中低Z材料，开展了K壳层辐射物理研究，获得了K壳层辐射产额随驱动电流、负载质量和半径的变化规律。针对大电流条件下K壳层谱线吸收的问题，提出了利用原子序数相近的合金材料，降低辐射不透明度，增加K壳层辐射产额的思想并获得了数值模拟结果的验证；利用细致组态模型和辐射输运模型，研制了稳态非局域热动平衡能谱分析程序。采用三种分析方法，针对“强光一号”Al丝阵实验结果，诊断得到了等离子体密度和温度参数；利用非平衡模拟程序，初步研究动态黑腔辐射场形成的物理机制，明确了辐射的超声速传播及其与冲击波波阵面分离的关键物理过程。并针对“强光一号”驱动条件进行了实验设计，研究了丝阵与泡沫转换体相互作用过程，主要实验结果验证了数值模拟计算的正确性；基于扩展的电离模型，研究了Ar和Xe毛细管放电过程，获得了X射线激光产生的关键物理图像，分析了激光增益随放电和气体参数的变化规律。.根据部分研究结果，发表了9篇Sci收录论文。5人次参加国际会议，做口头报告或张贴报告，与国际同行充分交流、介绍了我们的研究成果。