強激光產生的強磁場及其對弓激波的影響?

李彥霏 李玉同朱保君 袁大偉 李芳 張喆仲佳勇 魏會岡 裴曉星 劉暢 原曉霞 趙家瑞韓波 廖國前 魯欣 華能 朱寶強 朱健強7)方智恒 安紅海 黃秀光7) 趙剛7) 張杰

1)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家實驗室,北京 100190)2)(中國科學院國家天文臺,北京 100012)3)(北京師范大學天文系,北京 100875)4)(中國科學院上海光學精密機械研究所,高功率激光與物理國家實驗室,上海 201800)5)(中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所,上海 201800)6)(上海交通大學,激光等離子體實驗室(教育部),物理與天文系,上海 200240)7)(上海交通大學,IFSA協同創新中心,上海 200240)8)(中國科學院大學物理科學學院,北京 100049)

強激光產生的強磁場及其對弓激波的影響?

李彥霏1)8)李玉同1)7)8)?朱保君1)8)袁大偉2)李芳1)張喆1)仲佳勇3)7)魏會岡2)裴曉星2)劉暢3)原曉霞3)趙家瑞1)韓波2)3)廖國前1)魯欣1)8)華能4)朱寶強4)朱健強4)7)方智恒5)安紅海5)黃秀光5)7)趙剛2)7)張杰6)7)

1)(中國科學院物理研究所,北京凝聚態物理國家實驗室,北京 100190)2)(中國科學院國家天文臺,北京 100012)3)(北京師范大學天文系,北京 100875)4)(中國科學院上海光學精密機械研究所,高功率激光與物理國家實驗室,上海 201800)5)(中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所,上海 201800)6)(上海交通大學,激光等離子體實驗室(教育部),物理與天文系,上海 200240)7)(上海交通大學,IFSA協同創新中心,上海 200240)8)(中國科學院大學物理科學學院,北京 100049)

(2016年12月21日收到;2017年1月23日收到修改稿)

強激光照射金屬線圈后,會在打靶點附近的背景等離子體中誘發冷電子的回流,在金屬絲內形成強電流源,從而產生強磁場.本文利用神光II高功率激光器產生的強激光照射金屬絲靶,產生了圍繞金屬絲的環形強磁場.利用B-dot對局域磁感應強度進行了測量,根據測量結果,結合三維模擬程序,反演得到磁場的空間分布.再利用強激光與CH平面靶相互作用產生的超音速等離子體撞擊該金屬絲,產生了弓激波.通過光學成像手段研究了磁場對沖擊波的影響,發現磁場使得弓激波的輪廓變得不明顯并且張角變大.同時,通過實驗室天體物理定標率,將金屬絲表面等離子參數變換到相應的天體參數中,結果證明利用該實驗方法可以在實驗室中產生類似太陽風的磁化等離子體.

強激光,強磁場產生,弓激波,磁化等離子體

1 引 言

宇宙中普遍存在著磁場,許多天體物理過程中磁場都起著至關重要的作用［1?5].例如,當太陽風撞擊地球時,地磁場阻礙了太陽風,使得地球表面免受太陽風的侵擾［6];在噴流的形成、加速、準直過程中,磁場扮演了主要的角色［7,8];在太陽附近發生磁重聯過程時,正是磁場拓撲結構的變化引發能量在磁場和帶電粒子動能間的轉化［2,9,10].實驗天體物理是基于實驗手段來研究天體物理過程和機制的學科,通過實驗室天體物理定標率［11],將天體中的相關參數變化到實驗室條件下,利用實驗過程再現天體過程,從而可以對天體物理過程進行全面、深入的研究［8?10,12?16].要進行與磁場相關的天體物理過程和機制的實驗室研究,就必須在實驗內創造類似的磁場環境.盡管許多天體環境中的磁感應強度低,然而經過定標率變換后,往往要求實驗室中的磁感應強度達到特斯拉量級甚至更高.人們可以利用通電線圈來產生這樣的磁場環境,并取得了一定的研究成果［8,16].最近,有學者利用強激光輻照電容線圈靶產生了強磁場,并積極探索將該磁場應用到實驗室天體物理的研究中［17?19].還有一些研究者利用激光照射平面靶后在等離子體內部會形成很強的自生磁場的原理,設計類似天體中的磁化等離子體實驗［9,10,20?25].這種方法產生的磁感應強度可達百特斯拉,磁場隨著等離子的膨脹而運動,可以有效模擬磁重聯等過程.然而,該自生磁場存在于靶表面附近,并且磁場方向與靶面平行,這對實驗設計和探測手段提出了較高的要求.

2015年,我們的實驗證明了當強激光照射到金屬絲線圈靶的一端時,由于超熱電子逃離靶面,靶面電勢會急劇增高,從而吸引背景等離子體中的冷電子向靶內回流,流動的電子在線圈中形成強電流,進而誘發了磁感應強度高達百特斯拉的強磁場［26].本文在該實驗基礎上,通過對金屬絲形狀的設計,在強激光照射后,獲得了圍繞金屬絲的環形強磁場.又利用強激光與CH平面靶相互作用驅動的高速等離子體撞擊該金屬絲的方法,產生了弓激波,觀測了該磁場對弓激波的影響.同時,通過實驗室天體物理定標率的變換發現,被CH靶發射的強X射線離化的金屬絲等離子體,可以用來模擬太陽風.

2 實 驗

本實驗是在神光II高功率激光裝置上運行的.實驗布局如圖1(a)所示,神光II共8路主激光,對稱分布.我們將8路主激光分為兩束,南、北4路各為一束.每束波長351 nm,脈寬1 ns,總能量240×4 J.第9路激光作為光學診斷的探針光,自西向東水平穿過靶室中心,其波長527 nm,脈寬30 ps.實驗采用兩路同步的光學診斷,一路為陰影成像,另一路為干涉成像,放大倍數均為4.2倍.通過調節主激光和探針光的時間延遲,可以得到不同時刻的等離子體演化圖像.我們以靶室中心為坐標原點,上下方向為x軸,東西方向為y軸,南北方向為z軸,建立了如圖1(b)所示的直角坐標系.磁感應強度則由B-dot測量.B-dot是由兩個直徑1.05 mm、反向平行放置的感應線圈組成的.這兩個感應線圈對磁場的感應信號數值正負相反,而對噪聲的感應信號數值正負相同,所以通過將兩個線圈信號數值做差的方法,可以有效降低噪聲對測量精度的影響.B-dot線圈中心的位置坐標為(?7.2,0,?19.3),單位mm;線圈平面豎直放置,用來測量水平方向磁感應強度(By).另外,靶室外放置了一個掠入射角為3°的光譜儀來測量CH靶靶后位置處的軟X射線光譜,從而推算出從CH靶膨脹出的等離子體的溫度.

圖1 實驗布局圖Fig.1.Experimental set-up.

圖1(b)—(d)展示了實驗所采用的三種靶型.其中金屬絲材料為Al,直徑200μm,上端豎直部分連接在靶室壁上達到接地效果;中間水平部分長3.5 mm,該部分產生的強磁場將作用于等離子體,研究磁場與等離子體的作用;下端豎直部分長度達3 mm以上,以確保該打靶點處于光學成像的視場之外,避免其對光學診斷的成像效果的影響;金屬絲最下端端點處被壓制成平面靶,該平面靶中心位于靶室中心,即坐標原點,作為南4路激光的打靶點.圖1(b)中南4路激光聚焦照射在金屬絲下端平面靶上,激光焦斑直徑約150μm,平均光強約5.4×1015W/cm2,誘導金屬絲中產生強電流,從而生成強磁場.圖1(c)中右側的平面靶,材料CH,尺寸2×2×0.005 mm,與金屬絲的距離為1 mm,靶面與金屬絲所在平面平行.北4路激光匯聚在CH平面靶上,光斑直徑約600μm,靶面的平均光強約3.4×1014W/cm2,在CH平面靶的表面產生了向靶后運動的高速、低密度等離子體,該等離子體與前方金屬絲產生的強磁場相互作用.金屬絲水平部分、CH平面靶及北4路激光光斑尺寸的選取,保證了金屬絲僅水平部分與從CH平面靶到來的高速等離子相互作用,豎直部分無法與該等離子體接觸.作為圖1(c)的實驗對照,圖1(d)中的金屬絲僅保留水平部分,并且僅北4路激光照射CH平面靶產生高速等離子體,撞擊前方的水平金屬絲.

3 實驗結果與討論

圖2為磁場測量結果,其中紅色和綠色曲線代表B-dot中兩個感應線圈的測量值,黑色曲線為兩個線圈測量值做差后的結果.縱坐標為磁感應強度,橫坐標為測量時刻.從圖2可以看出磁場強度的時間演化:大約49 ns時,激光照射到細絲下端的平面靶上,細絲中開始出現電流,磁場開始出現,約在1 ns之后磁感應強度達到峰值約0.017 T,又經過1 ns后磁感應強度衰減下來.我們之前的實驗結果已經證明了磁場的產生機制:當激光照射到金屬絲下端的平面靶后,靶內產生的超熱電子逃逸出來,使得靶面位置電勢迅速升高,該高電勢會吸引靶面附近背景等離子體中的電子,該電子匯聚后流入金屬絲,形成強電流,強電流誘導產生了強磁場.

我們利用三維程序Radia模擬了金屬絲內不同電流強度下磁場的空間分布.將B-dot所在位置處的磁場峰值探測結果代入程序中,則可以反推出此時金屬絲中電流強度為5.5 kA,相應地可以得到磁場的空間分布.當z=0時x-y平面內的磁感應強度分布如圖3(a)所示.圖3(b)為金屬絲水平部分中點處沿著z軸負方向的磁場分布曲線,可以看出金屬絲周圍磁場將近10 T,在金屬絲1 mm處磁感應強度約1 T.

圖2 (網刊彩色)B-dot所在位置的磁感應強度測量結果Fig.2.(color online)The local magnetic induction intensity measured by B-dot.

圖4展示了探針光相對與主激光脈沖后沿延遲3 ns時刻的光學成像結果.由于探針光自西向東水平傳播,所以光學成像為側向投影.因此,圖中僅能看到CH平面靶的側面,圖中用白色粗線表示該側面的輪廓;金屬絲各部分的側面投影重合到一起,水平部分的投影為橫截面的圓形,在圖中用藍色圓形表示橫截面的位置和大小;圖中的紅色箭頭代表北4路主激光.光學成像圖中深黑色區域是由于該處等離子體密度或者梯度過高,探針光被吸收或者偏折掉了所致.從圖4可以看到:金屬絲的水平部分被激光與CH平面靶作用產生的X射線所離化,直徑膨脹約為500μm;而由于位置關系,豎直部分膨脹較小.圖4中藍色圓形上面較寬的高密度區域部分是放置在金屬絲兩端用來支撐金屬絲的支撐架的投影.該支撐架遠離等離子體和金屬絲作用區域,所以對實驗不會造成影響.

圖4(a)和圖4(b)中,采用圖1(d)中的靶型,利用CH靶后產生的高速等離子體撞擊不帶磁場的金屬絲;圖4(c)中采用圖1(c)中的靶型,利用等離子體撞擊帶有磁場的金屬絲.從圖4的光學成像結果中可以明顯看到在金屬絲前面產生了弓激波.對比圖4(b)和圖4(c)的成像結果,可以發現:在無磁場時,激光照射CH平面靶產生的高速等離子體撞擊金屬絲后,形成了明顯的弓激波;有磁場時,陰影成像中的弓激波的輪廓不明顯,并且張角變大.

圖3 (網刊彩色)(a)z=0處x-y平面內的磁場分布的模擬結果;(b)金屬絲水平部分中點處沿z軸磁感應強度Bz的分布曲線Fig.3.(color online)(a)The simulated two-dimensional magnetic fi eld distribution in the x-y plane with z=0,the dashed line is the outline of the target wire;(b)the magnetic induction intensity pro fi le of Bzalong x axis from the center of the horizontal wire.

圖4 (網刊彩色)3 ns延遲時刻的光學成像結果 (a),(b)分別對應圖1(d)靶型的無磁場情況下的干涉圖和陰影圖;(c)對應圖1(c)靶型的有磁場情況的陰影圖Fig.4.(color online)Optical imaging results at 3 ns delay time:Panels(a)and(b)are the interferogram and shadowgraph corresponding to the target in Fig.1(d);panel(c)is the shadowgraph corresponding to the target in Fig.1(c).

為了弄清楚CH平面靶后膨脹的等離子的行為,實驗中我們首先拍攝了無金屬絲的情況,并據此估算出3 ns時到達金屬絲附近的CH等離子流速約為300 km/s.又根據探測到的軟X射線光譜中CVI(帶六個正電荷的碳離子)和CV(帶五個正電荷的碳離子)的強度比,計算出其溫度為95 eV(溫度單位eV對應kT,k為玻爾茲曼系數,T為溫度值,單位為開爾文(K);等離子體物理中常用eV表示溫度,1 eV的溫度對應11600 K).利用圖4(a)干涉圖中的條紋移動,經Abel反演,可以得到CH靶后透光區域條紋移動地方的等離子體的電子數密度(即激波上游電子數密度)n1～1019cm?3,據此推測,緊鄰透光區域的黑色無條紋處的等離子密度(即激波下游電子數密度)約為n2～1020cm?3.由于實驗中弓激波位置穩定,所以可以將激波坐標系近似為實驗室坐標系.在實驗室坐標系中,弓激波上游等離子體壓強其中ρ,v,n,T分別為等離子體的質量密度、流速、電子數密度、溫度;k為玻爾茲曼常數,下標1表示上游參數,下標2表示下游參數.由壓強平衡條件,下游壓強P2=P1≈5.4×109Pa.由圖2測量結果可知,激光作用后,磁場衰減很快,在3ns延遲時刻,約為峰值強度的1/4,則金屬絲附近的磁感應強度約為2T,相應的磁壓然而需要注意的是磁場會被運動的等離子體擠壓,從而造成磁壓的增大.尤其在激光到來1 ns時刻,磁感應強度最強,被等離子體壓縮后,會對等離子產生較強的阻礙作用,使得等離子體的馬赫數降低.又因為弓激波的張角與等離子體的馬赫數負相關,激波下游、上游的密度比ρ2/ρ1與馬赫數正相關［27],所以對于有磁場的情況,形成的弓激波張角會變大,密度跳變不明顯(即光學成像圖中弓激波輪廓不清晰).

其中r,t分別代表系統的空間、時間特征量;a,b,c為比例系數. 根據上述實驗測量值,我們取a=10?10,b=1018,c=1018,則相應得到對應的天體參數如表1所列.

表1 等離子體的實驗室參數和經實驗室天體物理定標率變換后的天體參數Table 1.Parameters of plasma in laboratory and in the space connected by the similarity criteria.

該實驗參數對應的天體參數正好與地球附近的太陽風參數相當.所以可以認為本實驗中金屬絲被離化產生的磁化等離子體可以有效模擬太陽風等離子體,并且適合模擬時間范圍在幾十秒的過程.

4 結 論

本文在先前實驗基礎上,通過對金屬絲形狀的設計,獲得了圍繞金屬絲的環形強磁場.利用B-dot對局域磁感應強度進行了測量,根據測量結果,結合三維模擬程序,反演得到了磁場的空間分布.并且進一步將該磁場應用到弓激波的實驗研究中,利用強激光與CH平面靶的相互作用產生的超音速等離子體撞擊該金屬絲形成了弓激波,通過光學成像手段研究了磁場對弓激波波形的影響.實驗證明磁場的存在降低了CH靶后膨脹出的等離子體的馬赫數,導致了弓激波張角的變大和密度跳變的減小.相對于其他方法,本文中產生強磁場的方法對靶室內布局、激光打靶方式、探測手段的要求更低,使得實驗設計更加靈活,所以該方法更便于利用.同時,強激光與CH平面靶的相互作用產生的強X射線將金屬絲表面離化為等離子體,通過實驗室天體物理定標率的轉換證明了該等離子體可以有效模擬太陽風的磁化等離子體.未來可以通過新的實驗設計,對此磁化等離子加以利用,以模擬與太陽風有關的特征時間在幾十秒范圍的天體物理過程.

感謝在上海神光II高功率激光實驗裝置相關部門工作的所有員工對本文實驗所做的貢獻.

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PACS:52.50.Jm,52.70.Ds,52.25.Xz,42.30.–dDOI:10.7498/aps.66.095202

Strong magnetic fi elds generated with a metal wire irradiated by high power laser pulses and its e ff ect on bow shock?

Li Yan-Fei1)8)Li Yu-Tong1)7)8)?Zhu Bao-Jun1)8)Yuan Da-Wei2)Li Fang1)Zhang Zhe1)Zhong Jia-Yong3)7)Wei Hui-Gang2)Pei Xiao-Xing2)Liu Chang3)Yuan Xiao-Xia3)Zhao Jia-Rui1)Han Bo2)3)Liao Guo-Qian1)Lu Xin1)8)Hua Neng4)Zhu Bao-Qiang4)Zhu Jian-Qiang4)7)Fang Zhi-Heng5)An Hong-Hai5)Huang Xiu-Guang5)7)Zhao Gang2)7)Zhang Jie6)7)

1)(Beijing National Laboratory of Condensed Matter Physics,Institute of Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China)2)(National Astronomical Observatories,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100012,China)3)(Department of Astronomy,Beijing Normal University,Beijing 100875,China)4)(National Laboratory on High Power Lasers and Physics,Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanical,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 201800,China)5)(Shanghai Institute of Laser Plasma,China Academy of Engineering Physics,Shanghai 201800,China)6)(Laboratory for Laser Plasmas(Ministry of Education)and Department of Physics and Astronomy,Shanghai Jiao Tong

University,Shanghai 200240,China)7)(Collaborative Innovation Centre of IFSA,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)8)(School of Physical Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

21 December 2016;revised manuscript

23 January 2017)

Laboratory astrophysics is a rapid developing fi eld studying astrophysical or astronomical processes on a high-power pulsed facility in laboratory.It has been proved that with the similarity criteria,the parameters in astrophysical processes can be transformed into those under laboratory conditions.With appropriate experimental designs the astrophysical processes can be simulated in laboratory in a detailed and controlled way.Magnetic fi elds play an important role in many astrophysical processes.Recently,the generation of strong magnetic fi elds and their e ff ects on relevant astrophysics have attracted much interest.According to our previous work,a strong magnetic fi eld can be induced by a huge current formed by the background cold electron fl ow around the laser spot when high power laser pulses irradiate a metal wire.In this paper we use this scheme to produce a strong magnetic fi eld and observe its e ff ect on a bow shock on the Shenguang II(SG II)laser facility.The strength of the magnetic fi eld is measured by B-dot detectors.With the measured results,the magnetic fi eld distribution is calculated by using a three-dimension code.Another bunch of lasers irradiates a CH planar target to generate a high-speed plasma.A bow shock is formed in the interaction of the high-speed plasma with the metal wire under the strong magnetic condition.The e ff ects of the strong magnetic fi eld on the bow shock are observedby shadowgraphy and interferometry.It is shown that the Mach number of the plasma fl ow is reduced by the magnetic f i eld,leading to an increase of opening angle of the bow shock and a decrease of the density ratio between downstream and upstream.In addition,according to the similarity criteria,the experimental parameters of plasma are scaled to those in space.The transformed results show that the magnetized plasma around the wire,produced by X-ray emitted from the laser-irradiated planar target in the experiment,is suitable for simulating solar wind in astrophysics.In this paper,we provide another method to produce strong magnetic fi eld,apply it to a bow shock laboratory astrophysical study,and also generate the magnetized plasma which can be used to simulate solar wind in the future experiments.

high power laser,produce of strong magnetic fi elds,bow shock,magnetized plasma

10.7498/aps.66.095202

?國家重點基礎研究發展計劃(批準號:2013CBA01501)、國家自然科學基金(批準號:11135012,11375262,11520101003,11503041)和科學挑戰計劃(批準號:TZ2016005)資助的課題.

?通信作者.E-mail:ytli@iphy.ac.cn

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CBA01501),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11135012,11375262,11520101003,11503041),and the Science Challenge Project(Grants No.TZ2016005).

?Corresponding author.E-mail:ytli@iphy.ac.cn