铝丝阵Z箍缩辐射产生机理初步研究＊

肖德龙 宁 成 蓝 可 丁 宁

(北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094)

铝丝阵Z箍缩辐射产生机理初步研究＊

肖德龙 宁 成 蓝 可 丁 宁†

(北京应用物理与计算数学研究所,北京 100094)

(2009年3月2日收到;2009年3月22日收到修改稿)

利用一维非平衡辐射磁流体力学程序研究了铝丝阵内爆过程中的能量转化规律和辐射产生机理.细致讨论了Z箍缩过程中脉冲功率驱动器电磁能馈入等离子体,等离子体动能转化为内能以及通过一系列原子过程电子内能转化为X射线辐射的能量转化机理.结合离子布居信息深入分析了Z箍缩过程中的辐射产生机理.结果表明,在内爆压缩阶段,电离和激发过程占优,线辐射占据总辐射的绝大部分.在滞止时,离子大都处于裸核离化度,连续谱辐射达到峰值.在滞止附近,线辐射出现两个峰值.在膨胀过程中,光电复合过程优于三体复合,线辐射占总辐射的份额逐渐下降.

铝丝阵Z箍缩内爆,非平衡辐射,辐射机理,能量转化

PACC:5230,5225P,5255E

1.引言

由于脉冲功率技术的迅速发展以及采用了先进的丝阵负载设计,在上世纪90年代中后期,美国Sandia国家实验室的研究人员利用Z箍缩技术产生强X射线源取得了突破性的进展[1],从而极大地推动了Z箍缩研究的发展[2—7].Z箍缩研究的核心之一是获得强X射线辐射源,因此,有必要仔细分析和讨论X射线辐射产生的机理.

Z箍缩中的辐射不是一个简单的过程,包含了极其复杂的物质与辐射的相互作用.研究者在持续的工作中不断推进了对于Z箍缩物理过程以及辐射机理的认识.一种较为简化的模型是三温假设[8—11],即,假定电子、离子和光子各自处于局域热动平衡状态,三种粒子之间的相互作用可以表示为由于温度不同导致的能量交换.三温模型最大的局限在于光子和电子之间的能量交换过程过于简单,很难处理高能辐射与物质的相互作用,因此在描述最复杂的Z箍缩滞止阶段的辐射信息时偏差较大.Whitney等人[12—14]发展了一套细致的方法以计算K壳辐射的贡献,他们采用了一些唯象处理方法,用碰撞-辐射模型来计算速率方程,并对辐射场进行输运计算,得到了K壳层辐射与材料原子序数的定标率.但目前的研究工作更多关注于Z箍缩内爆动力学过程,主要讨论宏观的辐射信息,而对内爆过程中各个阶段的能量转化以及辐射产生机理缺乏深入的讨论.

我们在已有的一维非平衡辐射磁流体力学程序[15]基础上,改进了辐射输运的处理方法,一方面给出了与实验相比较更为合理的宏观辐射信息,另一方面也给出了在不同时刻离子的组态布居信息.因此可以细致地研究在各个阶段辐射产生的主要机理,并对物质与辐射的相互作用给出较为深入的分析结果.在下面的讨论中,首先描述主要的物理模型,接下来以典型铝丝阵内爆实验为例,分析Z箍缩内爆过程中的能量转化机理,详细讨论辐射产生的机理以及在内爆不同阶段的辐射特征,最后给出主要结论.

2.物理模型

计算程序所用的物理模型详见文献[16],为了方便接下来的物理分析,我们先简要描述该模型的物理思想.模型主要包括三个部分,即磁流体方程、原子速率方程以及辐射输运方程.磁流体方程包括质量、动量、电子和离子能量守恒方程以及磁扩散方程,分别在一维柱对称坐标下给出(考虑铝丝阵等离子体从洛伦兹力驱动开始Z箍缩内爆到滞止和反弹膨胀整个过程,忽略了单丝个体行为和丝阵消融的早期过程).电离过程采用细致组态模型,就本文研究的铝丝阵而言,共考虑从裸核到中性原子共14类离化度的离子,对每一类离子,分别考虑其基态和激发态,包括14个基态和276个激发态,共290个组态.对每个组态,分别考虑影响其布居的过程共5类:1)谱线发射与吸收;2)电子碰撞激发与退激发; 3)电子碰撞电离和三体复合;4)光电离与辐射复合; 5)自电离与双电子俘获.由此建立速率方程组,具体做法及解法请参见文献[17].辐射场包括线辐射和连续谱辐射(包含复合辐射和轫致辐射),线辐射用局域逃逸概率近似的办法处理[18],而连续谱辐射则采用多群扩散近似处理[19].

本文将以美国Sandia国家实验室Saturn装置上典型铝丝阵内爆实验为例[20,21],分析Z箍缩过程中的能量转化机理以及辐射产生过程.模拟所用的主要参数是:丝阵质量0.64 mg,丝阵初始半径8.75 mm,丝阵高度20 mm.驱动电流采用实验所测波形,见文献[20]的图2,峰值约为7.0 MA,上升时间约为32 ns.

3.Z箍缩过程能量转化机理

目前在Z箍缩研究领域人们有一个基本的认识[2],即,整个Z箍缩过程是通过洛伦兹力做功,磁能转化为等离子体动能,内爆滞止,动能转化为内能,等离子体热化,然后部分内能以X射线的形式辐射出去,完成磁能向辐射的转化,X射线的转化效率甚至高达15%[1].然而,除了洛伦兹力做功外,焦耳热以及真实的多维结构中可能存在的其他能量耦合方式也会对能量转化产生重要的影响[2,22].因此仔细分析这个过程中的能量分配,对于理解整个箍缩物理过程以及X射线产生的机理是有益的.

为了便于讨论,我们先给出模拟Saturn典型铝丝阵内爆试验[20]的计算结果,图1是计算得到的Z箍缩内爆轨迹和电子温度随时间的变化.可以看到,在60 ns前,等离子体外边界变化较小,并没有明显的压缩,在70 ns之后,等离子体迅速内爆向心运动,并在87 ns左右滞止,之后膨胀反弹.在内爆过程中,电子温度逐渐升高,而在膨胀反弹之后,逐渐减小.我们将87 ns定义为滞止时刻,在87 ns前后5 ns左右的时间段定义为滞止阶段.

图1 外层等离子体运动轨迹(实线)和平均电子温度(虚线)随时间的变化

3.1.总的能量转化

由麦克斯韦方程组和广义欧姆定律可以得到磁能守恒方程

其中J是电流密度,E是电场强度,B是角向磁场, η是电阻率.方程(1)从左至右四项分别表示:波印廷能流矢量散度,磁能密度时间变化率,焦耳热以及洛伦兹力做功.因此从能量得失的观点来看,脉冲功率驱动器通过波印廷能流矢量向负载区馈入的能量,共分为两部分,一部分转化为负载区空间里储存的磁能,另一部分转化为负载等离子体的能量.负载等离子体的能量源项也包含两项,一项是焦耳热,这一部分用于直接加热等离子体中的电子,产生等离子体内能,另一项则是洛伦兹力做功,这一部分加速等离子体径向运动,使等离子体获得动能,由于离子质量远大于电子质量,因此这些动能主要由离子携带.

图2给出了对应于图1的Z箍缩过程中几种能量随时间变化的曲线,包括脉冲功率驱动器通过波印廷能流矢量向整个负载区馈入的总能(poynting energy),洛伦兹力做功(J×Benergy),焦耳热(Joule),等离子体总的内能(internal,包括电子内能、离子内能和电离能)和动能(kinetic)以及总的辐射能(radiation).其中,内能和动能是瞬时的等离子体的动能和内能值,而其余为时间积分值,例如,t时刻的焦耳热,是指对t时刻之前所有时间产生的焦耳热进行积分的结果.计算结果表明,康普顿散射和多普勒频移导致的能量变化非常小,可以忽略不计.另外,为了唯象地反映磁能向等离子体馈入能量的其他方式,我们在选择电阻率的唯象倍增因子时,取了一个随时间变化的系数f=40×C2,其中C是内爆等离子体初始半径与某一压缩时刻半径之比,称为收缩比,即压缩越大时,倍增因子越大.这样的选择会导致焦耳热在整个能量转换过程中对加热等离子体所起的作用比较大.而在以往的研究中,如果电阻率系数使用未加唯象因子的斯必泽电阻率,则焦耳热对加热等离子体所起的作用非常小.但这样有可能会导致辐射坍塌,一种解决办法是在滞止之后去掉驱动电流[12,13,22],磁压为0,但这并不符合实际.由图2可以看到,在脉冲功率驱动器馈入整个负载区的能量中,约65%(不同时刻有10%的差异)会用于直接和等离子体发生能量交换(即洛伦兹力做功和焦耳热之和),剩余部分则储存在负载区空间内.在80 ns之前,焦耳热几乎为0,能量转换主要由洛伦兹力做功完成.相应地可以看到,此时等离子体动能与洛伦兹力做功相当,说明在这段时间内,等离子体处于内爆压缩阶段,其能量主要以动能的形式存在.在这之后,进入滞止阶段.一方面,一部分动能转化为内能,另一方面,焦耳热也开始发挥较大的作用.此时洛伦兹力做功就和动能的变化趋势不一致了,洛伦兹力做功远大于等离子体动能.由此可以看到内能相应地迅速增加.随着内能的增加,辐射也相应地增强.在大约87 ns附近,内能达到最大值,热压力也达到最大,等离子体开始反弹,一部分内能又会转化为等离子体动能,洛伦兹力做负功.由于等离子体温度依然较高,辐射继续增强.在这之后的膨胀过程中,由于辐射冷却以及膨胀降温,电子温度迅速减小,相应的各种能量的转化变得很弱.

3.2.离子、电子内能变化

从上面的能量转化分析来看,辐射主要是发生在87 ns附近的滞止阶段.对于我们所关心的辐射问题,由于等离子体内能主要由电子携带,辐射能量则主要是由电子能量提供,所以,了解滞止阶段等离子体内能特别是电子内能的转化是问题的核心.

图2 Z箍缩过程各能量项随时间的变化

在离子的内能守恒方程中,包括内能变化、离子热传导、电子离子能量交换以及压力(包括人为黏性)做功四项.离子热传导主要是改变等离子体内部离子温度分布,而不会影响总的离子内能,因此影响离子内能的实际上只有与电子的能量交换以及压力做功项.图3给出了导致离子内能变化的源项和汇项功率随时间的变化曲线.其中实线是离子-电子热交换导致的离子内能损失,虚线是离子压强做功导致的离子能量变化,点划线是激波加热导致的离子能量变化.可以看到,离子内能主要是动能转化而来,这通过以下两个途径实现,一个是离子热压做功导致离子内能的变化,在压缩阶段做功为负,内能增加,膨胀阶段做功为正,内能减少,并且可以看到压缩阶段作负功起主要作用.另一个则是激波加热导致的内能增加.对离子而言,其内能损失主要是通过和电子的碰撞,以热交换的形式将内能传给了电子,这部分能量变成了电子内能的主要来源之一,这和以前的研究结果类似[10].

图3 离子内能源项和汇项功率变化曲线

图4给出了导致电子内能变化的源项和汇项功率随时间的变化曲线,包括离子通过热交换给予电子的能量(ion-electron heat exchange source),焦耳热(Joule heating),辐射导致的电子内能减小(photon sink)以及电子压强做功导致的电子内能变化(electron pdv work).可以看到,在滞止阶段,电子的内能主要由两个过程产生,一个是与离子碰撞热交换获得能量,另一个则是通过焦耳热获得能量,并且与离子的碰撞热交换占据主导地位.这反映了Z箍缩能量转化的实质,即,在滞止阶段的等离子体热化过程首先是等离子体动能转化为离子的内能,再通过热交换加热电子并产生辐射.在压缩阶段,也可以通过电子热压做功获得部分电子内能,但相对于与离子的能量交换小很多.在膨胀阶段,热压做功导致电子内能减少,此时的电子内能会部分转化为等离子体的动能.电子内能的主要汇项是由于辐射导致的能量损失,可以看到,在整个滞止阶段,辐射都较强.因此辐射的产生,是电子不断获得能量然后又通过一系列原子过程不断地辐射损失能量的过程.

图4 电子内能源项和汇项功率变化曲线

4.辐射产生机理

从能量转化分析可见,辐射主要是由电子内能转化而来.因此分析Z箍缩辐射机理问题的核心就是要研究各种原子过程的特点以及在电子内能转化为辐射能的过程中的所起的作用.在采用细致组态电离模型的非平衡研究中,一方面可以得到具体的某条谱线的信息或者某个能段的辐射分布,另一方面,结合组态布居的信息,我们也可以详细地研究内爆滞止阶段的辐射特性以及产生的机理.

4.1.三种辐射的特性

为了深入分析Z箍缩各个阶段辐射产生的机理,首先对线辐射、复合辐射以及轫致辐射的特点进行简单分析.

处于激发态的束缚电子向下跃迁会自发辐射产生线谱光子.假设j组态处于n2轨道的束缚电子跃迁到f组态的n1轨道上,产生一个能量为ΔEf,j的线光子,其自发辐射速率系数为Aself,那么总的线辐射能量(作定性讨论时暂时不考虑光子吸收的影响)为Aself·NjΔEf,j.因此线辐射的能量一方面决定于自发辐射速率系数Aself(只与跃迁组态有关,与等离子体参数无关[23]),另一方面也极大地决定于激发态离子的布居数Nj.处于基态的离子,不会产生线辐射.处于激发态的离子越多,产生的线辐射才越强.

处于基态f的离子通过辐射复合到j组态,自由电子被复合到j组态n轨道上,并产生一个能量为hν的光子.复合辐射的速率系数为[19,24]

其中Aph是一常数,Te是电子温度,qj,n是j组态n轨道上的空穴占有率,fν是能量为hν的光子在单位量子态上的分布函数.ΔEf,j是f和j组态之间束缚能之差.复合辐射有两个特点,一是光子能量至少为ΔEf,j,二是n越小,辐射复合速率系数越大,即光电复合主要是复合到基态(n最小),而复合到激发态(n较大)的速率系数较小.

轫致辐射速率系数是[19,24]

其中Ab是一个常数,ni,ne是离子和电子数密度, Zeff是平均电离度.轫致辐射并不会直接改变离子的组态布居,只是通过能量的获得或损失,改变电子温度,进而间接改变组态布居.轫致辐射有两个特点,首先是在滞止时,电子、离子密度最大并且电离度也最大,此时的轫致辐射最强.其次是轫致辐射主要是1keV以下的低能段辐射.

4.2.影响激发态布居的过程

就离子布居而言,若离子都处于基态,那么辐射是辐射复合为主产生的连续谱辐射.离子在激发态的布居数较多时,线辐射则占优.而影响离子布居的过程除了有辐射本身参与的过程外,最重要的是三体复合和碰撞电离以及电子碰撞激发与退激发.

碰撞电离和三体复合速率系数分别为[23]

其中A1,A2是常数,Pj,n是j组态n轨道上的束缚电子数.t1(n)和t2(n)是和n有关的拟合数组,n越大,t1(n)和t2(n)越小,因此激发态的离子更容易被电离,而处于基态的离子通过三体复合也更多地被复合到激发态上.另外,由(4)式可知,电子温度越高越大,碰撞电离也越强.双电子俘获和自电离也极大地影响离子组态布居,其形式与三体复合和碰撞电离类似,不再赘述.

计算分析表明,离子由基态跃迁到激发态主要是通过电子碰撞激发过程产生(线谱光子的吸收也可以使基态离子跃迁到激发态,但其吸收是以激发态自发辐射产生线光子为前提的).电子碰撞激发速率系数与电子密度成正比,因此电子密度越高,碰撞激发越快.另外,碰撞激发与碰撞电离有类似的电子温度依赖关系,电子温度越高,碰撞激发速率越大.

4.3.Z箍缩中的辐射机理

从Z箍缩内爆动力学过程(如图1所示)和能量转化机理分析可见,在等离子体开始明显内爆压缩时(60 ns之后),电子温度逐渐升高.随着电子温度的升高,电子碰撞激发和碰撞电离迅速占优,因此,等离子体电离度会迅速增加.而在滞止(87 ns)之后,电子温度降低,辐射复合和三体复合起更重要的作用,于是不同阶段产生辐射的过程也会不同.

线辐射和连续谱辐射功率随时间的变化曲线由图5给出,作为对照,图中也给出了等离子体平均离化度的变化.可以看到,线辐射会出现两个功率峰值,分别对应滞止阶段的85 ns和89 ns,此时平均离化度约为12左右,即大部分离子都处于类He和类H离化度.而连续谱辐射功率只有一个峰值,这个峰值时刻同样也对应了电离度的峰值,此时的电离度为12.72,离子除了一小部分处于类He和类H离化度之外,大部分都处于裸核离化度,我们可以从图6给出的裸核、类H和类He三个离化度下的离子丰度变化曲线清楚地看到这一点.在滞止时刻裸核丰度约为74%,因此在这一时刻,裸核向类H基态的辐射复合比较强,相对应的连续谱辐射也达到峰值.此时的复合辐射主要是2.24 keV以上的高能段辐射.与此同时,轫致辐射也达到峰值,而轫致辐射主要是集中在低能段.在滞止时刻,线辐射功率虽然处于一个极小值,但其绝对值并不小.因为此时等离子体压缩到心,电子密度高达1.4×1022cm-3,三体复合很强,因此在类H和类He离化度内,有一部分离子处于激发态,相应的线辐射绝对值也比较大.另外,由图6可知,在滞止阶段,离子处于K壳离化度(类H和类He)的概率非常大(在83 ns和90 ns时均超过了97%的占有率),并且此时电子温度也在1 keV以上,电子碰撞激发速率较大,因此也有一部分离子处于激发态.计算结果表明,在83 ns和90 ns,类H和类He离化度的所有组态中,所有激发态的占有率分别达到了0.47%和0.71%,因此K壳的线辐射非常强.对应地,由图5中的线辐射功率曲线可以清楚地知道,在85和89 ns左右存在两个峰值.当然,线辐射功率峰值和K壳离化度离子丰度的峰值在时间上并不完全重合,这主要和激发态在所有K壳离化度组态中的具体分布有关.总之,由于K壳离化度丰度会在滞止时刻前后达到极大,对应的线辐射也会在滞止时刻前后达到极大.

图5 线谱(实线)和连续谱(虚线)辐射功率随时间的变化曲线.点划线是平均离化度

图6 裸核(实线)、类H(虚线)和类He(点划线)离化度离子丰度随时间的变化曲线

本文模拟的不同时刻线辐射所占的份额可以反映Z箍缩不同阶段的辐射特征.Z箍缩过程中线辐射占总的辐射功率的份额随时间的变化如图7所示.可以清楚地看到,在内爆前期(77 ns之前),线辐射占据了总辐射的80%以上.这是因为在内爆压缩过程中,能量不断地转化为电子内能,电子温度逐渐增加,电离度也逐渐增加,也就是说,在这个阶段,碰撞电离过程占据主导地位,电子碰撞激发过程也较强.计算结果表明,在77 ns之前,在离子处于L壳离化度(束缚电子在10个到3个之间)的所有组态中,所有激发态的占据率大约在14%到29%之间,因此线辐射较强,所占份额较大.在滞止时刻(87 ns),线辐射所占份额20.6%,为极小值,因为压缩到心时,离子大都处于裸核离化度,复合辐射最强,相应的线辐射份额最小.有趣的是,在81.1 ns附近,线辐射占据总辐射的份额也有一个极小值(30%).其主要原因为:线辐射主要是高激发态向低激发态(特别是基态)跃迁产生的,因此决定线辐射强弱的一个关键因素是激发态离子的布居数.而激发态主要是由于电子碰撞激发(此时三体复合相对较弱)产生的,即通过损失电子能量将处于基态的离子激发跃迁到激发态,也就是说,激发态的获得是以损失自由电子的能量为代价的.由图6可见,在81.1 ns之前,正是离子从L壳被电离到K壳的关键阶段(81.1 ns时类He离子的占据率达到最大值93%),因此电子能量大部分用于将类Li离子电离到类He离化度的基态,没有更多的能量将处于类He基态的离子碰撞激发跃迁到激发态上.此时,在类He离化度的所有组态中,所有激发态的占有率不超过0.04%,因此线辐射非常弱.另外,对应于图5线辐射功率变化曲线,也可以看到在81.1 ns附近有一个极小值.而复合辐射主要是基态向基态的跃迁,因此连续谱辐射并没有在此时减弱,那么线辐射的份额自然会在这个时刻形成一个极小值.最后,在90 ns之后的膨胀阶段,一方面由于膨胀降温和辐射冷却,电子温度下降,电离过程不再占优,复合过程更为重要;另一方面,等离子体开始膨胀,电子密度会降低,三体复合(与电子密度平方成线性关系)和辐射复合(与电子密度一次方成线性关系)都会随电子密度降低而减弱,由于三体复合主要是复合到激发态,而光电复合则主要是复合到基态.因此,在此阶段,线辐射减弱得更快,所占份额也会逐步下降.

图7 线辐射功率占总辐射的份额随时间的变化

5.结论

本文利用一维Z箍缩非平衡辐射磁流体力学程序研究了Z箍缩内爆的能量转化规律和辐射产生机理.结果表明,Z箍缩过程实质上是电磁能耦合到等离子体中并最终辐射出去的能量转化过程.随着脉冲功率驱动器向负载放电的进行,电磁能通过波印廷能流矢量向负载区馈送能量,一部分在负载区空间以磁能的形式被储存,另一部分以焦耳热和洛伦兹力做功的方式将能量馈入等离子体.洛伦兹力做功转化为等离子体的动能,焦耳热转化为电子内能.在整个内爆过程中,动能通过离子热压做功和激波加热转化为离子的内能.而由于弹性碰撞热交换,电子从离子处获得极多的内能,进而通过一系列原子过程,电子内能转化为辐射能,辐射出去.Z箍缩过程辐射产生机理的研究结果表明,在内爆压缩阶段,电离过程占优,辐射以L壳的线辐射为主(总的辐射比较小).而在滞止时刻,由于离子绝大部分处于裸核离化度,连续谱辐射占优.在滞止前后的一段时间内,大部分离子处于类H或类He离化度,相应地,在滞止前后时刻会出现两个线谱辐射功率峰值,这是K壳线辐射.在膨胀过程中,辐射复合相对于三体复合占优,相应的线辐射所占份额降低.

对不同的装置和不同的负载而言,由于能量匹配会有差异,Z箍缩内爆动力学以及等离子体内爆到心的状态也会不同,相应地,线辐射所占份额也会不同,需要具体讨论.例如,如果负载过重,或者选用高Z材料负载,驱动器馈入等离子体的能量无法把离子剥离到K壳,那么在整个Z箍缩过程中都是以低能的线辐射为主.

本文的工作还只是探索性的,还有许多问题兹待解决.完全自洽地求解辐射输运方程、速率方程以及磁流体方程,对于精确计算辐射场、正确判断内爆动力学特征是非常重要的.此外,我们对Z箍缩能量转化的认识还不够深入,还不能完全准确地描述Z箍缩中其他可能存在的重要的能量转化过程,例如霍尔电流的影响.这些问题都有待在今后进一步的研究工作的逐步推进和解决.

[1]Deeney C,Douglas M R,Spielman R B,Nash TJ,Peterson D L, L’Eplattenier P,Chandler G A,Seamen J F,Struve K W 1998 Phys Rev.Lett.81 4883

[2]Ryutov D D,Derzon M S,Matzen M K2000Rev.Mod.Phys.72 167

[3]Sinars D B,Lemke R W,Cuneo M E,Lebedev S V,Waisman E M,Stygar WA,Jones B,Jones M C,Yu E P,Porter J L,Wenger D F 2008Phys.Rev.Lett.100 145002

[4]Jones B,Deeney C,McKenney J L,Ampleford D J,Coverdale C A,Lepell P D,Shelton K P,Safronova A S,Kantsyrev V L, Osborne G,Sotnikov V I,Ivanov V V,Fedin D,Nalajala V, Y ilmaz F,Shrestha 2008Phys.Rev.Lett.100 105003

[5]Qiu A C,Kuai B,Zeng Z Z,Wang W S,Qiu M T,Wang L P,

Cong P T,Lu M 2006Acta Phys.Sin.55 5917(in Chinese)[邱爱慈、蒯 斌、曾正中、王文生、邱孟通、王亮平、从培天、吕敏2006物理学报55 5917]

[6]Wang Z,Xu R K,YangJ L,Hua X S,Li L B,Xu Z P,Ning J M,Song FJ 2007Chin.Phys.16 772

[7]Z ou XB,Wang X X,Zhang G X,Han M,Luo C M 2006Acta. Phys.Sin.55 1289(in Chinese)[邹晓兵、王新新、张贵新、韩、罗承沐2006物理学报55 1289]

[8]Peterson D L,Bowers R L,Brownnell JH,Greene A E, Mclenithan K D,Oliphant T A,Roderick N F,Scannapieco A J 1998Phys.Plasmas3 368

[9]Ding N,Wu J M,Yang Z H,Fu S W,Ning C,Liu Q,Shu XJ, Zhang Y,Dai Z H 2008Hiph Power Laser and Particle Beams20 212(in Chinese)[丁 宁、邬吉明、杨震华、符尚武、宁 成、刘全、束小建、张 扬、戴自换2008强激光与粒子束20 212]

[10]Ning C,Yang Z H,Ding N 2003Acta Phys.Sin.52 415(in Chinese)[宁 成、杨震华、丁 宁2003物理学报52 415]

[11]Duan Y Y,Guo Y H,Wang W S,Qiu A C 2004Acta Phys.Sin. 53 2654(in Chinese)[段耀勇、郭永辉、王文生、邱爱慈2004物理学报53 2654]

[12]Whitney K G,Thornhill J W,Apruzese J P,DavisJ 1990J.Appl. Phys.67 1725

[13]Thornhill J W,Whitney K G,DavisJ,Apruzese J P 1996J.Appl. Phys.80 710

[14]Coverdale C A,Deeney C,LePell P D,Jones B,DavisJ,Clark R W,Apruzese J P,Thornhill J W,Whitney K G 2008Phys. Plasmas15 023107

[15]Lan K,Zhang Y2002Eur.Phys.J.AP19 103

[16]Xiao D L,Ding N,Ning C,Lan KHiph Power Laser and Particle Beams(in Chinese)[肖德龙、丁 宁、宁 成、蓝 可强激光与粒子束](已接受)

[17]Lan K,Zhang YQ 1995Hiph PowerLaser and Particle Beams7 225 (in Chinese)[蓝 可、张毓泉1995强激光与粒子束7 225]

[18]Apruzese J P 1981J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer.25 419

[19]ZhangJ,Chang T Q 2004Fundaments of The Target Physics for Laser Fusion(Beijing:National DefenceIndustry Press)(in Chinese)[张 钧、常铁强2004激光核聚变靶物理基础(北京:国防工业出版社)]

[20]Sanford T WL,Allshouse GO,Marder B M,Nash TJ,Mock R C,Spielman R B,Seamen J F,McGurn J S,Jobe D,G illiland T L,Vargas M,Struve KWk,Stygar WA,Douglas M R,Matzen M K1996Phys.Rev.Lett.77 5063

[21]Sanford T WL,Mock R C,Spielman R B,Peterson D L,Mosher D,Roderick N F 1998Phys.Plasmas5 3737

[22]Whitney K G,Thornhill J W,G iuliani J L,Davis J,Miles L A, Nolting E E,Kenyon VL,Speicer WA,DraperJ A,Parsons C R, Dang P,Spielman R B,Nash T J,McGurn J S,Ruggles L E, Deeney C,Prasad R R,Warren L 1994Phys.Rev.E 50 2166

[23]Lee Y T 1987J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer38 131

[24]Chang T Q 1991Interaction of Laser and Plasmas and Laser Fusion (Changsha:Hunan Press of Science and Technology)(in Chinese) [常铁强1991激光等离子体相互作用与激光聚变(长沙:湖南科学技术出版社,1991)]

PACC:5230,5225P,5255E

Preliminary studies on the mechanism of radiation production in aluminum wire array Z-pinch implosion＊

Xiao De-Long Ning Cheng Lan Ke Ding Ning†

(Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100094,China)

2 March 2009;revised manuscript

22 March 2009)

The mechanism of energy conversion and radiation emission of aluminum wire array Z-pinch implosion has been studied by using a one-dimension non-equilibrium magnetohydrodynamic code.The energy transfer processes have been discused carefully, which shows that the accelerator feeds its stored energy to plasma via Poynting energy flux,and plasma kinetic energy is converted to plasma internal energy through pdV work and shock heating,thus producing radiation via several atomic processes including line radiation,recombination radiation and bremsstrahlung radiation.With the information of atomic populations,the mechanismof producing radiation has been anzlyzed.It is shown that in the implosion stage the ionization and excitation processes dominate,leading to the dominant yield of line radiation.While at stagnation most ions are in naked states,so the recombination radiation is the main radiation source.Corresponding to the two peak fractional populations of H-like and He-like ions,the line radiation also exhibits two radiation peaks at the time near peak compression.In the expansion stage,it is the radiative recombination that dominates the atomic processes,thus decreasing the share of line radiation in total radiation.

aluminum wire array Z-pinch implosion,non-equilibrium radiation,radiation mechanism,energy conversion

＊国家自然科学基金(批准号:10575014,10635050,10775021)和国家重点基础研究发展计划(973)项目(批准号:2007CB814800)资助的课题.

†E-mail:ding-ning@iapcm.ac.cn

＊Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.10575014,10635050 and 10775021 and 10775021)and the National Basic Research Program of China(973)(Grant No.2007CB814800).

†E-mail:ding-ning@iapcm.ac.cn