背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响.pdf
《背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、背景气体对激光等离子体和外磁场界面上槽纹不稳定性的影响*张振驰1)唐桧波1)3)王金灿1)佀化冲1)王志1)蓝翔1)胡广月1)2)1)(中国科学技术大学核科学技术学院,中国科学院近地空间环境重点实验室,合肥230026)2)(中国科学院上海光学精密机械研究所,中国科学院超强激光科学卓越创新中心,上海201800)3)(哈尔滨工业大学物理学院,哈尔滨150001)(2023年 7月 8 日收到;2023年 8月 3 日收到修改稿)等离子体在外磁场中膨胀产生的抗磁腔和不稳定性是空间物理和聚变物理中的重要现象.本文实验研究了激光产生的等离子体在外磁场中膨胀时在抗磁腔表面产生的槽纹不稳定性,数据分析显
2、示实验中观察到的不稳定性属于大拉莫尔半径槽纹不稳定性.实验发现充入稀薄背景气体能够显著抑制槽纹不稳定性的发展,背景气体气压超过 50Pa 时(约为抗磁腔表面等离子体密度的 1%),槽纹不稳定性几乎被完全抑制.动理学分析表明离子-离子碰撞是抑制不稳定性发展的主要因素.这些结果对磁场辅助激光聚变和爆炸空间物理现象等领域有重要参考价值.关键词:激光等离子体,外加磁场,抗磁腔,槽纹不稳定性PACS:52.38.r,52.25.Xz,52.35.PyDOI:10.7498/aps.72.202311081引言外磁场中的等离子体膨胀是空间和天体物理的重要过程.最早在 AMPTE和 CRRES 地磁层钡离子
3、释放实验中14,观察到爆炸等离子体在磁场中膨胀时形成了抗磁腔,在磁场和等离子体界面观察到沿着磁力线方向的槽纹状不稳定性结构,这种槽纹不稳定性增长异常迅速并影响抗磁腔的演化过程.随后,在实验室内对这种膨胀速度低于外磁场阿尔芬速度的亚阿尔芬膨胀过程进行了大量实验研究510,部分重现了地磁层中看到的抗磁腔形成和槽纹不稳定性发展过程,但其中的物理机制仍不清楚7,11,12.在我们之前的实验中13,利用激光产生的等离子体在 7T 的外磁场中膨胀来产生抗磁腔,在抗磁腔表面也观察到槽纹不稳定性,发现是大拉莫尔半径不稳定性产生了槽纹结构,这种不稳定性增长异常迅速、在很短的时间内就从线性阶段发展到非线性增长阶段
4、.这种槽纹不稳定性对很多的应用都会产生不利的效果,例如在间接驱动激光聚变中,可以利用外加强磁场取代充气来约束腔壁等离子体膨胀14,但槽纹不稳定性会破坏约束效果,导致腔壁等离子体无法被磁场很好地约束.*国家自然科学基金(批准号:12175230,11775223,12205298)、中国科学院战略先导专项项目(批准号:XDB16)和中央高校基本科研业务费专项资金资助的课题.通信作者.E-mail:通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)225201225201-1本文
5、在实验上探索抗磁腔表面处槽纹不稳定性的抑制方法.我们对激光烧蚀平面石墨靶产生的碳等离子体在 7T 外加强磁场中的亚阿尔芬膨胀过程进行了实验测量,发现在磁场区充入很稀薄的背景气体就能明显地抑制槽纹不稳定性的发展,理论分析发现离子-离子碰撞是不稳定性被抑制的主要因素.2实验设置图 1给出了实验中激光、靶、磁场和探测设备的设置情况.我们使用磁场发生装置产生的脉冲大电流在亥姆霍兹线圈中产生峰值约为 7T 的准均匀脉冲磁场1517,磁场峰值持续时间大于 200ns(90%峰值强度),相对于数十纳秒的等离子体演化时间可以近似为准稳态磁场.532nm 波长的纳秒激光烧蚀线圈中间的石墨靶(厚 0.2mm、宽2
6、mm)产生等离子体,激光的峰值功率约为 41012W/cm2,持续时间约 4.5ns(半高全宽).磁场方向平行于靶面,激光等离子体垂直于磁力线膨胀,产生抗磁腔和界面的不稳定性.利用飞秒激光的光学干涉来诊断等离子体密度分布和界面的不稳定性结构,飞秒激光波长 800nm、脉冲宽度小于 40fs.靶室内可以充入 0.01800Pa 气压的氦气来观察充气对抗磁腔和界面不稳定性的影响.Femtosecondlaser beamHelmholtzcoilMagnetic fieldLaser beam图1实验设置Fig.1.Experimentalsetup.3实验结果图 2 和图 3 给出了光学干涉测量
7、的激光等离子体在外磁场中的演化图像,其中,图 2 展示了不同充气气压下等离子体在激光作用后 20ns 时刻的线积分电子密度分布,图 3 是部分数据的局部放大图像,以便更清楚地观察不稳定性发展情况.从图中可以发现激光等离子体被磁场约束、形成中空的等离子体泡,因初始等离子体温度较高、速度大,短时间内磁场难以扩散进等离子体中,等离子体排空外磁场形成抗磁腔,在抗磁腔头部有凸起的射流状结构,在抗磁腔的表面有尖刺状结构,从两个维度的测量发现这种尖刺是平行于磁力线方向发展的槽纹结构13,14,称为“槽纹不稳定性”.表 1 列出了真空背景(0.01Pa)时测量的特征等离子体参数,其中等离子体温度和抗磁腔被磁场
8、减速时的等效重力加速度参考之前的结果13.表1真空背景(0.01Pa)时典型的等离子体参数Table1.Characteristicplasma parameters at va-cuum(0.01Pa)ambientconditions.参数符号真空条件下的值靶材料C有效电荷数Z4.5磁场强度/TB7界面电子密度/(1018cm3)ne3离子初始速度/(mns1)Vi0150电子温度/eVTe2050离子温度/eVTi2050电子热速度/(mns1)Ve2300离子热速度/(mns1)Vi15.5不稳定性增长率/ns1g0.3不稳定性波长(m)120等效加速度/(mns2)g5.8密度梯度标
9、长/mLn300等效“重力”漂移速度(mns1)Vg23.1抗磁漂移速度/(mns1)Vdi2.5总漂移速度/(mns1)VE25.6离子回旋半径/mi604电子回旋半径/me1.9电子回旋频率/(1012rads1)ce1.2离子回旋频率/(108rads1)ci2.5低杂化频率/(106rads1)lh3.6电子等离子体频率/(1013rads1)pe6.5离子等离子体频率/(1011rads1)pi9.3磁约束半径/mmRB1背景气体密度/(1012cm3)nb2.4离子-离子碰撞频率/(105s1)ii5.1电子-离子碰撞频率/(105s1)ei2.3电子扩散系数/(105m2s1)D
10、e4.1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)225201225201-20.51.01.52.0123(e)25 Pa0.51.01.52.0123(f)30 Pa0.51.0/mm1.52.0123(d)20 Pa0.51.01.52.0123(h)50 Pa0.51.01.52.0123(i)200 Pa0.51.0/mm1.52.0123(g)35 Pa0.51.0/mm1.52.0123(k)600 Pa0.51.0/mm1.52.0123(l)800 Pa0.51.0/mm/mm1.52.0123(j)400 Pa0.51.01.52.0123(b)
11、10 Pa0.51.01.52.0123(c)15 Pa0.51.0/mm1.52.0123(a)0.01 Pa87654321Line electron density/(1017 cm-2)图2飞秒激光干涉测量的不同背景气压下碳等离子体在 20ns 时刻形成的抗磁腔和槽纹不稳定性(a)真空背景(0.01Pa);(b)(l)背景气体气压从 10800Pa 变化.虚线位置为初始靶位,其左侧是从干涉条纹图解相位时产生的无效数据Fig.2.Structuresofdiamagneticcavityandfluteinstabilityat20nsafterlaserablationmeasured
12、byfemtosecondlaseropticalin-terferometry:(a)Vacuumambientat0.01Pa;(b)(l)ambientheliumgaswithpressurefrom10800Pa.Theleftsideofdottedline(thetargetsurface)isinvaliddatageneratedbytheprocessofphaseunwrappingfrominterferogramfringes.0.20.4/mm/mm0.60.81.00.51.01.5(a)0.01 Pa0.20.4/mm/mm0.60.81.00.51.01.5(
13、b)10 Pa0.20.4/mm/mm0.60.81.00.51.01.5(c)20 Pa0.20.4/mm/mm0.60.81.00.51.01.5(d)30 Pa0.20.4/mm/mm0.60.81.00.51.01.5(e)50 Pa图3不稳定性结构图 2(a)(e)的局部放大图Fig.3.EnlargedviewsofthefluteinstabilityofFig.2(a)(e).物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)225201225201-3充入氦气背景时,如图 4 所示,不稳定性结构的振幅和波长发生明显变化.当背景气压大于20Pa时不稳定性开始
14、明显减弱,当背景气压大于 50Pa时不稳定性几乎被完全抑制,气压超过50Pa 后难以辨认不稳定性结构,因此这里不再展示更高气压结果.同时,随着背景气压的升高,不稳定性模式向短波长变化,从 120m 减小至 50m.充入氦气背景时,抗磁腔尺寸变化很小,但凸起的射流状结构明显变化,如图 5 所示.背景气压800Pa 时,射流状结构尺寸从不充气的 1900m缩小至 500m.抗磁腔结构虽然变化较小,但其尺寸随着背景气压的增大呈现缓慢增加趋势,这与直观的感觉不太一致;通常认为背景气压增大,背景气体热压和磁压共同作用应该会减小抗磁腔的尺寸,但我们实验中背景气压较低,即使在最高的800Pa 气压时,背景气
15、体压力相对于 1.9107Pa的磁压力仍然是个可以忽略的小量;因此抗磁腔尺寸的略微增大应该是射流状结构被抑制所致,此时抗磁腔物质泄漏减弱、抗磁腔内等离子体密度和热压增大、对外磁场的排空增强.从图 6 也可以发现,随着背景气压的升高,抗磁腔表面的电子密度缓慢增大,与抗磁腔尺寸的缓慢增大趋势一致.另外,抗磁腔表面的密度梯度标长随着充气气压的升高有略微增长、梯度变缓.4分析和讨论4.1 大拉莫尔半径不稳定性iieee Lne i Lni 实验中,离子回旋周期 =25ns、离子回旋半径 =604m,电子回旋周期 =5.1103ns,电子回旋半径 =1.9m,相对于等离子体特征演化时间 =20ns 和抗
16、磁腔特征密度梯度标长Ln=300m,;,因此电子是磁化的、被磁场约束,而离子只是部分磁化、无法直接被磁场约束,离子主要通过电子-离子的电荷分离场间接被磁场约束.电子-离子分离明显时13,磁场-等离子体界面的槽纹不稳定性发展会异常迅速,这种双流体的不稳定性最早被用来解释在地磁层观察到的抗磁腔膨胀现象18.按照等效重力漂移和抗磁漂移的相对大小,这种双流体的不稳定性可分为大拉莫尔半径不稳定性和低混杂漂移不稳定性两种形式.抗磁腔的膨胀过程可以简化为球形膨胀时动能和磁能的相互转化.假设真空磁场和理想等离子体(电导率无穷大、无磁扩散和欧姆热),抗磁腔膨胀时的能量守恒方程可写为190102030405005
17、0100150200250Length/mmPressure/PaInstablity amplitudeWavelength图4不稳定性结构的振幅和波长随气压的变化Fig.4.Amplitude and wavelength of instability structurevs.ambientgaspressure.Length/mm02004006008000500100015002000Pressure/PaCavity sizeJet length图5抗磁腔尺寸和射流长度随气压的变化Fig.5.Diamagneticcavitysizeandjetlengthvs.ambientgas
18、pressure.Electron density/(1016 cm-2)102030405002004006008000Pressure/PaUp sideDown side图6抗磁腔两侧电子密度随气压的变化Fig.6.Lined integrated electron density at the surface ofthediamagneticcavityvs.ambientgaspressure.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)225201225201-4E0=12MV2+B2204R33,(1)V20V20其中,E0是等离子体的总能量,M 是等离
19、子体的总质量,V 是等离子体膨胀速度,B 是磁场强度,R 是抗磁腔半径.初始时刻R=0,V=V0,E0=1/2M .在抗磁腔达到饱和时刻,等离子体动能完全转化为磁能,有R=RB,V=0,通过简单的计算可以得到RB=30M /(4B2)1/3.抗磁腔膨胀过程中,等离子体的等效平均加速度 g 可以通过对方程(1)求导得到(dE0/dt=0):g=dVdt=2B20MR2.(2)对于电子磁化、离子非磁化的情况,电子受到磁场的约束,而磁场对离子的直接作用可以忽略,在抗磁腔表面将形成径向朝内的电荷分离场.因此离子的径向动量方程可以写为20nimidVirdt=niZeErdPidr,(3)nimiVir
20、ZErPi=ni(r)TiTi=miv2i/2viEr其中,是离子密度,是离子质量数,是离子径向速度,是离子电离度,是径向电荷分离场,是离子热压(,是离子热速度),为了简单起见,电场 的表达式可以写为Er=miv2i2ZeLnmigZe.(4)在离子静止坐标系下,电子将产生角向的 EB漂移:VEB=ErB=gci+v2i2ciLn=Vg+Vdi,(5)ciVgVdi其中,是离子回旋频率,是等效重力漂移速度,是抗磁漂移速度/梯度漂移速度.VgVdiVg VdiVdi VgLnVg Vdi从方程(5)可以看出,漂移速度由两项组成,第 1 项是等效加速度造成的“重力漂移”,第2 项是密度梯度造成的抗
21、磁漂移 .这两种漂移为不稳定性的产生提供了自由能.当 时,大拉莫尔半径不稳定性占主导;而当 时,低混杂漂移不稳定性占主导.实验测量的 g=5.8m/ns2,=300m,如表 1 所示,计算得到,因此属于大拉莫尔半径不稳定性.4.2 充背景气体时离子-离子碰撞抑制不稳定性图 4 的结果表明,随着背景气体气压的升高,不稳定性的发展将受到抑制.本节将对其中的物理机制进行分析.大拉莫尔半径不稳定性的色散方程和短波长极限时的线性增长率为212 cikLn+k2gLn=0,(6)LLRI=k(gLn)1/2,(7)其中,k=1/是波数.从方程(7)能直接想到的解释充气抑制不稳定性发展的机制是充气改变了不稳
22、定性模式的波长、抗磁腔等效重力和密度梯度标长.随着充气气压增大,从图 5 的抗磁腔尺寸变化可以发现,抗磁腔的等效重力只是略微减小,而抗磁腔表面的密度梯度标长略微增大(图 7),这两项对不稳定性的作用基本相互抵消.而不稳定性模式的波数随着气压升高而增大(图 4),这产生的效果与不稳定性幅度减小的趋势相反.因此不稳定性的波长、抗磁腔等效重力和密度梯度标长的变化无法解释充气抑制不稳定性发展的实验现象.研究发现充入背景气体的离子与抗磁腔内激光等离子体的离子之间的离子-离子碰撞抑制了抗磁腔表面的槽纹不稳定性.激光辐照固体靶产生的辐射场通过光电离机制将背景气体电离为离子,在本文实验中背景气体密度一直比较低
23、,背景气体的电离率基本不受充气气压的影响.我们使用 Huba 等21发展的动理学方法进行分析,这个模型给出了含有碰撞项的不稳定性色散100200300400500Density gradient scale length/mm02004006008000Pressure/Pa图7密度梯度标长随气压的变化.认为等离子体为球形膨胀,选取打靶点为球心,从=40,50,60,70四个角度测量梯度标长Fig.7.Densitygradientscalelengthatthesurfaceofdia-magneticcavityvs.ambientgaspressure.Consideringthatth
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 背景 气体 激光 等离子体 磁场 界面 上槽纹 不稳定性 影响
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。