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热稠密等离子体中带电粒子截止测量

发布时间: 2015-08-28 10:56:33   作者:本站编辑   来源: PRL   浏览次数:

   

  稠密等离子体中带电粒子截止测量属于基础等离子体物理领域,并与实现实验室尺度热核聚变相关。在温稠密物质(WDM)领域的稠密等离子体中,其密度接近固体,温度约几十电子福特,对作为探针研究截止能量理论具有重要意义,此外在非平衡统计机制,稠密等离子体传输,WDM等离子体中束缚到电子跃变等均有联系。束缚到自由跃变的精确理论可解释激光等离子体诊断手段,如汤姆逊散射等获得的数据。

  图1. 实验几何示意图

  在惯性约束聚变领域中,球对称压缩内部小尺寸燃料,并激发热核烧蚀波,该烧蚀波通过聚变产生的高能α粒子自加热。理解极端条件下这些α粒子在等离子体中的传输需要在NIF上进行精确的物理实验,NIF上最近刚实现α粒子自加热。带电粒子在热稠密等离子体中传输和加热与粒子束驱动惯性聚变设计如重离子聚变,质子快点火等高度相关。

  高能带电粒子在冷材料中的截止已经被研究了近一个世纪,其中带电粒子损失能量,将其交给束缚态电子,将实验结果和理论模型模拟已经建立了一系列数据库。在等离子体中,带电粒子同时也同大量粒子通过库伦力相互作用,其空间尺度由屏蔽长度限定,其中,截止被当做两体碰撞,或者介电(密度)的反馈。

  本实验利用OMEGA激光装置产生脉冲式的单能质子源,利用它来诊断目标等离子体加热至WDM条件。图1为实验示意图,冲击波驱动“爆炸驱动器”内爆装置中充满D3He燃料,以此通过聚变反应产生探测质子,内爆由20路OMEGA激光束驱动,其能量为10kJ,脉宽为1ns,这些质子脉宽为100ps,横向通过X射线加热的目标等离子体。目标靶由表面镀有1-2微米银膜的塑料靶组成,其内直径为870微米,壳厚度为24微米,长度为800微米,圆柱状的Be材料被嵌在管状靶内部,其密度ρL为94.2±0.6mg/cm2,30束OMEGA激光束入射到管的外表面,其排布沿这管道轴线如同3个环一样。激光入射到管道上为散焦,其直径为100微米,目标靶上整个驱动能量为15kJ,为1ns的方波,每个斑上的聚焦强度为1015W/cm2,该激光能量将Ag的L壳层激发辐射,约为3-4keV,包围整个圆柱靶,在空间上加热Be,其衰减长度为300-500微米,加热持续超1ns,在热束驱动1ns后热温度下降。内爆产生的质子源的延时被调整到加载热束后的1.4ns,此时的静电放电是可以忽略的。

 

  图2. 参数空间:热能与费米能比值,电子间库伦势能与平均动能比值随电子密度和温度的变化曲线

  等容均匀加热的等离子体来自以下几种效应:1.固体Be内的声速为几十微米/纳秒量级,因此流体力学效应在Be内不能发生;2. 激光与腔外表面作用,并不直接与铍样品反应,因为向内传输的冲击波并未到达质子所探测的内部区域。驱动激光能量转换为L壳层辐射的效率对Be而言约为45%,从而热温度约为32eV,电离态约为2.46±0.15,对应自由电子密度ne=(2.91±0.18)×1023/cm3。由此定义简并度参数:热能与费米能比值,约为2;电子间库伦势能与平均动能比值,约为0.3;两者与电子密度和温度的关系如图2所示。本工作中采用单能质子,质子能量散度为40keV以及大尺寸等离子体,从而确保了截止能量测量的不确定度~1.5%。

 

  图3. 质子经过未驱动(冷),以及被驱动(加热)的靶的谱线图

  如图3所示为未驱动(冷),以及被驱动(加热)的铍靶的枪次测量结果。由于等离子体温度以及内爆径向电场的影响,质子能谱出现多普勒展宽。下转换能量或称为总体能量损失,等于初始质子能量与最终能量的差值。测量结果表明下转换能量在热等离子体中数值较冷等离子体中高,这说明在WDM中阻止本领增长。

  将实验数据与多种理论对比如图4所示,测量不确定度主要来自质子谱的不确定性。首先,将冷靶数据与SRIM与ICRU截止功率进行对比,这些结果与实验数据吻合较高,不确定性低于1%。而热材料相对于冷材料出现明显的截止能力增强效应。根据三种理论技术处理部分电离的材料:独立束缚态和自由电子组份的ad hoc组合,或利用非均匀WDM理论,或Bethe形式的有效电离势。

 

  图4. 冷,热靶下转换能量与多种理论对比图

  第一种情况,部分电离等离子体被分别近似处理为自由和束缚电子,该模型在图4中标记为B+F,在该范围,与实验结果近似相等。第二种情况,部分电离的材料采用AA-LDA模型处理,将其作为非均匀电子围绕在离子周围,如图4所示,与实验结果基本一致。最后,如图4b所示,与经典理想等离子体对比,即将其考虑为全电离的均匀等离子体,该模型与实验结果明显不符。

  总结,本篇文章报道了质子横向通过等容加热的WDM铍等离子体,实验表明了其相对于冷物质的增强阻止本领。通过应用高能质子,测量结果对温度和简并效应等并不敏感。实验结果对基础物理,以及重离子聚变,质子快点火,烧蚀材料的热斑点火等均有重要意义。      精确的理论研究带电粒子在稠密,简并,强耦合,部分电离的等离子体中的截止本领仍是一个挑战。

  田野摘译自:Measurement of Charged-Particle Stopping in Warm Dense Plasma, A. B. Zylstra et.al., PRL 114, 215002 (2015)

 

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