质子成像法测量电容线圈靶磁场

质子背光成像技术是一种诊断等离子体电磁场的重要诊断手段.当质子穿过等离子体的电磁场,质子受洛伦兹力影响在成像板上重新分布.如何从质子成像结果中重构电磁场是一个非常重要的研究课题.本文以激光驱动电容线圈靶为例介绍和对比了粒子追踪法和流量分析法这两种通过质子成像结果重构磁场的方法.激光驱动电容线圈靶通过激光打靶在电容靶两侧产生电势,然后很强的电流流过线圈,最后产生高达千特斯拉的感应磁场,在激光等离子体实验中这是一种重要的产生磁场的手段.本工作中先使用粒子追踪法在不同强度的理论磁场环境下得到质子成像结果,然后使用流量分析法从这些理论质子成像结果重构磁场,最后对比理论磁场和重构磁场以获得两种方法的优缺点.粒子追踪法可以重现实验中质子源、等离子体磁场和成像板的布局结构,但是依赖于精确的理论磁场的计算和庞大的计算量来模拟质子的轨迹,并需要不断修正理论磁场来获得最接近实验结果的模拟结果.流量分析法可以直接从实验的质子成像结果重构磁场结构.但是,流量分析法只适用于磁场较小的情况,当磁场较大时其重构的磁感应强度会误差较大.可以使用一个无量纲参量μ来衡量质子穿过作用区域单位长度后在成像板上的偏折距离,流量分析法适用于μ?1的情况.并且靶的结构在质子成像上形成的阴影区域也会造成磁场重构时磁场结构的失真.     

激光等离子体强磁环境研究进展

高功率强激光技术的发展使得在实验室模拟复杂天体等离子体环境成为可能。近年来在激光等离子体强磁环境下模拟天体物理现象是实验室天体物理研究的一个热点方向,文章简单介绍了利用强激光产生强磁场的各种机制,包括毕尔曼电池效应、线圈靶诱发磁场等,并介绍了在实验室诊断此类磁场的一些常用方法,如法拉第旋转法、质子背光法、B-dot法等。最后介绍该方向几个研究的最新进展,包括磁场压缩、喷流等,同时提出一些在实验室产生强磁场的新思路。     

用于地球磁尾三维磁重联实验的脉冲电源

空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目,其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。在研究地球磁尾三维磁重联时,使用处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈来提供研究所需的模拟背景磁场,其中偶极场线圈为一个总电感为17.4 mH、总电阻为30.25 mΩ的单个线圈,而磁镜场线圈为两个线圈镜像对称设置并串联连接,总电感30.16 mH,总电阻58.81 mΩ。为了产生实验所需背景磁场的幅值和持续时间,研制并测试了两套总能量3.36 MJ的脉冲电源,在进行地球磁尾三维磁重联实验时两套电源需要同时工作。用于驱动偶极场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下,能够提供超过9 kA的峰值电流,95%峰值电流的持续时间超过了5 ms,由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms;用于驱动磁镜场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下,能够提供超过8 kA峰的值电流,95%峰值电流的持续时间超过了5 ms,由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms。     

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.     

高强度二倍频激光辐照银薄膜靶的烧蚀和X光辐射实验研究

激光聚变物理实验中,背光透视照相是靶丸内爆动力学过程观测的重要方法. Ag是一种重要的背光材料, 激光辐照产生的等离子体可以产生强L线辐射, 研究其烧蚀和辐射特性, 对提高内爆靶丸背光透视照相的图像质量具有十分重要的意义.在神光II装置上, 采用第九路输出的2 ns, ～ 5× 10¹⁴ W/cm², 526.5 nm激光均匀辐照Ag薄膜靶, 实验研究了其烧蚀特性, 获得了银薄膜靶在激光烧蚀驱动下的飞行轨迹和飞行速度的数据. 实验结果与一维辐射流体力学模拟结果相符. 火箭模型对实验数据进行拟合, 得到了Ag材料的质量烧蚀速率和烧蚀压的数据. 采用平面晶体谱仪和X射线二极管探测器阵列观测等离子体的辐射特性, 获得了Ag等离子体辐射光谱和L线转换效率, 实验结果对激光聚变内爆靶丸背光照相的实验设计具有重要的参考价值.     

神光Ⅲ主机高能X射线背光照相研究

在惯性约束聚变研究中获得滞止阶段内爆靶丸芯部状态图像具有极其重要的意义和价值。高功率密度拍瓦装置打击高Z金属靶产生轫致X射线（70 keV）光源,并利用康普顿背光照相获取该图像是重要的诊断方法。基于神光Ⅲ主机装置483 kJ的驱动能力开展相关背光照相性能研究。结合国外相关实验结果和数值模拟计算方法分别从光源亮度以及内爆过程产生的噪声分析入手,从理论上设计了整套康普顿成像系统。结果表明在神光Ⅲ主机上利用康普顿背光照相可以获得高质量的内爆压缩靶丸滞止阶段图像。     

强激光与双锥靶作用加速准单能质子束

提出了一种新型的双锥靶结构用于准单能质子束加速。利用二维PIC粒子模拟程序研究了强激光与双锥靶作用加速产生质子束的物理过程以及质子束品质。双锥靶产生的质子束在峰值能量和发散角度等方面都明显优于相同激光条件下单锥靶和平面靶的结果。尤其与平面靶相比,双锥靶质子束的峰值能量提高了5倍以上,而且很好地保持准单能性。一方面双锥靶的内锥部分是临界密度材料,提高了激光的吸收效率;另一方面双锥靶内形成了更强的准静态磁场,可以约束引导更多的超热电子传输过锥尖,进而增强加速质子束的鞘层电场。     

短脉冲强激光打靶产生的质子角分布实验研究

 采用短脉冲强激光辐照固体双层薄靶的方式对质子束的产生及质子束角分布开展了实验研究。在SILEX-Ⅰ短脉冲激光装置上利用脉宽为30 fs的强激光辐照背面镀有CH膜的金膜靶,在距离靶背3.3 cm处采用CR39记录靶背出射的质子角分布。通过分析靶背出射质子的角分布,研究了激光功率密度和对比度对质子加速机制的影响。研究结果表明:占主导地位的质子产生和加速机制对激光预脉冲比较敏感。激光预脉冲较弱时,靶背壳电场加速机制占主导地位;当激光预脉冲较强时,靶前加速机制占主导地位。此外,还对导致质子环形分布的磁场大小进行了估算。     

基于神光III原型装置的新型针孔点背光实验

在神光III原型装置上发展和改进了新型针孔点背光技术.通过1600 J/1 ns/351 nm激光与3μm钛背光靶相互作用产生4.75 keV的点光源,利用该点光源成像获得了高质量的钨丝以及靶丸图像,并通过多种诊断设备获取了较为完整的背光源参数.实验结果表明,新型的针孔点背光具备高亮度、高空间分辨等优点,可以广泛应用于高能量密度物理研究中.     

强激光产生的强磁场及其对弓激波的影响

强激光照射金属线圈后,会在打靶点附近的背景等离子体中诱发冷电子的回流,在金属丝内形成强电流源,从而产生强磁场.本文利用神光II高功率激光器产生的强激光照射金属丝靶,产生了围绕金属丝的环形强磁场.利用B-dot对局域磁感应强度进行了测量,根据测量结果,结合三维模拟程序,反演得到磁场的空间分布.再利用强激光与CH平面靶相互作用产生的超音速等离子体撞击该金属丝,产生了弓激波.通过光学成像手段研究了磁场对冲击波的影响,发现磁场使得弓激波的轮廓变得不明显并且张角变大.同时,通过实验室天体物理定标率,将金属丝表面等离子参数变换到相应的天体参数中,结果证明利用该实验方法可以在实验室中产生类似太阳风的磁化等离子体.     

Laser-induced fluorescence measurement of the ion-energy-distribution function in a collisionless reconnection experiment

Observations in space and laboratory plasmas suggest magnetic reconnection as a mechanism for ion heating and formation of non-Maxwellian ion velocity distribution functions (IVDF). Laser-induced fluorescence measurements of the IVDF parallel to the X line of a periodically driven reconnection experiment are presented. A time-resolved analysis yields the evolution of the IVDF within a reconnection cycle. It is shown that reconnection causes a strong increase of the ion temperature, where the strongest increase is found at the maximum reconnection rate. Monte Carlo simulations demonstrate that ion heating is a consequence of the in-plane electric field that forms around the X line in response to reconnection.     

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.     

一种脉冲强电流条件下导线电阻测量方法

在超强激光辐照电容线圈靶产生强磁场实验中,在约50 ps时,线圈电流达到20 kA以上。通过该实验结果与磁场产生理论模型对比,可得出该导线电阻值比常温直流电阻高出3个量级。对导线材料电阻率与趋肤效应的分析结果表明,该电阻值在量级上是合理的。获得超快脉冲强电流条件下的导线电阻值,有助于更深入理解线圈靶产生强磁场过程。     

Out-of-plane bipolar and quadrupolar magnetic fields generated by shear flows in two-dimensional resistive reconnection

Shear flows perpendicular to the anti-parallel reconnecting magnetic field are often observed in magnetosphere and interplanetary plasmas, and in laboratory plasmas toroidal differential rotations can also be generated in magnetic confinement devices. Our study finds that such shear flows can generate bipolar or quadrupolar out-of-plane magnetic field perturbations in a two-dimensional resistive MHD reconnection without the Hall effects. The quadrupolar structure has otherwise been thought a typical Hall MHD reconnection feature caused by the in-plane electron convection. The results will challenge the conventional understanding and satellite observations of the signature of reconnection evidences in space plasmas.     

双等离子体团相互作用的磁流体力学模拟

利用商用磁流体力学模拟程序USIM对双等离子体团相互作用过程进行了数值模拟,分别考察和比较了双对流等离子体团在外加磁场和无外加磁场情况下,相互作用的物理过程.发现在外加磁场情况下等离子体团相互作用会伴随着磁重联(反向磁场)、磁排斥(同向磁场)以及一些不稳定过程.针对激光产生等离子体团错位相互作用实验,进行了标度模拟,发现外加磁场起着重要作用,进一步表明激光等离子体的磁化特征.研究结果为下一步在神光Ⅱ激光装置进行强磁环境下等离子体实验提供理论指导.     

Observational Aspects of Magnetic Reconnection at the Earth’s Magnetosphere

Magnetic field reconnection has shown to be the dominant process in the solar wind-Earth’s magnetosphere interaction. It enables mass, momentum, and energy exchange between different plasma regimes, and it is regarded as an efficient plasma acceleration and heating mechanism. Reconnection has been observed to occur in laboratory plasmas, at planetary magnetospheres in our Solar System, and the Sun. In this work, we focus on analyzing the characteristics of magnetic reconnection at the Earth’s magnetosphere according to spaceborne observations in the vicinity of our planet. Firstly, the locations where magnetic field reconnection are expected to occur within the vast magnetospheric region are addressed, and is shown how they are influenced by changes in the interplanetary magnetic field direction. The main magnetic field and plasma signatures of magnetic reconnection are discussed from both theoretical and observational points of view. Spacecraft observations of ion inertial length scale reconnection are also presented.     

Magnetic reconnection: three-dimensional aspects and onset in themagnetotail

Magnetic reconnection is a fundamental plasma transport mechanism in space and laboratory plasmas. In recent years, much progress has been made in the understanding of the fundamentals of the reconnection process, including basic laws governing magnetic reconnection in three dimensions, the physical mechanisms providing the electric field in the dissipation region, and the onset of magnetic reconnection in the magnetotaiI of the Earth. This paper summarizes this progress and uses numerical simulations to illustrate the theoretical results in the framework of a solar and a magnetospheric example of magnetic reconnection