外加磁场微波等离子体喷流对平面电磁波衰减的实验研究

采用空间透射波测量方法,实验研究透波密闭石英玻璃容器内等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波的衰减,在有和无外加磁场条件下分析实验参数对等离子吸波效应的影响,分析等离子体的吸波机理.实验结果表明在非磁和本实验条件下,平面电磁波在等离子体中的衰减机理为碰撞吸收;在有磁和本实验条件下,平面电磁波在磁等离子体中的衰减机理同样为碰撞吸收,但是外加磁场的存在有限地改善了等离子体的吸波效应.为了使磁等离子体最有效地吸收电磁波,应该提高磁场感应强度,把高频混杂频率提高到测试微波频率范围内,或降低微波测试频率至本实验中的高混 关键词： 等离子体相互作用 电磁波 电磁波在等离子体中的传输     

磁场对激光驱动的喷流演化影响的二维数值研究

喷流的触发机制、准直传输和稳定性一直是天体物理学的研究热点.近年通过观测和实验室研究发现磁场在喷流准直传输和加速中起着关键作用.本文利用开源的辐射磁流体模拟程序FLASH对强激光驱动聚苯乙烯(CH)平面靶产生的靶前喷流进行了二维的数值模拟,系统地考察和比较了Biermann自生磁场以及不同方向、不同初始强度的外加磁场对喷流演化的动力学.模拟结果表明Biermann自生磁场不会影响喷流的界面动力学,而外加磁场对等离子体出流具有重定向作用,平行于靶前等离子体出流中心流向的外加磁场有助于喷流的产生和准直传输.其形成和演化过程是等离子体热压、磁压以及冲压三者相互竞争的结果.在受力方面,在喷流演化过程中等离子体热压梯度力和磁压力起决定性作用.研究结果为后续开展和喷流相关的实验研究提供借鉴,也有助于加深对天体喷流演化的理解.     

磁场对激光驱动Rayleigh-Taylor不稳定性影响的数值研究

Rayleigh-Taylor不稳定性(RTI)作为流体和等离子体中基础的物理现象,在天体物理、空间物理以及工程领域扮演着重要角色.尤其在惯性约束核聚变(ICF)研究中, RTI等宏观流体不稳定性是不可回避的物理问题.本文利用开源的辐射磁流体模拟程序FLASH对激光驱动调制靶产生的RTI进行了二维的数值模拟,系统地考察和比较了RTI在无磁场、Biermann自生磁场、不同外加磁场情况下的演化.模拟结果表明, Biermann自生磁场和平行流向的外加磁场在RTI演化过程中基本不会改变RTI的界面动力学,而垂直流向的外加磁场对RTI以及RTI尖钉尾部的Kelvin-Helmholtz涡旋有致稳作用,其中磁压力起主导作用.研究结果为后续开展和ICF相关的靶物理研究提供借鉴,也有助于加深对流体混合过程的理解.     

磁化天体准直流中非理想效应的实验室研究

磁准直是塑造天体外流形貌的重要机制,它的有效性已经在激光等离子体实验中被无量纲验证.本文在现有磁准直射流研究框架的基础上,综合实验与模拟,通过改变激光等离子体烧蚀靶材引入不同冷却和耗散强度,以观察这些非理想效应对准直流形态的影响.使用低原子序数靶时,烧蚀外流和外加强磁场的相互作用满足理想磁流体条件,外流形成了抗磁空腔和沿磁场延展的射流;而采用高原子序数靶时,准直结构被磁扩散破坏,强烈的冷却使得外流停滞,形成与靶面分离的弱准直磁化密度团.无量纲分析表明,磁扩散对实验室等离子体准直形态的破坏,有可能推广解释原恒星射流在大尺度上的消散;而强耗散等离子体展现的弱准直腔与密度堆积,有可能用来类比行星状星云中的弱极化椭球形腔体,以及腔体头部的发光团簇.本文通过考察实验室磁化等离子体演化,支持了非理想效应能够塑造天体外流的理论猜想,对研究非相对论性天体外流形态的形成机制具有重要参考意义.     

纳秒激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中膨胀时的温度和密度参数演化

利用等离子体光学波段自发光成像、光学光谱和光学探针干涉等诊断手段, 观察了纳秒脉冲激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中的膨胀过程. 根据实验参数特征建立了简化的磁流体物理模型, 结合自发光强度的时间演化, 理论计算了等离子体温度和密度参数的时间演化, 理论计算结果与实验测量结果基本符合, 证实了碰撞磁扩散过程在等离子体演化中发挥了关键作用.     

C掺杂FePt铁磁薄膜光诱导超快退磁动力学研究

FePt合金薄膜由于具有较强的磁各向异性而在磁信息和磁光信息存储中具有重要的应用.C掺杂可精确调控薄膜的磁各向异性,从而可有效地改变薄膜的矫顽场.通过超短激光脉冲与铁磁薄膜相互作用,可以获得非平衡状态下电子、自旋和晶格等自由度之间的动态耦合参数,这是研究超快磁记录材料的物理基础.本文基于瞬态磁光Kerr效应,研究了两种C掺杂浓度下FePt薄膜的超快磁光响应.实验结果表明:瞬态Kerr信号与外加磁场正相关,磁场反向,Kerr信号反号,而瞬态反射率与外加磁场无关;不同C掺杂的FePt薄膜的矫顽场不同,软磁的退磁时间显著小于硬磁薄膜的退磁时间.我们还观测到超快激光在铁磁薄膜中诱导频率约为49 GHz的相干声学声子,该声子的频率与外加磁场无关.实验结果为设计和研制新型磁光薄膜提供了实验依据.     

磁流体结构的Lattice-Boltzmann方法模拟

本文运用Lattice-Boltzmann(LB)方法建立了宏观静止磁流体模型,提出磁性聚集体概念,充分考虑了磁性颗粒受到的各种内力与外力包括重力、布朗力、vanderWaals相互作用及静磁相互作用,对无外加磁场及外加竖直均匀磁场时磁流体的结构进行了模拟,并分析了磁能与热能之比对磁流体系统中粒子分布形态的影响。模拟结果表明:无外加磁场时磁流体结构易失去稳定性,外加均匀磁场时磁流体粒子沿外磁场方向排列,随着磁热能比例的增大,外磁场对粒子分布的影响逐渐明显。     

基于OpenFOAM的磁流体求解器的开发和应用

基于计算流体力学平台OpenFOAM,本文开发了一套可压缩磁流体求解器,并将其应用于二维和三维的跨音速束流模拟.该求解器对OpenFOAM自带的密度基中心差分黎曼求解器rhoCentralFoam进行了修改,植入一个隐式压力分离算法用以控制磁场散度误差并保证模拟结果的数值精度.本文对此求解器进行了检测,证明了它的收敛阶在1—2之间,并将其应用到强激光等离子体的磁流体模拟.利用该求解器,本文讨论了外加均匀轴向磁场对激光等离子体喷流的影响,发现了喷嘴和结节位置与热压比开方之间的线性关系.本文还分析了电容线圈中产生的非均匀磁场对激光等离子体喷流的影响.初步模拟结果表明,当线圈中心磁场相同时,小尺寸线圈产生的磁场会加快喷嘴和结节的形成,等效的均匀轴向磁场更大.此模拟结果可以作为我们将来的磁化喷流实验的参考.同时,这样物理结果表明该磁流体求解器适合做面向激光等离子体实验的工程计算,可以应对构型比较复杂的场合.     

激光等离子体在螺线管发散磁场中的特性研究

激光烧蚀等离子体(LAP)可用作粒子加速器和离子注入器中使用的离子源。相较于其它离子源,激光离子源在流强上具有优势,但由于产生的离子束脉冲时间短,限制了其在加速器中的广泛应用。实验中通过对激光等离子体扩散区域引入螺线管磁场进行约束,实现了对激光等离子体脉冲时间结构的调制。为了研究螺线管磁场对LAP的影响,实验使用了不同的激光能量(1~8 J)来生产具有不同初始条件的激光等离子体,并应用了不同的磁场强度来约束激光等离子体。在螺线管边缘场,通过可移动的法拉第筒(FC)对激光等离子体的横向分布进行测量。对于不同初始状态的等离子体,随着磁场的增加,其离子脉冲的主要参数(脉冲总电荷量、峰值流强、脉宽)均呈现先上升后逐渐饱和的变化趋势。另外,在没有磁场的条件下,在所测量位置处,等离子体的横向呈均匀分布;而在磁场约束的条件下,等离子体明显向轴线聚集。以上实验结果对进一步了解磁约束激光等离子体的特性具有重要意义。     

短脉冲强激光驱动磁重联过程的靶后电势分布特征

超短超强激光因其极端的物理参数范围以及可用于研究相对论等离子体等特征,成为当前激光驱动磁重联物理的研究热点.通常采用两路激光与平面靶相互作用实现激光驱动磁重联,然而在实验诊断中,由于激光等离子体自身的复杂性导致很难辨别磁重联的物理特征.本文对两路短脉冲激光驱动平面靶磁重联进行了数值模拟,重点分析了靶后电势分布特征和磁重联之间的关系.模拟结果显示,靶后电势分布可以直接影响被加速离子在探测面上的空间分布,因此可用来直接诊断短脉冲激光驱动磁重联实验.     

Electron density and temperature contour plots from alaser-produced plasma using collective ultraviolet Thomson scattering

Temporally integrated ultraviolet collective Thomson scattering measurements were performed with frequency-quadrupled Nd:YAG laser radiation on an underdense long-scalelength aluminum plasma (n_c ~10²¹ cm^-3, Z≈7, T_e≈T_i ⩾50 eV, L⩾100 μm). The plasma was preformed by an Nd:YAG fundamental beam (1.06 μm) with focusable intensities of 10 ¹¹ W/cm². Color images of two-dimensional (2-D) spatially resolved (30 μm) electron density and electron temperature were obtained. These are the shortest wavelength Thomson scattering measurements on a plasma to date     

Space and time resolved electron density and current measurementsin a dense plasma focus Z-pinch

Plasma density and current profiles in a Z-pinch are important parameters to understand the implosion and radiation physics. This paper describes measurements of electron density and current at radii of ⩾200 μm from the axis of a dense plasma focus (DPF) pinch plasma that is imploded by a ≈0.3 MA current pulse. These measurements use laser interferometry and polarimetry. The electromagnetic wave propagating through a current carrying plasma will change its phase, polarization state, and propagation direction. Refraction by electrons bends the wave fronts and changes the propagation direction; Faraday rotation due to the magnetic field and electron density rotates the laser polarization vector. By measuring these quantities simultaneously, the magnetic field and electron density can be separately determined. Although the DPF used here is a low current device, the measured densities (⩽10²⁰ cm^-3) and magnetic fields (~100 T) are similar to values expected just outside higher current but larger radius Z-pinches, so this technique should be applicable there as well. The techniques described here do not require access to the core of the pinch to work; just outside these pinches the coronal density and self-magnetic field are high enough to give reliable data but not so high as to make the measurements difficult     

激光驱动磁重联过程中的喷流演化和电子能谱测量

利用神光Ⅱ激光器和日本大阪大学Gekko激光器构建了激光驱动等离子体磁重联过程. 在垂直于磁重联平面方向发现了高速喷流, 从不同观测方向实验证实了该喷流的存在并测量了喷流的流体力学演化过程, 对其中的电子能谱进行了诊断分析.     

准一维Cr基超导体RbCr3As3的超导能隙

RbCr₃As₃是具有[（Cr₃As₃）^-]_∞线性链的准一维超导体,超导转变温度约为6.6 K.对RbCr₃As₃单晶进行了电输运和极低温热输运性质的研究.低温下,拟合了RbCr₃As₃正常态电阻率随温度的变化,发现其满足费米液体行为.通过拟合超导转变温度随磁场的关系,得到RbCr₃As₃单晶的上临界场约为25.6 T.对RbCr₃As₃进行了零场下的极低温热导率测量,得到其剩余线性项为7.5 μW·K^-2·cm^-1,占正常态热导率值的24%.测量不同磁场下RbCr₃As₃的热导率,发现与单带s波超导体相比较,RbCr₃As₃剩余线性项随磁场增加相对较快.这些结果表明RbCr₃As₃单晶很可能是有节点的非常规超导体.     

实验室天体物理的验证特例:W43A磁喷流

利用神光II号八路激光与平面Al靶相互作用产生双等离子体喷流.利用阿尔芬-欧拉磁流体动力学标度变换理论产生的喷流与天体环境下形成的W43A喷流进行比较.发现在实验室中直接测量的喷流物理量经过变换后,与天文观测数据极其相似,同时提出重联电场对喷流的形成与准直存在直接的影响.     

强激光照射对2H-SiC晶体电子特性的影响

使用基于密度泛函微扰理论的第一原理赝势法, 计算了纤锌矿结构2H-SiC晶体在强激光照射下的电子特性, 分析了其能带结构和电子态分布. 计算结果表明: 2H-SiC平衡晶格参数a 和c随电子温度T_e的升高逐渐增大; 电子温度在0–2.25 eV范围内时, 2H-SiC仍然是间接带隙的半导体晶体, 当T_e超过2.25 eV达到2.5 eV以上时, 2H-SiC变为直接带隙的半导体晶体; 随着电子温度升高, 导带底和价带顶向高能量或低能量方向发生了移动, 当电子温度T_e大于3.5 eV以后, 价带顶穿越费米能级; 电子温度T_e在0–2.0 eV变化时, 带隙随电子温度升高而增大; T_e在2.0–3.5 eV范围变化时, 带隙随电子温度升高而快速地减少, 表明2H-SiC晶体的金属性随电子温度T_e的继续升高而增强. 在T_e =0, 5.0 eV 处, 计算了2H-SiC晶体总的电子态密度和分波态密度. 电子结构表明T_e =0 eV 时, 2H-SiC 是一个带隙为2.3 eV的半导体; 在T_e =5.0 eV时, 带隙已经消失而呈现出金属特性, 表明当电子温度升高时晶体的共价键变弱、金属键增强, 晶体经历了一个熔化过程, 过渡到金属状态.     

Magnetic field annihilation and reconnection driven by femtosecond lasers in inhomogeneous plasma

The process of fast magnetic reconnection driven by intense ultra-short laser pulses in underdense plasma is investigated by particle-in-cell simulations. In the wakefield of such laser pulses, quasi-static magnetic fields at a few mega-Gauss are generated due to nonvanishing cross product ▽(n/) × p. Excited in an inhomogeneous plasma of decreasing density, the quasi-static magnetic field structure is shown to drift quickly both in lateral and longitudinal directions. When two parallel-propagating laser pulses with close focal spot separation are used, such field drifts can develop into magnetic reconnection(annihilation) in their overlapping region, resulting in the conversion of magnetic energy to kinetic energy of particles. The reconnection rate is found to be much higher than the value obtained in the Hall magnetic reconnection model. Our work proposes a potential way to study magnetic reconnection-related physics with short-pulse lasers of terawatt peak power only.     

激光诱导熔石英表面损伤修复中的气泡形成和控制研究

基于熔石英材料在CO_2激光作用下的温度分布和结构参数变化的计算结果,对熔石英损伤修复中的气泡形成和控制进行了研究.针对损伤尺寸介于150—250μm之间的损伤点,提出了一种能够有效控制气泡形成的长时间低温预热修复方法.基于低温下熔石英材料结构弛豫时间常数较长的特点,该方法在不引起熔石英材料结构发生显著变化的同时,能够解吸附表面和裂纹处所附着的气体和杂质,可有效降低裂纹闭合过程中气泡形成的概率.实验结果表明,长时间低温预热修复方法的成功修复概率可达到98%.     

锶原子光晶格钟自旋极化谱线的探测

87Sr原子存在核自旋,在磁场作用下原子能级会分裂成不同塞曼子能级.通过光抽运对原子进行自旋极化,其自旋极化谱线的探测为锶光钟系统的闭环锁定提供精确的频率参考.本文对~(87)Sr原子钟跃迁能级5s~2~1S_0→5s5p~3P_0中的m_F=+9/2和m_F=-9/2的塞曼磁子能级自旋极化谱线进行了探测.经过一级宽带冷却和二级窄线宽冷却与俘获后,锶冷原子温度为3.9μK,原子数目为3.5×10~6.利用邻近"魔术波长"的813.426 nm半导体激光光源实现水平方向的一维光晶格装载.采用归一化探测方法用线宽为Hz量级的698 nm钟激光对~1S_0→~3P_0偶极禁戒跃迁进行探测,在150 ms的探测时间下获得线宽为6.7 Hz的钟跃迁简并谱.在磁光阱竖直方向施加一个300 mGs的偏置磁场获得塞曼分裂谱,并通过689 nm的圆偏振自旋极化光进行光抽运,最终在探测时间为150 ms时,获得左右旋极化谱线线宽分别为6.2 Hz和6.8 Hz.     

Nonlinear Dynamics of Laser Interaction with High Z Plasma

The formation and evolution of a plasma in the interaction of laser radiation with gold targets are studied by computer simulations using MHD code (ESC-CASTOR). The nonlinear features of the interaction including the absorption of laser radiation, heating of the plasma components, and the deformation of the density profile under the action of the ponderomotive force are discussed. The role of these nonlinear effects together and the influence of the radiative and collisional transport in the evolution of the density profile are discussed based on the numerically obtained two-dimensional dynamical structures of the hydrodynamic parameter (electron density n_e, ion density n_i, electron temperature T_e, ion temperature T_i), radiation temperature T_r, ponderomotive force profile, and the space-time dependencies of the absorption efficiency and the ionization rates. The radiation spectrum is analyzed and the regularities in the motion of the critical density surface are clarified.