磁场与激光等离子体相互作用的实验研究

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磁场与等离子体广泛存在于人类已知的宇宙中,它们的相互作用是主要的宏观尺度相互作用之一。在宇宙高能量过程和聚变研究中,高能量密度等离子体与强磁场相互作用是目前关注较多且重要的研究方向。本论文研究激光等离子体与磁场的相互作用。磁场主要影响等离子体的物质输运和能量输运,因此本论文分别关注磁场对等离子体动力学演化特性的影响、磁场对等离子体能量输运系数的影响这两个方面的内容。为了达到实验需要的外磁场条件,我们设计并建造了国内首套可与脉冲激光器联合工作的脉冲强磁场装置。该装置通过电容对亥姆赫兹线圈进行放电,产生了磁场强度为7T、空间尺度为几个mm3的准均匀的磁场环境。通过激光触发气体开关的方式,控制放电与激光脉冲之间的延时。该脉冲磁场装置与激光器之间延时的时间晃动小于10ns。我们利用激光脉冲作用固体靶及气体靶产生等离子体,通过自发光成像诊断、飞秒光干涉诊断、自发光光谱诊断和光学汤姆逊散射等诊断方法,获得了等离子体在均匀外加磁场环境中空间结构的演化以及密度和温度等特征参数。在研究激光等离子体在磁场中的动力学演化中,我们采用激光与固体靶相互作用,并从整体和局部的视角对演化过程进行了分析。实验观测中发现在外加磁场时等离子体在空间上分离成两部分,表现出不同的特征运动速度。我们将特征流速高(107cm/s)的部分命名为高速流等离子体、将特征流速低(105~6cm/s)的部分命名为低速流等离子体。我们判断两者的动力学结构差异来自于磁冻结和磁扩散效应共同作用的结果:高速流等离子体磁雷诺数略大于1,磁冻结效应占主导,等离子体推动磁力线并形成激波壳和准直流结构:低速流等离子体磁雷诺数略小于1,磁扩散效应占主导,等离子体沿着高速流等离子体形成的磁场结构运动。实验中,我们通过改变外部条件,诸如外加磁场条件、激光条件以及靶条件来分析高速流和低速流等离子体与这些条件的相关性。对于高速流等离子体,我们发现其运动出现了前人文献中未观测到的上下不对称性。我们判断该不对称性是由等离子体与磁场边界位置的电荷分离场和霍尔电场的共同作用所导致的。我们依据等离子体局部结构演化的时间顺序,分析了高速流等离子体的不稳定性、激波壳结构以及低速流等离子体的中心空洞结构。我们依据实验观测到的不稳定性增长率,判断出不稳定性属于大拉莫半径(LLR)条件下的交换不稳定性(RT不稳定性),另外我们观测到短波长合并为长波长并最终形成显著分叉结构的现象;而后我们通过线性化方法分析了高速流等离子体激波壳结构的产生;最后我们分析了低速流等离子体中心空洞的形成过程,指出了沿初始磁力线方向磁扩散以及磁场排开等离子体的正反馈过程是其形成的主要因素。为了研究外加强磁场对激光等离子体能量输运的影响,我们采用激光与气体靶相互作用产生低密度等离子体,通过汤姆逊散射诊断获得有无外加磁场下等离子体温度随时间的演化,进而研究磁场对等离子体能量输运的影响。实验结果表明,在外加磁场下,电子温度比无磁场情况下普遍高30~50%。并且在激光峰值过后的降温区间内,外加磁场情况的降温要显著慢于无磁场情况。另外,我们的分析表明,在本文的实验条件下,外磁场可能通过焦耳加热影响激光等离子体中的能量演化。
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