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扰流等离子体中磁场的发电机放大的实验证据

发布时间: 2018-04-20 16:39:12   作者:本站编辑   来源: NATURE COMMUNICATIONS   浏览次数:

 

 

磁场在宇宙中普遍存在,其能量密度与等离子体中流体运动产生的数量级相当,这使磁场在发光体动力学过程中起重要作用。标准理论模型研究强磁场的主要方式是放大种子磁场,通过扰流发电机机制达到电流可观测的量级。然而实验上证实扰流发电机机制仍未成功,这所需要等离子体条件在实验室中难以重建。

1. 实验示意图

射频同步辐射或法拉第旋光法表明银河系的星盘,光环或星簇的磁场强度可从纳高斯达到几十微高斯,而磁星中甚至高达太高斯。扰流在宇宙中磁场的产生和演化中起重要作用。等离子体扰流可在无数天体间出现,并可由多种过程激发,这包括星簇融合,超新星爆发等。当弱磁场穿过扰流等离子体时,流体的随机运动将拉伸或折叠该磁场,将其放大直至在动力学效应上明显。磁场的放大一般可归结为以下两步:首先当初始强度很小,磁场能量将呈指数增长(动力学位相),此后磁能将线性增长直至饱和。这即是磁场放大的扰流发电机机制。发电机机制放大的种子磁场可由多种物理过程产生。在多种天体物理条件下,等离子体时无磁的,如在原星系产生时期。密度和温度梯度激发的比尔曼电池效应将产生种子磁场,同样也发生在激光产生的等离子体中。

本实验在罗彻斯特大学的Omega激光装置展开,激光烧蚀掺氯塑料薄膜在其后表面驱动等离子体流,该等离子体流穿过固体栅格网并与对向流碰撞,如图1所示。磁场在碰撞前主要由激光焦斑位置处的比尔曼电池效应产生,而此后激发的磁场经重建算法计算结果约100kG,这与法拉第旋光计算值一致。研究人员声明磁场的增长并不能由冲击波产生的磁场线压缩解释,也不是比尔曼电池效应造成,因为温度梯度并不足够强。无碰撞等离子体过程如韦伯或成丝不稳定性也不能对磁场放大过程起作用,因为等离子体碰撞频率过高。本研究中磁场从4增长至100-120kG,这起源于扰流运动引起的磁场放大,验证了长期以来的理论预测:即扰流发电机是获得诸多天体环境下高磁Reynold数等离子体中动能和磁能动力学平衡的主导过程。

田野摘译自: Tzeferacos et al. Laboratory evidence of dynamo amplification ofmagnetic fields in a turbulent plasma. NATURE COMMUNICATIONS (2018) 9:591

本文研究结果LWFA电子束品质可通过传输线控制,在一定程度上弥补了传统加速器的性能。电子束的控制并不受限于LWFA机制,也可由各种先进加速器技术补偿。这一研究结果对束团质量需求的诸多应用开辟了新的途径。

田野摘译自: T. André et al. Control of laser plasmaaccelerated electrons for light sources. NATURE COMMUNICATIONS 9:1334 (2018)

 
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