高空核爆软X射线辐射特性及其实验室模拟研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 玩火的人类
• 1.1.2 高空核爆
• 1.1.3 软X射线天基核爆监测
• 1.2 高空核爆与激光等离子体
• 1.3 研究内容
• 2 高空核爆软X射线辐射及传输特性研究
• 2.1 引言
• 2.2 理论
• 2.2.1 聚变装置的起爆
• 2.2.1.1 人工聚变基本方程
• 2.2.1.2 聚变等离子体离子数密度
• 2.2.1.3 聚变等离子体温度
• 2.2.1.4 聚变等离子体输出功率
• 2.2.2 裂变装置的起爆
• 2.2.2.1 裂变增殖
• 2.2.2.2 裂变区的物质状态
• 2.2.3 高温壳体的物态方程
• 2.2.4 有效能量脉冲
• 2.2.5 火球
• 2.2.5.1 空气对X射线的吸收
• 2.2.5.2 X射线火球的半定量理论
• 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
• 2.3 数值模拟结果及讨论
• 2.3.1 火球的发展
• 2.3.2 软X射线在空气中的沉积
• 2.3.3 一些讨论
• 本章小结
• 3 金属靶激光等离子体软X射线辐射
• 3.1 引言
• 3.2 理论
• 3.2.1 真空中固态金属靶激光等离子体的基本物理图像
• 3.2.2 激光在靶材等离子体中的传播
• 3.2.3 激光等离子体软X射线辐射
• 3.2.3.1 适用于激光等离子体的若干假设与简化
• 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
• 3.2.3.3 平均原子模型及原子布居数速率方程组
• 3.2.3.4 激光等离子体常见简化模型及其电离度算法
• 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
• 3.2.3.6 激光等离子体辐射流体力学方程组的解
• 3.3 数值模拟结果与讨论
• 3.3.1 电离状态的计算实例
• 3.3.2 冕区等离子体宏观参量的计算实例
• 本章小结
• 4 软X射线辐射与传输的实验及数值模拟
• 4.1 实验研究方案
• 4.1.1 光源
• 4.1.2 靶室
• 4.1.3 压强调节装置
• 4.1.4 单色仪
• 4.1.5 探测与监测电路
• 4.1.6 其它配套设备
• 4.2 主要指标及其选择依据
• 4.2.1 靶室真空度的选取
• 4.2.2 光谱测量波段的选取
• 4.2.3 激光焦点功率密度
• 4.3 实验结果与分析
• 4.3.1 高真空打靶实验结果与谱线认证
• 4.3.2 常温大气不透明度实验结果与分析
• 4.4 实验结果应用
• 4.4.1 激光等离子体理论预测光谱
• 4.4.2 高空核爆软 X射线辐射大气透射光谱
• 本章小结
• 5 全文成果与展望
• 全文成果概要
• 未来工作展望
• 参考文献
• 张大威攻读博士学位期间发表论文及申请专利目录
• 致谢
• 张大威个人简历
• Eésumé of ZHANG Da-Wei
• 附录:图表集锦