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KR Multi-Monochromatic X-Ray Imager研究报告

这项研究由 E. Gallardo-Diaz、R. C. Mancini 等作者完成，并分别来自以下机构：University of Nevada, Reno；Massachusetts Institute of Technology；Universidad de Las Palmas de Gran Canaria；Lawrence Livermore National Laboratories；Sandia National Laboratories。研究成果以标题《First observations from the KR multi-monochromatic X-ray imager for time and spatially resolved diagnosis of hot implosion cores》发表于2024年7月1日的《Physics of Plasmas》。

研究背景及意义

高能量密度物理（High-Energy Density Physics）是一门跨学科研究领域，研究物质在高温高密度等离子态下的行为。这一领域的一个主要实验平台是惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion, ICF）实验，其通过对毫米级的球形燃料腔施加对称激光驱动，在内爆过程中产生高温和高密度的等离子体。然而，由于等离子体的极端特性和内爆核的时空限制（50–150μm，时间约为0.5ns），诊断等离子体状态的温度和密度具有重大挑战。

X射线光谱学被证明是诊断内爆核中等离子体状态的一种强有效的方法，其中光谱探针气体可通过在特定条件下发射的特征光谱线为等离子体参数（如电子温度Te，电子密度Ne）提供精准信息。然而，传统使用的氩（Ar）K层谱线在高温条件（Te > 2000 eV）下失效，其原因是主要的电子态发生了强烈的电离。因此本研究通过引入更高原子序数Z的惰性气体探针氪（Kr），旨在开发一种先进的KR Multi-Monochromatic X-Ray Imager（KR MMI）仪器，诊断高温内爆核的Plasma状态。

这项研究的目标包括： 1. 开发KR MMI仪器并实现时空分辨X射线诊断。 2. 通过氪的K层谱线观察高温（Te > 2000 eV）等离子体的状态。 3. 比较KR MMI与传统仪器XRS的诊断能力与效果。

研究工作流

（1）实验装置与方法

KR MMI仪器经过专门改造以适应氪探针的K层谱线（12–16 keV）的测量要求，该仪器使用了一组针孔阵列（Pinhole Array, PHA），成像后通过平面Ge(220)晶体进行光谱分离，并记录在时序门控微通道板探测器上（MCP）。这一设计允许获得2D时空分辨的光谱成像。此外，为了减少光损失并提高分辨率，研究者对针孔位置与设计进行了优化。

此次试验在Omega激光装置完成，实验使用直径960μm、外壳厚度6μm的Hoppe glass燃料腔，气体填充混合物为D₂, ³He和微量Kr（0.01 atm）。试验设置了三种初始填充压力（20 atm、11 atm和7 atm），以研究不同参数对等离子体特性的影响。

（2）实验对比与测量

实验场地还配备了一台传统X射线光谱仪（Flat Crystal Spectrometer, XRS）进行对照研究。MMI与XRS的对比在不同类型的时间门控与空间集成测量中进行，两者测量跨度涵盖从50 μm到150 μm内爆核核心区域的直径大小。

实验主要步骤包括： 1. 调整激光脉冲参数，控制核心内爆状态。 2. 使用多时间门控MMI捕捉不同时间点的光谱截图。 3. 与XRS光谱进行数据对比性验证。

（3）数据解析与建模

为了解析氪谱图中多电子跃迁线（如He α共振线、IC线和Li-like卫星线）的信息，作者开发了一个包含斯塔克展宽效应（Stark Broadening Effects）以及光谱辐射传输（Radiation Transport）的详尽光谱数据库。计算涉及PrismSPECT数据库和MERL代码以模拟不同Te与Ne条件下谱线分布，并假设等离子体等径球形模型。

光谱的Bayesian分析方法用于从实验数据推断参数分布。通过比较实验光谱与建模出的光谱数据库，估算最可能的Te和Ne值，并探讨诊断精度。

研究结果

（1）光核尺寸变化

通过MMI的时间门控数据，研究发现内爆核心的Kr谱线发射区域直径随着激光脉冲的进行呈减小趋势。例如，在1.37ns激光脉冲时间点，具有20 atm压力情况下的内爆核尺寸为61μm。不同填充压力下核尺寸的变化趋势显示出预期的低气压提高核心收缩比的结果。

但有趣的是，时序积分的XRS数据表明早期时段的核心尺寸高于时间门控MMI数据，这意味着Kr线发射区域在时间1.2ns测量窗口前可达更大尺寸。

（2）等离子体参数诊断

通过Bayesian光谱拟合，研究得出一组实验代表数据：在20 atm与1.37ns时，电子温度Te ≈ 3709 eV，而电子密度Ne ≈ 6.2×10²³/cm³，相对不确定性为12%和31%。显著的光学厚度（Optical Depth）问题要求对不同核心直径条件进行细致考虑，研究指出厚度驱动了Kr He α共振线的不对称谱线。

（3）模型与实验一致性分析

研究表明实验数据与光谱模型整体一致，但在某些双峰结构的相对强度方面存有偏差，需要更完善的建模方法来优化精准度。低填充压力下的实验结果也显示实验核尺寸略大于单维流体力学模拟值。

研究结论与意义

1. 本研究首次证明KR MMI仪器可以通过氪K层谱线可靠诊断高于2000 eV电子温度（Te > 2000 eV）的等离子体。这突破了传统基于Argon探针的MMI设计的局限性。
2. 核尺寸测量的结果为推断高温内爆核内电子热传导及能量平衡提供基础。
3. 所述Bayesian分析方法为等离子体诊断提供了一种高效且可扩展的参数反演技术，会在进一步时间分辨和空间分辨研究中发挥重要作用。
4. 新仪器的时空分辨能力显著优于传统XRS，仅用于时间积分的XRS存在对动态过程缺乏灵敏反应的劣势。

未来研究计划还包括扩展MMI的设计到其他光谱区域（如Cu K层及Ge K层光谱）以支持更多探针组合；同时深入分析时间分辨的Kr He β光谱区域，为内爆核2D热及电分布图提供进一步支持。

研究亮点

• 仪器创新：首次开发并应用KR MMI，以支持高温–高密度等离子体状态的诊断。
• 数据处理优越性：使用结合辐射传输与斯塔克展宽的严格光谱模型和Bayesian方法，实现高精准的数据拟合。
• 实验确认：通过时间与空间分辨光谱详细比较核心尺寸变化规律和不同初始压力下的内爆动力学。

研究成果为高能量密度物理研究领域提供了可靠且创新的诊断工具，加强了对内爆物理机制的理解，并促进惯性约束聚变实验的进一步发展。