种类的天体
来源:    发布时间: 2019-04-16 20:42   62 次浏览   大小:  16px  14px  12px
磁场普遍存在于宇宙中,其强度跨越多个数量级,从地表的 10-5特斯拉(T)到致密天体磁星中1011T,涉及不同层次和种类的天体。随着激光技术的进步,在实验室通过人为可控的手段可以产
磁场普遍存在于宇宙中,其强度跨越多个数量级,从地表的 10-5特斯拉(T)到致密天体磁星中1011T,涉及不同层次和种类的天体。随着激光技术的进步,在实验室通过人为可控的手段可以产生目前最强的强磁场,可以达到百兆高斯(104T)。1979年,Stamper等利用法拉第旋转探测到长脉冲激光与等离子体相互作用可以产生兆高斯量级自生磁场,Li等利用单能质子背光技术进一步证实了该磁场空间分布特征。Tatarakis等报道了采用超短脉冲激光可以在实验室达到超过几百兆高斯的强磁场。这样的强磁场与激光等离子体耦合,可以构建强磁环境下的等离子体物理环境,并可以利用标度变换的方法去定标研究某些天体物理现象,对我们认识宇宙空间等离子体演化具有重要意义。仲佳勇等人在上海神光II激光器上完成了磁重联实验,很好地模拟了 Masuda等人在太阳耀斑中观测到的环顶 X射线源,证实了实验室中的磁流体过程和太阳耀斑中的相应复杂物理过程具有一定的相似性。此外,利用强激光与线圈靶作用可形成低温、低密度等离子体强磁场环境,日本大阪大学利用强激光驱动电容器线圈靶获得 kT 超强磁场,近似模拟白矮星的磁层环境、塞曼效应等。由于高强度激光与等离子体的相互作用过程中产生的自生磁场是一个非常复杂的物理过程,伴随着很多除磁场之外的效应耦合,如各种不稳定性等,所以在利用强磁场开展具体天体等离子体物理问题研究时,需要仔细考察和测量磁场的时空分布。


本文对长脉冲激光在激光等离子体强磁场产生和测量方面的研究进展进行了简要介绍,给出了该方向几个最新研究进展,包括磁场压缩、喷流等,并提出了在实验室产生强磁场的一些新思路。www.hele.biz


2 长脉冲激光等离子体强磁场产生机制


2.1 毕尔曼电池效应


当强激光轰击薄固体靶激发等离子体时,由于光压的作用,在激光照射面上形成具有数千电子伏的超热电子,且超热电子流能够输运进入靶内部。此外由于电子的质量较小,激光的辐射压力会迅速对电子造成影响,电子在超短的时间里会受辐射压力的影响得到加速,并快速形成电子压缩层,其温度进一步升高,使得区域化的高温、高密度的等离子体形成。之后,固体靶与高强度激光束继续作用,进一步被电离,等离子体的温度和压力迅速升高,并在靶背表面的法线方向形成较大的温度梯度和压力梯度。使等离子体沿靶背表面法线方向向外做等温膨胀和绝热膨胀。与此同时,因为在靶内部电子的热传导对温度的影响要远比等离子体的绝热膨胀更为有效,所以导致等离子体的温度梯度方向基本平行于整个靶表面,而等离子体的密度梯度基本垂直于靶表面方向。由于激光焦斑处受到辐照的不均匀性将会加剧温度梯度和密度梯度这种方向的不一致性,在高强度激光脉冲的持续时间内,由于温度梯度和密度梯度方向不一致会产生热电动势,进而将引起热电流并诱发产生自生磁场,生成的自生磁场是处于准稳态的。由于上面谈到的密度梯度方向是沿靶面的法线方向,而温度梯度方向则是以激光焦斑为中心,与固体靶背面平行呈向外辐射的形状。因此,温度梯度和密度梯度的叉乘所产生的自生磁场是一个环形状结构。把这种自生磁场的产生机制称为毕尔曼电池效应。其示意图如图1所示。http://www.hele.biz



图1 等离子体中环形磁场示意图


对生成的自生磁场进行简单推导:

(1)式为广义欧姆定律,(2)式为电磁感应定律,(3)式为理想气体状态方程,经过整理可以得到(4)式。其中 k为 Boltzmann常数,Te为电子温度,ne为电子数密度。


2.2 线圈靶超热电子诱发磁场


另外一种长脉冲产生磁场的机制是结合强激光产生的超热电子来产生强磁场。线圈靶是由一根线圈连接两个靶盘组成,高强度长脉冲激光通过第一个靶盘中间的孔洞聚焦在第二块靶盘的中心位置。在第二块靶盘中心产生等离子体,并在靶前发射大量的超热电子。超热电子撞击在第一块靶盘上并停留在靶上,而第二块靶由于损失大量的电子而带正电。这样两块靶盘间形成较大的电势差,为保持电中性,第一块靶上的大量电子经线圈回流到第二块靶,进而在线圈中形成强电流,根据法拉第定律在线圈中的电流产生强磁场(图2(a))。
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