惯性约束聚变中内爆靶球的光谱线形与温度密度诊断

In inertial confinement fusion (ICF), the diagnostics of the temperature and density distributions in the implosion ball are very important for the capsule design and the analysis of the implosion procedure. With the development of the experimental technologies of monochromatic x-ray imaging, people now can measure the spatial resolved spectra the ball during the implosion, and therefore need to develop theoretical models to calculate and analysis the measured spectra to diagnose the spatial distributions of the temperature and density. In this proposal, we plan to develop theoretical models to diagnose plasma spectra base on atomic physics and plasma physics. The line strength and broadening of the emission spectral lines of the doped elements will be calculated and analyzed to diagnose the density and temperature of the implosion plasma. Detailed level accounting model will be applied to calculate the spectra and opacity, and molecule dynamics will be applied to simulate the ion motions to obtain the micro filed distributions in the fuel plasma. The time-dependent Schodinger equation will be resolved to calculate the Stark broadening of the emission line to diagnose the plasma densities. A research and optimization method will be developed to diagnose the spattial distributions of the temperature and density, and account for the opacity effect to the emission lines in the implosion core. This proposal is expected to help the experimental development in the ICF researches of our nation, and to do some valuable works in the researches of atomic physics in hot and dense plasma environment.

惯性约束聚变（ICF）中，内爆靶球等离子体的温度、密度及其空间分布的诊断对靶球设计、内爆过程的分析等非常重要。随着单能成像等实验技术的发展，人们开始对靶球空间分布的光谱进行测量，因此迫切需要对实验光谱进行理论分析来诊断温度和密度的空间分布，为改进实验设计提供依据。本项目拟从基本的原子物理和等离子体物理出发，发展等离子体光谱诊断的理论模型，通过计算靶球掺杂元素发射谱线的强度、宽度进行电子温度、密度的诊断。采用细致能级模型计算等离子体光谱和不透明度；采用分子动力学方法模拟靶球芯区等离子体中的离子运动，获得微场分布，通过求解含时薛定谔方程的方法获得谱线的Stark宽度，以此诊断等离子体密度；建立参数搜索与优化的算法获得芯区温度、密度的空间分布，并考虑芯区等离子体的辐射不透明度效应。本项目成果能为我国ICF实验研究提供很好的参考，对发展高温、稠密等离子体环境中的原子物理也具有很好的理论价值。

本课题的研究的目的是通过分析ICF内爆靶球中示踪元素的X射线发射谱，诊断靶球中电子温度、密度及其空间分布，从而了解靶球在内爆过程中的状态，分析靶球的对称情况。我们建立了局域热动平衡（LTE）及非局域热动平衡条件下高温等离子体光谱计算的理论模型、计算方法，编制了计算程序。我们计算了Ar、Al、Fe、S、Br等元素各价态离子的能级以及跃迁数据，研究了高温稠密状态下Ar、Al等离子体的辐射不透明度、发射光谱、谱线线型等。结合国内外重要的实验结果对理论模型、计算方法进行了对比验证，证明了我们的理论模型的合理性。同时对实验光谱进行了理论分析，对实验中可能存在的问题进行了讨论。我们研究了在ICF内爆靶球中电子温度、密度的空间分布以及等离子体电离平衡状态。讨论了NLTE条件下各种辐射以及电子碰撞过程对电离平衡的贡献以及影响，得到了等离子体中各价态离子及能级的布居，通过实验中Ar的类氢、类氦离子的K壳层谱线的强度对温度进行了较为准确的分析和诊断。对内爆中靶球的推进层和燃料层是否存在混合进行了分析、讨论。. 通过本项目的研究，我们获得了Ar、Al、Fe、S、Br等常用于内爆实验的原子的各价态离子的能级、辐射跃迁、碰撞跃迁的原子参数库，数据丰富，精度较高，能够满足辐射不透明度、光谱诊断等方面的需要。获得了典型条件下内爆掺Ar靶球的X射线光谱，积累了经验，为进一步的研究打下了较好的基础。.本项目的研究成果具有比较好的科学意义，在ICF的研究中具有很好的应用前景，能够为ICF中靶球的设计提供依据和建议，为了解靶球在内爆中的状态提供理论上的分析。同时，通过本项目的研究，增强了课题组在原子物理基础研究方面的能力，培养了人才。