等离子体参数诊断的强大工具_教学参考-查字典物理网

摘要:汤姆孙散射是低能光子与自由电子之间的弹性散射.因为汤姆孙散射光谱携带着等离子体涨落的信息,通过测量汤姆孙散射光谱可以高精度地测量等离子体的多种参数,如电子温度、电子密度、等离子体流速等等.经过多年的发展,汤姆孙散射已经成为等离子体物理研究中最重要的一种诊断工具.

关键词:等离子体物理,汤姆孙散射,动力学形状因子,等离子体参数

Thomson scattering: a powerful diagnostic tool of plasma physics

ZHENG JianYU Chang|Xuan

(Key Laboratory of Basic Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China,Hefei 230026, China)

AbstractThomson scattering is the process in which a low|energy photon scatters from a free electron. When a laser pulse propagates through a plasma, the spectrum of the scattered light due to the Thomson scattering is proportional to the power spectrum of the electron density fluctuations, i.e., dynamic form factor, from which various plasma parameters can be inferred, such as electron temperature and plasma flow velocity. After years of development, Thomson scattering has now become a powerful diagnostic tool of plasma physics. 

Keywordsplasma physics, Thomson scattering, dynamic form factor, plasma diagnostics

1 引言

精确测量等离子体的状态参数是深入研究等离子体物理过程的基本前提之一.对于高温高密度的等离子体,由于受到可接近性的限制,实验室常用的主动诊断手段(如探针)是无法接近需要探测的等离子体的.当然也有其他被动诊断方式可以提供众多等离子体参数的测量手段,如X射线能谱测量.相对被动诊断手段,汤姆孙散射作为一种主动诊断手段有其独特的一面:它可以高时空分辨地测量等离子体参数,且实验结果的解释相对简单,即散射光谱以比较直接的方式与等离子体参数有关.后者特别重要,因为有些诊断方法严重依赖于对实验数据的解释和处理,导致获得的等离子体参数的置信度较低.经过多年的发展,特别是由于激光技术以及高速高灵敏度探测器的进步,汤姆孙散射已经逐渐演化成为惯性约束聚变等离子体的标准诊断手段,成为精确研究等离子体行为的强大工具.

2 汤姆孙散射的基本原理

汤姆孙散射是低能光子(光子能量远远小于0.511MeV)与低能自由电子之间的弹性散射.该过程的经典物理图像是,在入射电磁波场中振荡的电子发射电磁波——散射电磁波.若电子有一运动速度v,散射电磁波的频率将不同于入射电磁波的频率,其差别为

这里k=ks-k0是散射波的波矢与入射电磁波的波矢之差,称为散射差矢.由这个简单的公式可以看到,散射电磁波携带了电子的运动信息,这就是汤姆孙散射可以用来诊断等离子体的基本原因.当然,当我们采用汤姆孙散射诊断等离子体时,我们测量到的散射光谱来自许多电子产生的散射电磁波的相干叠加.叠加的结果是,散射光谱与电子密度涨落功率谱成正比,

d2PdωdΩ=NeI0r2esin2θS(k,ω)

这里S(k,ω)就是所谓的动力学形状因子,它是电子密度涨落自相关函数的谱密度;I0是入射电磁波的功率密度;Ne是发生汤姆孙散射的电子数;re是经典电子半径;θ是入射电磁波的极化方向与散射波矢之间的夹角.若电子彼此之间是完全无关的,那么散射光谱就是各个电子散射光谱的简单相加,此时散射光谱反映了电子在散射差矢方向上的速度分布.若等离子体中存在集体运动,电子之间不是彼此完全相互无关的,干涉效应会导致散射光谱在相应于等离子体集体运动模式的频率和波矢处出现尖锐的极大值.对于无磁化的等离子体,我们知道等离子体中的集体运动模式有两个:高频的电子等离子体波和低频的离子声波.这两种集体运动模式的色散关系为

ω2epw=ω2pe(1+3k2λ2De) ,ω2ia=11+k2λ2DeZTemi+3Timi ,

这里ωpe是朗谬尔振荡频率,λDe是电子德拜长度,Te,i是电子/离子温度,Z是离子电荷数,mi是离子温度.经过适当的实验安排,以满足k2λ2De1 ,那么我们就能够从散射光谱中获得电子密度ne以及电子密度与离化态乘积ZTe的信息.此外,散射光谱的宽度与集体运动模式的阻尼有关,而阻尼也取决于等离子体的状态参数,因此通过散射光谱的宽度,原则上也可以推断出等离子体的参数.例如,通过电子等离子体波的散射光谱的宽度,可以测量电子温度Te.

3 汤姆孙散射实验结果

中国科学技术大学基础等离子体物理重点实验室的研究小组与中国工程物理研究院激光聚变研究中心的同事们同心协力,先后在“星光II”装置[1—3]和“神光II”装置[4,5]上完成了汤姆孙散射实验.图1是“星光II”装置上的实验安排示意图[3].实验中,我们采用波长为351nm的激光脉冲辐照金平面靶,产生等离子体,采用波长为526.5nm的激光脉冲作为汤姆孙散射探测束.主激光的能量在100J左右,探针束的能量在10J左右.

我们得到的典型汤姆孙散射光谱如图2(a)所示.由于采用了具有高时间分辨的探测设备,得到的是随时间的演化汤姆孙散射光谱,由此我们可以得到等离子体参数随时间的演化.

在“神光II”装置上,我们进一步利用汤姆孙散射测量了腔靶等离子体的状态参数[5].实验安排如图3所示.在圆柱形腔靶的侧壁上,我们开设了一个探针光注入口,散射光由圆柱的端面出射.由于封闭的几何位形,腔靶内等离子体的离子温度一般要远远高于平面靶产生的等离子体的离子温度.导致汤姆孙散射光谱严重展宽,以至于两个离子声波散射峰融合,如图4所示.

4 总结

本文回顾了中国科学技术大学等离子体物理学科点在汤姆孙散射方面的实验研究工作的主要结果.对于该项诊断技术的掌握,使我们对激光聚变等离子体的演化有了更加深入的了解,有助于我们精确预言激光等离子体的行为.

致谢本文报告的工作是多人共同努力协作的结果.作者对以下人员的贡献表示感谢:白波、王哲斌、蒋小华、李文洪、刘永刚、曹柱荣、丁永坤、郑志坚等,同时感谢中国工程物理研究院激光聚变中心的制靶人员,“星光II”装置全体运行人员,以及“神光II”装置全体运行人员.

参考文献

[1] Bai B, Zheng J, Yu C X et al. Chin. Phys. Lett.,2001, 18: 936

[2] Zheng J, Bai B, Liu W D et al. Chin. Phys. Lett. ,2001, 18: 1377

[3] Bai B, Zheng J, Liu W D et al. Phys. Plasmas, 2001, 8: 4144

[4] Wang Z B, Zheng J, Zhao B et al. Phys. Plasmas,2005, 12: 082703

[5] Zheng J, Wang Z B, Yu C X et al. Journal of Physics: Conference Series, 2008, 112: 022040

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