Thomson散射等离子体参数诊断的强大工具

编辑:宣统部 2019-06-04 09:41

:汤姆逊散射是低能光子和自由电子之间的弹性散射。因为汤姆逊散射光谱携带关于等离子体波动的信息,所以可以通过测量汤姆逊散射光谱以高精度测量等离子体的各种参数,例如电子。温度,电子密度,等离子体流速等经过多年的发展,汤姆逊散射已成为等离子体物理研究中最重要的诊断工具。

关键词:等离子体物理,汤姆逊散射,动态形状因子,等离子体参数

Thomsonscattering: apowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics

Zhengjianyuchang\ |xuan

(中国科学技术大学,中国科学院,中国科学技术大学,中国科学技术大学,合肥230026)

abstractthomsonscatteringistheprocessinwhichalow \ | energyphotonscattersfromafreeelectron.whenalaserpulsepropagatesthroughaplasma,thespectrumofthescatteredlightduetothethomsonscatteringisproportionaltothepowerspectrumoftheelectrondensityfluctuations,即dynamicformfactor,fromwhichvariousplasmaparameterscanbeinferred,suchaselectrontemperatureandplasmaflowvelocity.afteryearsofdevelopment,thomsonscatteringhasnowbeeapowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics.

Keywordsplasmaphysics,thomsonscattering,dynamicformfactor,plasmadiagnostics1引言

Thomson散射等离子体参数诊断的强大工具

准确测量等离子体状态参数是深入研究等离子体物理过程的基本前提之一。对于高温和高密度等离子体,由于可接近性,实验室中常用的有源诊断工具(例如探针)不受限制。接近待检测的血浆。当然,还有其他被动诊断方法可以提供各种等离子体参数,例如X射线能谱测量。相对于被动诊断方法,汤姆逊散射作为主动诊断工具具有独特的一面。它可以以高空间和时间分辨率测量等离子体参数,并且实验结果的解释相对简单,即,散射光谱以相对简单的方式与等离子体参数相关。后者特别重,因为一些诊断方法严重依赖于实验数据的解释。并且处理,导致获得的等离子体参数的置信度较低。经过多年的发展,特别是由于激光技术和高速高灵敏度探测器的发展,汤姆逊散射逐渐演变为惯性约束聚变等离子体的标准诊断工具。成为准确研究等离子的强大工具.

Thomson散射等离子体参数诊断的强大工具

2汤姆逊散射的基本原理

汤姆逊散射是低能光子(光子能量远小于0.511mev)和低能自由电子之间的弹性散射。该过程的经典物理图像是在入射电磁波场中振荡的电子发射电磁波——散射电磁波。存在速度v,散射电磁波的频率将不同于入射电磁波的频率,并且差别是

这里,k=ks-k0是散射波的波矢和入射电磁波的波矢之间的差。它被称为散射差矢量。从这个简单的公式可以看出,散射的电磁波携带电子的运动信息,即汤姆逊散射。可用于诊断血浆的基本原因。当然,当我们使用汤姆逊散射来诊断等离子体时,我们测量的散射光谱来自许多电子产生的散射电磁波的相干叠加。叠加的结果是散射光谱和电子密度。波动功率谱与之成正比

drd2pdωdω=nei0r2esin2θs(k,ω)τ

这里s(k,ω)是所谓的动态形状因子,它是电子密度波动自相关函数的谱密度; i0是入射电磁波的功率密度; ne是发生汤姆逊散射的电子数; re是经典电子半径; θ是入射电磁波的偏振方向与散射波矢量之间的角度。如果电子彼此完全独立,则散射光谱是单个电子散射光谱的简单相加,此时散射光谱反射电子。在散射差矢量方向上的速度分布。如果等离子体中存在集体运动,则电子彼此不完全独立,并且干涉效应导致散射光谱在对应于等离子体的集体运动模式的频率和波矢量处显得清晰。对于非磁化等离子体,我们知道等离子体中的集体运动模式具有两个高频电子等离子体波和低频离子声波。两种集体运动模式之间的离差关系是ω2epw=ω2pe(1 +3k2λ2de),ω2ia=11 +k2λ2deztemi+ 3timi,

这里ωpe是朗缪尔振荡频率,λde是电子德拜长度,te,i是电子/离子温度,z是离子电荷数,mi是离子温度。在经过适当的实验布置以满足k2λ2de1之后,我们可以从散射光谱中的电离态zte获得电子密度ne和电子密度的信息。此外,散射光谱的宽度与集体运动模式的阻尼有关,并且阻尼也取决于等离子体的状态参数,因此通过散射原则上,光谱的宽度也可以从等离子体的参数。例如,电子温度可以通过电子等离子体波的散射光谱的宽度来测量。

3汤姆逊散射实验结果

中国科学技术大学基础等离子体物理重点实验室和中国工程物理研究院激光聚变研究中心的研究团队共同研究了“星光II”装置[1-3] ]和“神光II”装置。 4,5]完成了汤姆逊散射实验。图1是“星光II”装置[3]上的实验装置的示意图。在实验中,我们用波长为351nm的激光脉冲照射金平面靶以产生等离子体。使用波长为526.5nm的激光脉冲作为汤姆逊散射探测光束。主激光的能量约为100j,探测光束的能量约为10j。

我们获得的典型汤姆逊散射光谱如图2(a)所示。由于高时间分辨检测装置,汤姆逊散射光谱随时间获得,因此我们可以随时间获得等离子体参数。 Evolution.

在“神光ii”装置上,我们使用汤姆逊散射[5]进一步测量了腔靶等离子体的状态参数。实验布置如图3所示。在圆柱形腔靶的侧壁上,我们打开a。探测光被注入端口,并且散射光从圆柱体的端面发射。由于闭合的几何构造,腔靶中的等离子体的离子温度通常远高于由平面靶产生的等离子体的离子温度。汤姆逊散射光谱很严重。扩展,使两个离子声波散射峰融合,如图4所示。

4总结

本文综述了中国科学技术大学等离子体物理实验研究在汤姆逊散射领域的主要成果。掌握这种诊断技术使我们能够更深入地了解激光聚变等离子体的发展。帮助我们准确预测激光等离子体的行为。

致谢本文报道的工作是许多人一起工作的结果。作者对白柏,王哲斌,蒋晓华,李文红,刘永刚,曹祝荣,丁永坤,郑志坚等人以及中国工程物理研究院激光聚变中心表示感谢。目标人员,“Starlight ii”设备的所有操作员以及“神光ii”设备的所有操作人员。参考

[1] baib,zhengj,yucxetal.chin.phys.lett。,2001,18936

[2] zhengj,baib,liuwdetal.chin.phys.lett。,2001,18: 1377

[3] baib,zhengj,liuwdetal.phys.plasmas,2001,8 0: 4144

[4] wangzb,zhengj,zhaobetal.phys.plasmas,2005,12 12: 082703

[5] zhengj,wangzb,yucxetal.journalofphysics: conferenceseries,2008,112: 022040



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