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高空核爆软X射线辐射特性及其实验室模拟研究
作 者: 张大威
导 师: 陈波
学 校: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
专 业: 光学
关键词: 核爆火球 激光等离子体 流体力学 软X射线 辐射传输
分类号: TL81
类 型: 博士论文
年 份: 2006年
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内容摘要
核武器在现代军事中具有不可替代的战略地位,而高空核爆近年来受到有关各国的普遍关注,对高空核爆的天基探测和预警已经成为核爆监视领域的新热点.开展软X射线波段的高空核爆探测相关的目标辐射特性研究,探索高空核爆探测的新方法,无疑将为国家的天基核爆监测系统的研制打下重要的前期工作基础,是一项具有重要应用及学术价值的研究课题,对于保障国家安全具有重要的战略意义。本文旨在通过理论研究和实验室模拟,研究高空核爆软X射线辐射特性,探索高空核爆监测的新方法,为进一步的应用奠定基础。 在理论计算方面,给出了聚变装置的初始离子数密度的解析形式,由等离子体的点火条件及能量平衡原理入手,获得了聚变等离子体的温度、粒子数密度、压力等量随时间和装置当量的变化规律;定量计算了给定能量(当量)脉冲的核爆火球的温度、半径等主要参数随爆高和时间的变化规律;引入大气密度修正及介质光学厚度修正,将原本只适于低空核爆的火球发展规律成功地推广到高空核爆情况。 在实验室模拟方面,深入分析了激光等离子体与核爆火球及其软X射线辐射之间的可比之处,充分论证了利用激光低压打靶实验模拟高空核爆火球软X射线辐射的合理性;借助激光等离子体模拟领域的普遍方法,编制了激光等离子体模拟程序,其对适当打靶条件下等离子体的数值模拟结果显示,激光等离子体的主要参数与高空核爆的理论预言基本接近;实测了5~75nm波段、0.1nm分辨率的真空靶室Fe等离子体光谱,认证了25条谱线:测得了10-3~102pa常温空气的相同分辨率的透射光谱,由此推算出该波段常温空气的谱分辨不透明度;将该不透明度结果与本文推广了的核爆火球理论相结合,得到了不同爆高的高分辨透射谱。
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全文目录
摘要 3-4 Abstract 4-8 1 前言 8-16 1.1 研究背景 8-12 1.1.1 玩火的人类 8-9 1.1.2 高空核爆 9-10 1.1.3 软X射线天基核爆监测 10-12 1.2 高空核爆与激光等离子体 12-14 1.3 研究内容 14-16 2 高空核爆软X射线辐射及传输特性研究 16-44 2.1 引言 16-17 2.2 理论 17-39 2.2.1 聚变装置的起爆 17-25 2.2.1.1 人工聚变基本方程 17-19 2.2.1.2 聚变等离子体离子数密度 19-22 2.2.1.3 聚变等离子体温度 22-25 2.2.1.4 聚变等离子体输出功率 25 2.2.2 裂变装置的起爆 25-27 2.2.2.1 裂变增殖 26 2.2.2.2 裂变区的物质状态 26-27 2.2.3 高温壳体的物态方程 27-29 2.2.4 有效能量脉冲 29-30 2.2.5 火球 30-39 2.2.5.1 空气对X射线的吸收 30-32 2.2.5.2 X射线火球的半定量理论 32-36 2.2.5.3 高空核爆软X射线辐射在稀薄空气中的传输规律 36-39 2.3 数值模拟结果及讨论 39-43 2.3.1 火球的发展 39-40 2.3.2 软X射线在空气中的沉积 40 2.3.3 一些讨论 40-43 本章小结 43-44 3 金属靶激光等离子体软X射线辐射 44-69 3.1 引言 44 3.2 理论 44-66 3.2.1 真空中固态金属靶激光等离子体的基本物理图像 44-45 3.2.2 激光在靶材等离子体中的传播 45-50 3.2.3 激光等离子体软X射线辐射 50-66 3.2.3.1 适用于激光等离子体的若干假设与简化 50-53 3.2.3.2 激光等离子体的一维非定常辐射流体力学方程组 53-54 3.2.3.3 平均原子模型及原子布居数速率方程组 54-60 3.2.3.4 激光等离子体常见简化模型及其电离度算法 60-63 3.2.3.5 激光等离子体软X射线辐射机制及其发射速率与吸收系数 63-64 3.2.3.6 激光等离子体辐射流体力学方程组的解 64-66 3.3 数值模拟结果与讨论 66-68 3.3.1 电离状态的计算实例 66 3.3.2 冕区等离子体宏观参量的计算实例 66-68 本章小结 68-69 4 软X射线辐射与传输的实验及数值模拟 69-78 4.1 实验研究方案 69-72 4.1.1 光源 70 4.1.2 靶室 70 4.1.3 压强调节装置 70-71 4.1.4 单色仪 71 4.1.5 探测与监测电路 71-72 4.1.6 其它配套设备 72 4.2 主要指标及其选择依据 72 4.2.1 靶室真空度的选取 72 4.2.2 光谱测量波段的选取 72 4.2.3 激光焦点功率密度 72 4.3 实验结果与分析 72-75 4.3.1 高真空打靶实验结果与谱线认证 72-74 4.3.2 常温大气不透明度实验结果与分析 74-75 4.4 实验结果应用 75-77 4.4.1 激光等离子体理论预测光谱 75-76 4.4.2 高空核爆软 X射线辐射大气透射光谱 76-77 本章小结 77-78 5 全文成果与展望 78-81 全文成果概要 78-79 未来工作展望 79-81 参考文献 81-85 张大威攻读博士学位期间发表论文及申请专利目录 85-86 致谢 86-88 张大威个人简历 88 Eésumé of ZHANG Da-Wei 88-89 附录:图表集锦 89-110
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中图分类: > 工业技术 > 原子能技术 > 粒子探测技术、辐射探测技术与核仪器仪表 > 辐射探测技术和仪器仪表
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