分子云动力学:观测,模拟及NIF实验

发布时间: 2015-04-28 15:15:25   作者:本站编辑   来源: Proc. SPIE   浏览次数:

      

  近15年来马里兰大学的天文学家和LLNL的理论与实验工作者一直研究著名的“鹰状星云支柱”和分子氢星云“HII区域边界”的起源和演化,鹰状星云被选为美国国家点火装置NIF科研计划之一,预计在NIF上进行4枪次的实验,主要目的是研究柱状结构的彗星模型。这些实验需要较长(大于30ns)的脉冲驱动非线性烧蚀的流体力学过程。在Omega EP激光装置上,NIF将利用脉宽超过10ns的UV光驱动黑腔产生X射线源。该光源可用来发展一套直接模拟星云辐射的科学设计包。Omega EP主要测试多黑腔结构是否可靠,是否早期的黑腔会通过预热或发射的等离子体羽衰变稍后的黑腔。Omega EP上黑腔结构如下:2.8mm长,直径1.4mm,每个黑腔入射激光能量为4.3kJ。NIF上黑腔结构为:4mm长,直径3mm,入射能量80kJ。

  1.         

  目前在NIF上进行实验测量如鹰状星云等的分子星云柱状结构的形成速度以及密度轮廓,同时评估审查轮廓的模型以及评估这些新的观测结构。NIF共有192束激光,总能量2MJ,主要用于聚变,国家安全,基础科学等的研究。高校及NIF科学委员会将“鹰状星云”(图1)合作选为NIF上九个科学计划之一。NIF是世界上第一个高密度物理装置:在实验室尺度能实现高度准直,长持续时间,强辐射流驱动彗星流及方向不稳定性等,从而评估产生流-形成柱状结构的模型。能量/NASA等机构的理论、天体、实验物理学家16年来利用辐射流体动力学模型模拟柱状星云的起源及演化等,利用射电望远镜阵列观测“鹰状和马头”星云。工作发现在HII区域瑞利泰勒不稳定性被烧蚀稳定性压缩,彗星模型可以解释这样的柱状结构。

  1  “鹰状星云”图像

  2.         

  分子星云是星球起源的地方,主要包含带有微量尘埃的分子氢(10-2质量),一氧化碳(体积占10-4),其质量一般为太阳的104~106倍,尺寸为几十秒差距,平均分子氢数密度为103cm-3,平均温度为10K38。在大恒星周围的分子云和HII区域间的表面为瘦长形状,该表面是OB型星产生的强UC辐射的光电离前端,其中广受关注及研究的即为鹰状星云,在一小群O型星旁有三个大的分子柱,如图1所示。

  2.1 “鹰状星云”的辐射流体力学模拟

  本实验小组进行了大量的流体力学模拟,并与天体观测进行对比。入射光子自由流的传输,简化了辐射的过程。二维圆柱几何模拟结果表明彗星流将重现密度和速度。球状星云初始在星云外部具有幂次密度轮廓的分布,中间核心则为常数分布。行星初始距离核心2pc,模拟中紊乱的磁支撑压产生了,空间上不断变化阻止内核中

  2  2013Omega EP激光装置实验结果

  产生极强的场强。当烧蚀等离子体被限制在初始的内核中,将形成陡峭柱状结构边界。

  2.2 Omega EP激光装置实验

  在2013和2014两年中,本小组在罗彻斯特大学的Omega EP激光装置上进行了小尺度的NIF原型实验,如图2和图3所示,2013年6月的枪次(图3)采用冲击波和光谱测量了X射线源的性质。在2014年3月(图3)第二个科研数据包“鹰科学”建立了,即小尺度分子云靶,对早期彗星结构成像的技术进行了测试。如图2所示为2013年6月的长持续时间的辐射源,该源是一个几毫米宽的铜块,上面钻了4个孔形成了一个多通道的辐射器,应用了三个通道(黑腔)。通道按次序由激光作用,每个通道受到脉宽超过10ns的4kJ激光能量照射,总能量即12kJ,总脉宽即30ns。每个通道由新型密度泡沫材料填充,从而减缓激光的辐照。激光加热产生的等离子体碎末和铜墙再次辐射出X射线。

  如图3所示为2014年3月的一系列实验结果,源的质量降低了从而减少碎片形成,μDMP谱仪数据表明源能产生90eV的X射线输出。这些枪次的主要任务是产生一个X射线背光源对柱状结构进行透射式成像。

  3  2014Omega EP实验结果

  图3中即其中一幅背光成像,图像采集时间为第三束光关闭时(35ns),冲击波即传输进入泡沫中。这种成像技术在NIF上精炼化,具有更大的成像区域,更强的背光源,可调节的滤膜材料。如图3所示,背光成像与辐射流体力学模拟程序吻合。NIF上“鹰科学”数据包具有密度为60mg/cc的碳化间苯二酚泡沫(CRF)结构,且有簇状结构位于泡沫表面。簇结构由三层CH和降低密度的CRF构成。NIF上的X射线源与Omega EP类似,均为三通道射线源,但尺寸更大,直径2.7mm,长度为3.5mm。

  每个通道由脉宽10ns能量80kJ总能量240kJ,是Omega EP实验能量的20倍。随着NIF上总能量的增加,源所驱动的X射线产生冲击波穿过簇丛结构。质量较重的簇丛在实验中移动了几百微米,而烧蚀冲击波表面则移动了几毫米。

  NIF上初始实验的目标是确定长持续时间,NIF尺度和能量多黑腔源的实验状态;形成柱状结构测试X射线辐照成像;评估辐射流体力学代码模型。该模型可用于测量柱状结构的密度和速度等。在进一步实验中,可以产生并诊断低密度柱结构,评估Omega EP激光装置上多种实验诊断结果。

  摘译自:Dynamics of Molecular Clouds: Observations, Simulations, and NIF Experiments.Abdul A. S. Awwal et al.. High Power Lasers for Fusion Research III. Proc. SPIE, Vol. 9345, 93450C, 2015 SPIE

 

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