物理學(xué)論文-湯姆孫散射：等離子體參數(shù)診斷的強(qiáng)大工具.doc

物理學(xué)論文-湯姆孫散射：等離子體參數(shù)診斷的強(qiáng)大工具摘要:湯姆孫散射是低能光子與自由電子之間的彈性散射.因?yàn)闇穼O散射光譜攜帶著等離子體漲落的信息，通過(guò)測(cè)量湯姆孫散射光譜可以高精度地測(cè)量等離子體的多種參數(shù)，如電子溫度、電子密度、等離子體流速等等.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，湯姆孫散射已經(jīng)成為等離子體物理研究中最重要的一種診斷工具.關(guān)鍵詞:Thomsonscattering:apowerfuldiagnostictoolofplasmaphysicsZHENGJianYUChang|Xuan(KeyLaboratoryofBasicPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026,China)AbstractThomsonscatteringistheprocessinwhichalow|energyphotonscattersfromafreeelectron.Whenalaserpulsepropagatesthroughaplasma,thespectrumofthescatteredlightduetotheThomsonscatteringisproportionaltothepowerspectrumoftheelectrondensityfluctuations,i.e.,dynamicformfactor,fromwhichvariousplasmaparameterscanbeinferred,suchaselectrontemperatureandplasmaflowvelocity.Afteryearsofdevelopment,Thomsonscatteringhasnowbecomeapowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics.Keywordsplasmaphysics,Thomsonscattering,dynamicformfactor,plasmadiagnostics1精確測(cè)量等離子體的狀態(tài)參數(shù)是深入研究等離子體物理過(guò)程的基本前提之一.對(duì)于高溫高密度的等離子體，由于受到可接近性的限制，實(shí)驗(yàn)室常用的主動(dòng)診斷手段（如探針）是無(wú)法接近需要探測(cè)的等離子體的.當(dāng)然也有其他被動(dòng)診斷方式可以提供眾多等離子體參數(shù)的測(cè)量手段，如X射線能譜測(cè)量.相對(duì)被動(dòng)診斷手段，湯姆孫散射作為一種主動(dòng)診斷手段有其獨(dú)特的一面：它可以高時(shí)空分辨地測(cè)量等離子體參數(shù)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋相對(duì)簡(jiǎn)單，即散射光譜以比較直接的方式與等離子體參數(shù)有關(guān).后者特別重要，因?yàn)橛行┰\斷方法嚴(yán)重依賴于對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的解釋和處理，導(dǎo)致獲得的等離子體參數(shù)的置信度較低.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，特別是由于激光技術(shù)以及高速高靈敏度探測(cè)器的進(jìn)步，湯姆孫散射已經(jīng)逐漸演化成為慣性約束聚變等離子體的標(biāo)準(zhǔn)診斷手段，成為精確研究等離子體行為的強(qiáng)大工具.20.511MeV）與低能自由電子之間的彈性散射.該過(guò)程的經(jīng)典物理圖像是，在入射電磁波場(chǎng)中振蕩的電子發(fā)射電磁波散射電磁波.若電子有一運(yùn)動(dòng)速度v，散射電磁波的頻率將不同于入射電磁波的頻率，其差別為這里k=ks-k0是散射波的波矢與入射電磁波的波矢之差，稱(chēng)為散射差矢.由這個(gè)簡(jiǎn)單的公式可以看到，散射電磁波攜帶了電子的運(yùn)動(dòng)信息，這就是湯姆孫散射可以用來(lái)診斷等離子體的基本原因.當(dāng)然，當(dāng)我們采用湯姆孫散射診斷等離子體時(shí)，我們測(cè)量到的散射光譜來(lái)自許多電子產(chǎn)生的散射電磁波的相干疊加.疊加的結(jié)果是，散射光譜與電子密度漲落功率譜成正比，d2Pdd=NeI0r2esin2S(k,)這里S(k,)就是所謂的動(dòng)力學(xué)形狀因子，它是電子密度漲落自相關(guān)函數(shù)的譜密度；I0是入射電磁波的功率密度；Ne是發(fā)生湯姆孫散射的電子數(shù)；re是經(jīng)典電子半徑；是入射電磁波的極化方向與散射波矢之間的夾角.若電子彼此之間是完全無(wú)關(guān)的，那么散射光譜就是各個(gè)電子散射光譜的簡(jiǎn)單相加，此時(shí)散射光譜反映了電子在散射差矢方向上的速度分布.若等離子體中存在集體運(yùn)動(dòng)，電子之間不是彼此完全相互無(wú)關(guān)的，干涉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致散射光譜在相應(yīng)于等離子體集體運(yùn)動(dòng)模式的頻率和波矢處出現(xiàn)尖銳的極大值.對(duì)于無(wú)磁化的等離子體，我們知道等離子體中的集體運(yùn)動(dòng)模式有兩個(gè)：高頻的電子等離子體波和低頻的離子聲波.這兩種集體運(yùn)動(dòng)模式的色散關(guān)系為2epw=2pe(1+3k22De),2ia=11+k22DeZTemi+3Timi,這里pe是朗謬爾振蕩頻率，De是電子德拜長(zhǎng)度，Te,i是電子/離子溫度，Z是離子電荷數(shù)，mi是離子溫度.經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)安排，以滿足k22De1，那么我們就能夠從散射光譜中獲得電子密度ne以及電子密度與離化態(tài)乘積ZTe的信息.此外，散射光譜的寬度與集體運(yùn)動(dòng)模式的阻尼有關(guān)，而阻尼也取決于等離子體的狀態(tài)參數(shù)，因此通過(guò)散射光譜的寬度，原則上也可以推斷出等離子體的參數(shù).例如，通過(guò)電子等離子體波的散射光譜的寬度，可以測(cè)量電子溫度Te.3中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)基礎(chǔ)等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究小組與中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心的同事們同心協(xié)力，先后在“星光II”裝置13和“神光II”裝置4,5上完成了湯姆孫散射實(shí)驗(yàn).圖1是“星光II”裝置上的實(shí)驗(yàn)安排示意圖3.實(shí)驗(yàn)中，我們采用波長(zhǎng)為351nm的激光脈沖輻照金平面靶，產(chǎn)生等離子體,采用波長(zhǎng)為526.5nm的激光脈沖作為湯姆孫散射探測(cè)束.主激光的能量在100J左右，探針束的能量在10J左右.我們得到的典型湯姆孫散射光譜如圖2(a)所示.由于采用了具有高時(shí)間分辨的探測(cè)設(shè)備，得到的是隨時(shí)間的演化湯姆孫散射光譜，由此我們可以得到等離子體參數(shù)隨時(shí)間的演化.在“神光II”裝置上，我們進(jìn)一步利用湯姆孫散射測(cè)量了腔靶等離子體的狀態(tài)參數(shù)5.實(shí)驗(yàn)安排如圖3所示.在圓柱形腔靶的側(cè)壁上，我們開(kāi)設(shè)了一個(gè)探針光注入口，散射光由圓柱的端面出射.由于封閉的幾何位形，腔靶內(nèi)等離子體的離子溫度一般要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平面靶產(chǎn)生的等離子體的離子溫度.導(dǎo)致湯姆孫散射光譜嚴(yán)重展寬，以至于兩個(gè)離子聲波散射峰融合，如圖4所示.4本文回顧了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等離子體物理學(xué)科點(diǎn)在湯姆孫散射方面的實(shí)驗(yàn)研究工作的主要結(jié)果.對(duì)于該項(xiàng)診斷技術(shù)的掌握，使我們對(duì)激光聚變等離子體的演化有了更加深入的了解，有助于我們精確預(yù)言激光等離子體的行為.致謝本文報(bào)告的工作是多人共同努力協(xié)作的結(jié)果.作者對(duì)以下人員的貢獻(xiàn)表示感謝：白波、王哲斌、蔣小華、李文洪、劉永剛、曹柱榮、丁永坤、鄭志堅(jiān)等，同時(shí)感謝中國(guó)工程物理研究院激光聚變中心的制靶人員，“星光II”裝置全體運(yùn)行人員，以及“神光II”裝置全體運(yùn)行人員.1BaiB,ZhengJ,YuCXetal.Chin.Phys.Lett.,2001,18：9362ZhengJ,BaiB,LiuWDetal.Chin.Phys.Lett.,2001,18:13773BaiB,ZhengJ,LiuWDet