国家点火装置:交叉等离子体流中从碰撞到无碰撞区域的过渡

发布时间: 2017-05-20 11:00:48   作者:本站编辑   来源: PRL   浏览次数:

 

 

冲击波在宇宙中是普遍存在的,它由超新星,伽马射线爆等所驱动;在这些高能天体体系中冲击波普遍是无碰撞的,这意味着库伦离子-离子碰撞的平均自由程大于等于冲击波相互作用区域。冲击波则作为磁场产生及放大,宇宙射线的源泉。但与实验室产生的大部分冲击波不同,如来自流体碰撞过程等,天体冲击波来自集体等离子体行为和不稳定性,同时诱发强磁场阻碍等离子体流交叉形成冲击波。

目前实验室中还无法利用电磁Weibel不稳定性产生高马赫数(M>4)的无碰撞冲击波,而类似的实验有望研究无碰撞冲击波的微观物理,或者磁场产生,放大以及高能粒子加速等。高能、高功率激光使高马赫数的无碰撞冲击波相互作用在实验室研究成为了可能。这里涉及的关键问题如下:1产生无碰撞冲击波的等离子体条件;2冲击波形成的场特征和粒子分布。此外阐明冲击波由碰撞到无碰撞条件变化也是极为重要的。先前Omega激光装置实验报道了Weibel类型的成丝不稳定性,这产生了种子磁场并且进行了放大,这是产生冲击波的重要一步(无背景磁场)。在过程中离子温度的测量并未显示出冲击波的产生,其中离子温度仅为1.5keV(远低于阈值的10keV)。其密度也仅仅为两束流的密度叠加。尽管Weibel不稳定性已经产生,其穿透距离和流的持续时间也不足以支持冲击波的产生和离子加热。

要缩短该特征时间,可以采用更高等离子体密度和速度,由此可能激发冲击波的产生。该尺度可由劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的国家点火装置实现,相比于Omega装置,激光能量提升了30倍,而密度提高了近40倍。另一方面其碰撞时间也较小,特别是薄膜间的间距较短。实验利用固体密度的碳氢靶和重氢靶产生3MeV的质子和2.54MeV的中子。

实验示意图如图1所示,一对CD-CD或者CD-CH间距6-10mm,薄膜均采用48-351nm激光,5.1kJ-5ns脉宽激光束驱动。X射线和质子成像如图1b所示,即使在靶表面x射线是占主导的,但可以中心区域的X射线明显增强。

中子产额测量表明采用CD靶间距为6mm时,最大产额为5.3×1010。而单独采用CD靶产额仅为4.7×108。而将CD靶由CH靶替换后,产额降低到了6.3×1098倍的数值下降说明CD-CD产额主要来自于束流交叉的作用。由于本实验采用的密度比Omega更高,并不能得出结论即所有的CD-CH加热是无碰撞的。事实上,碰撞的平均自由程与本系统处于同等量级,鉴于此,可以采用碰撞模拟估算碰撞过程对离子加热和中子产额的贡献。

1. 双靶对流实验设计图(a)X射线和质子成像图(b)

之前在Omega上的实验结果中Weibel不稳定性驱动了无碰撞相互作用。当前实验中不稳定性结构并不能形成无碰撞冲击波,对应无碰撞结构,CH-CD产额应该为CD-CD的一半。同时实验数据表明了增强的离子散射和电子加热,从而在中间交界面形成了x射线辐射的极值,这一区域对应无碰撞冲击波最强的区域,同时也表明这是不稳定性的非线性阶段,调制着冲击波形成的初级阶段。

本文报道了NIF上高速对撞流体产生无碰撞冲击波的实验结果。研究发现双交叉流体中粒子的无碰撞散射。同时也发现相比于碰撞散射,随着靶间距的增加无碰撞散射的重要性:6mm间距时,相互作用以碰撞为主;10mm时无碰撞相互作用为主。将这些结果与早期Omega实验结合,可以得出Weibel不稳定性对增强型无碰撞散射和粒子加热的证据。

摘译自:J. S. Ross et al. Transition from Collisional to Collisionless Regimes in Interpenetrating Plasma Flows on the National Ignition Facility. PRL 118, 185003 (2017)

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