磁场变化率
来源:    发布时间: 2019-04-16 20:45   54 次浏览   大小:  16px  14px  12px
B-dot是一种磁探针,可用于测量激光驱动等离子体生成的自生磁场。比如高强度激光—注入线圈靶,沿着环路线圈产生回路电流,进而产生自生磁场,但所产生的自生磁场随时间不断变化,可以利用
B-dot是一种磁探针,可用于测量激光驱动等离子体生成的自生磁场。比如高强度激光—注入线圈靶,沿着环路线圈产生回路电流,进而产生自生磁场,但所产生的自生磁场随时间不断变化,可以利用环路线圈测量周期性的磁场变化率。根据法拉第电磁感应定律,可以知道一个变化的磁场会产生感应电场,进而可以得到感应电动势,利用常见的仪器进行测量并记录该电动势,由闭合线圈中的感应电流便可反推得到磁场。需指出的是,此方法不能测量等离子体内部磁场,必须将线圈放在距等离子体一定距离同时采用防护玻璃保护线圈。线圈所在空间的磁场发生变化时,穿过线圈横截面的磁通量发生变化,线圈内部形成感应电动势U=dΦ/dt=NS(dB⊥/dt),其中N为线圈匝数,S为线圈横截面面积,B⊥为线圈横截面法线方向的磁场分量。在设计中,可以使用极性相反的双路线圈,两个线圈重合,这样可以使干扰本底的信号大致相同,最后处理时,这两个线圈的输出相减就可以消去干扰,最后对结果进行时间积分就可以得到磁场以及电流信息。需要注意的是,在实验前B-dot需要定标。如图6所示是Daido等人采用线圈探针测量了磁场,即B-dot法。hele.biz



图6 Daido等人设计的探头的横截面视图


线圈探针测量磁场的最大困难是距离所测等离子体有一定的距离,需要通过磁场分布的情况,由外推方法来估计内部磁场。那么对于那些磁场理论分布容易获得的实验靶,B-dot测量还是比较适用的。


4 强磁场产生和演化研究进展


4.1 高强度激光系统压缩磁场


在实验室中产生千特斯拉(kT)水平的准静态磁场可以作为一种强大的工具,例如可以应用在惯性约束聚变、物理学和实验天体物理学等领域的研究中。如在天体物理学中,在一些观测中了解到有许多超过 kT的超强磁场天体,如白矮星、中子星。kT超强磁场的产生可为实验室天体物理学提供很好的实验平台。在地面实验室对强磁场产生及其演化的研究也是一个热点方向。在实验室里使用大功率激光系统对添加有种子磁场的玻璃纤维空腔进行压缩是获得强磁场的另一个方法,利用法拉第旋转效应检测获得的强磁场。Yoneda 等人利用 Gekko XII HIPER 激光系统进行了磁场压缩实验,该实验装置的示意图如图 7所示。



图7 磁场压缩实验示意图,上图为左视图,下图为主视图


压缩靶分为压缩区域,采样区和“承载”区。压缩箔通常是 20 μm厚的钛箔,而内部保护箔是 10 μm的 NiCr箔。在激光压缩过程中压缩箔被压缩激光脉冲加速,用于承载区的材料是不锈钢。该靶的典型尺寸是:压缩腔的半径为 0.3—0.7 mm;采样区域的半径约为150 μm。承载区的半径为 0.5 mm。不锈钢承载区域及压缩箔(Ti)具有比由压缩持续时间所确定的趋肤深度更大的厚度,而保护箔(NiCr)的厚度比其趋肤深度相对薄一些。利用激光火花间隙触发具有1 Ω、20 kA的脉冲电源系统去产生种子磁场。用磁性拾波线圈单独观测种子磁场,其强度约为20 T。使用GekkoXII HIPER 激 光 系 统用于磁场压缩实验,由法拉第旋转效应测量出压缩种子磁场后所得到的强磁场,最终获得的强磁场可达800 T。此外,Knauer,Gotchev 等人用OMEGA 激光器通过激光驱动磁场压缩的方式,获得了 3000—4000 T 的强磁场,极大地推动了实验室强磁环境下激光等离子体方面的研究。


4.2 磁喷流的传输


在天文观测中,喷流是一种非常重要而且普遍存在的天文现象。近年来,高马赫数等离子体喷流在实验室中的碰撞吸引了越来越多的关注,因为这种相互作用可以用作研究自生磁场和许多天体物理现象中的基本物理问题的试验台。探索这些喷流的空间结构和时间演化,以及它们与自生电磁场的关系等,对于理解等离子体喷流相互作用的基本物理学是至关重要的。


Li带领团队研究利用 Omega激光装置产生激光驱动的缩放等离子体喷流来模拟蟹状星云喷流的扭结现象。实验布置如图 8所示。实验过程采用质子背光技术,实验中用到的 V 型靶由两片50 μm 厚,3 mm×3 mm CH 箔构成,成 60°的张角,每个 V 型靶由两束激光(波长为 0.351 μm)沿着锥型靶与法线成 28°方向对靶面进行轰击。通过激光烧蚀在每个 CH箔上会产生等离子体羽流。当来自两个相邻箔的羽流碰撞时,它们就会产生高马赫数的等离子体喷流。图 8(a)中分别显示出激光照射V形靶4.7 ns后利 用 15 MeV 的 D3He质子和激光照射V形靶4.92 ns后利用 3.3 Mev的 DD 质子所得到的质子图像。质子测量结果显示,喷流可以携带磁场演化。结合数值模拟表明,Crab蟹状喷流方向的改变可能归结于磁场和磁流体力学不稳定性,如 扭 曲 (kink) 不 稳 定性。图 8(b)主要说明了与两个等离子体羽流相关的的自发磁场 B1和B2;图 8(c)解释了沿着等离子体喷流的轴线方向,质子所占比例;图 8(d)表征了增长最快的MHD 电流驱动的不稳定性的示意图,m=0 模式下,形成腊肠模不稳定性(sausage mode 不稳定性),m=1模式下,形成kink不稳定性。



图8 质子成像实验 (a)激光束照射锥形靶的原理图和由质子、电子组成的等离子体喷流;(b)卡通图说明了与两个等离子体羽流相关的的自发磁场(B1和 B2);(c)沿着等离子体喷流的轴线方向,质子所占比例;(d)表征增长最快的MHD电流驱动的不稳定性的示意图


5 总结和展望


在实验室产生更强磁场机制的探索方面同样也可以借助天体物理的研究进展。最近在对双中子星系统并合过程的观测和模拟研究中,Price和Rosswogt开展了双中子星并合全部过程的磁流体动力学模拟,发现在并合后的一毫秒内,存在中子星磁场被放大几个数量级的现象。中子星是超新星爆发后的产物,具有体积小、密度大的特点,是一种致密星,其表面磁场为 1010—1013高斯。当双中子星相互接触时,形成剪切面,在剪切层中,任何小的扰动都会激发开尔文—亥姆霍兹不稳定性(KH不稳定性),KH不稳定性超过磁场强度会导致磁场放大,放大的磁场会促进剧烈的伽马射线暴发,实际的观测也证实了这一点。我们期待利用国内的神光 II激光设备通过标度变换原理,重点分析 KH不稳定性对磁场放大的作用,以此来进一步检验关于双中子星并合过程的磁流体动力学模拟结果。


此外,利用等离子体流中 Weibel不稳定性也可以产生强磁场。尽管在实验室中观测由等离子体流中 Weibel不稳定性产生的磁场的过程是比较困难的。但 Huntington 等人使用质子探针来直接对电磁场成像给出了 Weibel不稳定性产生磁场的证据,磁场产生于实验室激光驱动的初始时刻未被磁化且偏振方向相反的等离子体流中。由于等离子体流中的强磁场影响,可以产生无碰撞冲击波,因此在未来可以在地面实验室模拟这种许多天体物理系统中都常见的无碰撞冲击波,进而分析 Weibel不稳定性产生磁场的具体过程,如果能够实现对磁场的精准测量,将对强磁环境下激光等离子体方向的研究产生重大意义。


强磁环境下对等离子体的研究是实验室天体物理这门学科的一个重要研究方向,近几年随着实验室天体物理研究的快速发展,针对天体物理领域的一些问题,人们借助最新的实验工具、方法及手段已取得了令人欣喜的成绩,在实验室尺度下产生稳定的强磁场环境,通过实验室人为可控的手段理解强磁环境下的等离子体物理现象,对我们认识天体尺度等离子体的演化具有重要的意义。随着我国神光 II升级装置,神光 III高功率激光装置以及星光等大型激光装置的投入使用,期待在有关强磁场产生和天体物理应用方面取得新的成果。



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