惯性约束聚变内爆靶球中电子温度、密度空间分布的理论诊断研究

在惯性约束聚变中，人们非常关心靶球内爆过程中推进层和燃料区电子温度、密度的空间分布及对称情况。在推进层或燃料区掺入少量的示踪元素，通过其发射或吸收谱线可以诊断这些信息。在以前的研究中，人们诊断得到的通常是平均温度和密度。随着实验技术的发展，目前利用单能成像等技术可以测量示踪元素发射谱线在推进层或燃料区中的空间分布。本项目从基本的原子结构理论出发，采用细致能级模型，通过精确计算原子能级、跃迁几率以及等离子体中的粒子数分布，分析实验谱线的轮廓、强度等，诊断推进层和燃料区电子温度、密度的空间分布，获得推进层的面密度、靶球的压缩比和对称性等信息。利用靶球内爆过程中达到的高电子密度条件，开展自由电子对原子结构、谱线和电离阈值的影响的研究。本项目涉及到稠密等离子体环境下的原子结构和光谱理论，具有很好的理论意义和学术价值，项预期的成果可以应用到我国的惯性约束聚变研究中。

在激光惯性约束聚变研究（ICF）中，内爆靶球在压缩过程中的形态以及温度、密度的状态是人们非常关心的。本项目从原子物理和等离子体物理出发，通过理论模拟内爆靶球芯区等离子体光谱来诊断靶球的温度、密度状态。本项目在ICF内爆靶球芯区掺氩等离子体光谱的谱线诊断、热电子对光谱和温度、密度诊断的影响、谱线展宽的理论模型等方面取得了较好的研究成果。在芯区等离子体中，建立了非局域热动平衡的价态分布以及粒子布居的理论计算模型。基于稳态平衡条件下，建立了速率方程，通过电子碰撞激发、碰撞电离、光激发和光电离等过程及其逆过程的速率平衡来获得粒子数分布。通过细致能级模型获取速率方程中所需要的原子能级及跃迁数据。在能级的计算中采用了单组态或多组态的模型，考虑了能级之间的相互作用，获得了精确的能级和跃迁数据，能够满足速率方程以及光谱计算的要求。针对内爆等离子体，计算了Ar等离子体典型的温度、密度条件下的发射光谱，研究了类氢、类氦离子K壳层谱线强度对温度的敏感性。研究了自由电子能量分布对粒子占据数的影响，发现虽然在内爆等离子体高密度条件下，电子的能量分布服从Fermi-Dirac分布，与麦克斯韦分布有所差异，但是两者对主要价态的离子丰度并没有造成大的差异，因此在速率方程中自由电子采用麦克斯韦分布并不会对粒子数分布造成影响。发展了内爆等离子体中微场分布的理论模型，通过平均原子模型计算等离子体中两离子之间的相互作用势，通过经典分子动力学的方法模拟等离子体中离子的运动，统计出等离子体中的微场分布。初步发展了稠密等离子体中类氢离子K壳层谱线Stark宽度的计算方法。采用求解含时薛定谔方法获得类氢原子波函数在微场当中的演化，通过傅立叶变换获得的原子的能谱，得到谱线的Stark宽度。