新型波带板用于激光等离子体x光成像的理论分析-theoretical analysis of new wave band plate for laser plasma x - ray imaging.docx

中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：签字日期：中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。□公开□保密（年）作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：第1章绪论受控核聚变研究，是一项全球范围内广受重视的重大科研课题，对彻底解决人类的能源问题有极其深远的意义。激光驱动惯性约束聚变（ICF）是实现热核聚变的两大途径之一，得到了人们深入的研究。激光等离子体光谱诊断是ICF实验研究的至关重要的手段，得到人们的广泛关注。强场物理这门新兴学科的兴起，是源于超短超强脉冲激光技术的迅猛发展，可以在实验室内产生前所未有的高温度，高压力，强电场，强磁场等极端物理条件，给物理学家们打开了一个新的研究领域。Fresnel波带片是一种利用衍射方法聚焦的光学元件。由于聚焦效率很低，自诞生以来并没有引起人们很多的关注。重新被人们关注，是因为传统的折射式的透镜无法聚焦X光。而在X光波段，Fresnel波带片同样能够实现聚焦。因此，在X光波段，Fresnel波带片成为一种有效的成像元件。同时，基于波带片的软X光成像技术在ICF研究中的背光成像实验方面和强场物理中的超快K???源成像方面有潜在的应用。衍射光栅谱学是一种利用衍射光栅，对研究对象发射的光谱进行分析研究，从而得到研究对象物理和化学性质以及原子分子物理过程等方面信息的一种重要手段。被广泛应用于物理学，化学，天文学的光谱研究。软X光透射光栅谱学在ICF实验研究，强场物理中的光谱诊断有重要的应用，是研究ICF实验和强场实验中的物理过程的重要途径。1.1激光驱动惯性约束研究及发展能源问题是人类生存与发展所面临的最根本问题，当今人类的能源结构仍然以石油，煤炭，天然气等化石能源为主，而所谓的清洁能源如风能，水力，太阳能则远远满足不了人类现代文明发展对能源的需求，目前人类面临着严重的能源危机。因此，获得充足，廉价的能源是人类社会所迫切需要解决的重大课题。聚变能[1]作为一种潜在的新型替代能源，其高效，清洁，原料的“取之不尽，用之不竭”使得其很早就成为科学家们广泛研究的目标。当前，聚变研究主要集中在两个方向：惯性约束聚变[2-4]和磁约束聚变。图1.1激光驱动的惯性约束聚变过程示意图[2]惯性约束聚变（ICF）是通过外驱动源，利用燃料自身惯性实现约束控制的聚变方式，目前主要使用的外驱动源是强激光。激光驱动的惯性约束聚变过程[2-6]如图1.1所示：激光或者激光产生的X光均匀辐照充有热核燃料的靶球，靶球表面在烧蚀过程中会产生很大的聚心烧蚀压，驱动附近的高温高密度等离子体向外喷射，类似于火箭的反冲运动，压缩靶内的氘氚燃料，驱动靶球内爆。当氘氚燃料心部压力极大增强，达到Lawson判据[7]的时候发生热核聚变反应。反应产生的能量沉积在周围的燃料中，使之发生聚变反应，从而带动靶球的整体聚变。目前研究的最为广泛的是基于中心点火的间接驱动方式。不同于直接驱动直接利用激光均匀辐照靶球，使之发生聚变；间接驱动方式[3][4]（图1.2）首先将激光能量注入一个Au材料的黑腔当中，在黑腔当中营造一个均匀的X光辐射场，此辐射场驱动靶球内爆。与直接驱动相比，间接驱动方式产生的X光辐射场更加均匀，降低了靶球表面粗糙度和激光辐照对称性的要求；但同时，激光转化成X射线过程中损失部分能量，所以激光能量的利用率降低。所以，间接驱动ICF需要更大能量的激光器，以产生可以实现点火条件的黑腔辐射场。图1.2间接驱动激光聚变过程示意图[8]可以看出，大型激光器是制约聚变实验的决定因素，因此，世界范围内，各种大型激光装置相继建成，用于激光聚变的研究。目前，世界上已建成的输出功率最大的激光器是美国Livemore实验室的国家点火装置[8][9]（NIF）（图1.3）。这一装置由192路激光组成，设计输出指标为3倍频（351nm）能量1.8MJ,耗资40亿美元，于2009年初建成。2010年初注入3倍频能量达到1MJ;2010年9月底，开始进行低温靶球充气腔靶的实验，并进行了中子诊断测试[8]；2010年11月初，NIF靶面注入3倍频激光能量达到1.3MJ。目前，NIF正开展靶球