文|鲸探所
编辑|鲸探所
前言
在韦贝尔不稳定性的情况下，我们有一个具有各向异性粒子速度分布函数的等离子体系统。
这种各向异性可能是由于不同方向的不同温度或流速而产生的，各向异性导致等离子体中产生电流，类似于载流电线。
考虑到两种离子由于速度或温度不同而沿相反方向移动（就像电线类比中的相反电流），这些离子将因其运动而在其轨迹周围产生磁场（类似于载流电线周围的磁场）。
这些磁场将在两种离子种类之间相加，从而在它们重叠的区域内产生相对较大的磁场。
在该区域之外，两种离子物质产生的磁场将沿相反方向并相互抵消，从而导致远离相互作用区域的磁场较小。
总之，由于等离子体中各向异性的粒子速度分布，韦贝尔不稳定性导致磁场的产生。
不同离子种类产生的电流之间的相互作用类似于电线中电流的相互作用，这导致重叠区域中的磁场增强并消除远离它的磁场。
利用激光进行的天体物理无碰撞冲击实验介绍
当讨论等离子体中的碰撞性（collisionality）时，我们关注的是电子在等离子体中的碰撞过程，碰撞性是指在等离子体中，电子与其他粒子（比如离子）相互碰撞的频率和强度。
在高温等离子体中，电子与其他粒子的碰撞过程起着关键作用，影响等离子体的行为和性质。
根据描述，我们设计了一个基于流体力学的磁流体力学（MHD）框架，用于模拟等离子体中的现象。
这个框架基于电子是碰撞性的这一事实，因此可以使用诸如FLASH等流体力学代码来模拟电子的运动。
研究的实验平台称为ACSEL（也许是某个实验设备或装置），并且对高Mach数（Mach数是流体速度与声速之比）的激波进行了变化研究。
在完全非磁化到弱磁化的情况下，仍然会在激波前沿产生Weibel不稳定性，Weibel不稳定性是指等离子体中磁场纤维的增长，是由于电子速度分布的非均匀性引起的。
在这项研究中，为了探究ACSEL平台对靶材料性质和靶间距离的敏感性，为此还使用了塑料（CH）、铝（Al）和铜（Cu）靶材，并在靶间距离从5毫米到8毫米范围内进行了变化。
这些变化可以让研究人员研究不同平均自由程对碰撞性的影响。
实验设置
在 ACSEL 的这次迭代中，实验是在 Omega 激光系统上进行的。
该实验涉及两组波长为 λ = 0.351 µm 的 Omega 激光束，这些激光束用于驱动两个目标。
目标上的光斑尺寸约为 300 µm，使用的激光能量约为 3300 J（目标之间间隔 8 mm）或约 2800 J（目标间隔 5 mm），激光脉冲形状为持续1 ns的方脉冲，激光强度约为4 × 10^15 W/cm^2。
激光照射的结果是，两个热激光产生的等离子体 (LPP) 羽流从每个目标的表面超音速膨胀，这些羽流最终在实验装置的中平面处相遇，靠近靶室中心（TCC），羽流碰撞的这个区域是这项研究特别感兴趣的。
为了表征该区域，研究人员使用了两种诊断技术，即光学汤姆逊散射（OTS）和质子成像。
OTS 涉及等离子体中自由电子的激光散射，以测量电子密度、温度和流速，另一方面，质子成像利用等离子体发射的高能质子来研究磁场和等离子体不稳定性。
通过采用这些诊断方法，研究人员可以获得有关等离子体行为、LPP羽流相互作用以及目标室中心附近区域韦贝尔不稳定性发展的宝贵见解。
这种实验方法允许使用各种目标材料和它们之间的距离来详细研究 ACSEL 平台中的碰撞效应和高马赫数冲击的动力学。
为了捕获质子成像数据，使用一组单独的激光束来使充满 D3He 的胶囊内爆，这种内爆发生在来自两个目标的相反等离子体流到达目标室中心（TCC）之后。
内爆的结果是产生准均匀的单能质子流，这些质子的能量约为 15 MeV，源尺寸半峰全宽 (FWHM) 约为 45 µm。
对于目标间距为 5 毫米和 8 毫米的情况，生成的质子以不同的时间间隔（分别约为 3.5 ns 和 4.5 ns）穿过相互作用区域。
在穿过等离子体的过程中，质子由于韦贝尔丝化而被等离子体中存在的电磁场偏转，然后将这些偏转的质子记录在距离质子源 30 厘米处的 CR39 探测器上，成像系统提供 30 的放大倍数。
通过分析CR39探测器记录的数据，研究人员可以观察和研究偏转的质子轨迹，这提供了有关等离子体中韦贝尔不稳定性产生的电磁场的存在和特征的有价值的信息。
这种质子成像技术可作为一种重要的诊断工具，用于了解实验装置中 Weibel 丝化的行为以及 ACSEL 平台上高马赫数冲击中的碰撞效应。
在实验中考虑的低密度等离子体条件下，库仑散射可以忽略不计，这意味着质子由于与等离子体中其他粒子的库仑相互作用而发生的散射可以忽略不计。
因此，归一化质子注量图像中任何与统一的偏差都可以归因于等离子体中电磁场的存在。
成像技术中使用的质子束的发散度，提供了对由离子韦贝尔不稳定性产生的电流丝周围的局部方位磁场的敏感性，离子-韦贝尔不稳定性是等离子体中丝状结构形成的原因，主要与流轴对齐。
我们观察到的不对称垂直偏转，可能是由激光束与等离子体目标相互作用产生的平流场结构引起的，这些场结构对实验中平面上方和下方韦贝尔不稳定性的演化影响极小。
换句话说，这些平流场结构不会显着干扰目标室中心附近感兴趣区域中韦贝尔不稳定性的发展和行为。
在单能质子轨迹中观察到的偏转，包含有关当它们穿过韦贝尔细丝产生的磁场时路径积分磁场强度的信息。
在这种质子成像配置中，路径积分磁场测量的“森林效应”可用于通过傅里叶分析来表征韦贝尔细丝的尺寸，但这仅在线性偏转状态下有效，并且当磁场强度 (B) 小于或等于约 0.5 MG（兆高斯）。
为了进一步表征靶室中心（TCC）的等离子体条件，使用时间分辨集体光学汤姆逊散射（OTS）技术测量电子密度（ne）和电子温度（Te）。
在 OTS 设置中，波长为 0.527 µm、能量为 40 J 的 1 ns 方形脉冲在中平面中心聚焦到尺寸约为 70 µm 的光斑。
汤姆逊散射光由 f/10 光学镜头收集、分散并暂时解析到条纹相机上，等离子体中的散射体积（对应于观察区域）在靶室中心 (TCC) 处约为 10^(-3) mm^3。
对于 5 毫米和 8 毫米的情况，OTS 测量分别在大约 2.5–5 ns 和 5–6 ns 时进行，捕获实验期间不同时间间隔的等离子体条件。
在中平面处两个等离子体流之间的区域中，离子被认为是无碰撞的，平均自由程 (λmfp) 大于约 100 mm。
L 代表两个箔之间的距离，在实验设置中为 5 毫米或 8 毫米。
另一方面，该区域中的电子是碰撞的，并且与离子相比具有小得多的平均自由程，结果电子迅速使其流速各向同性，与等离子体达到热平衡。
这种行为之前已在实验中观察到，并在细胞内粒子 (PIC) 计算中得到证实。
由于电子的高碰撞性，电子密度和温度的流体动力学特征可以准确可靠地描述相互作用期间中平面内等离子体的行为。
换句话说，为了了解中平面区域的等离子体动力学，可以使用流体动力学方程对电子流进行良好建模。
例如基于流体的磁流体动力学 (MHD) 代码（如 FLASH）中使用的方程，这使得研究人员能够使用基于流体的 MHD 模拟来准确地表示电子动力学、电子密度和温度，从而更容易在实验平台中研究韦贝尔丝化和高马赫数激波等现象。
通过结合从质子成像和时间分辨OTS获得的信息（分别主要表征磁场和等离子体条件），可以全面了解中面区域的等离子体行为。
推断出的磁场强度
在该研究中，使用从 FLASH 模拟获得的随时间变化的等离子体条件进行线性稳定性分析 (LSA)。
LSA 的目标是展示 Weibel 细丝的预期尺寸如何随时间变化。使用考虑碰撞电子和流内离子的色散关系，将线性增长率 (Г(k)) 计算为模数 (k = 2π/λ) 的函数，同时假设流间离子为无碰撞。
FLASH 模拟报告的密度和速度是在所有时间步长上以目标室中心 (TCC) 为中心的控制体积上的平均值。
等离子体的电荷状态 Z 近似为常数，使用电子温度 (Te) 的 OTS 测量值进行估计，饱和波长 Λsat 是通过在 FLASH 模拟中的每个时间步找到数量 Л^2k^(-1) 的最大值来确定的。
例如，在CH-8mm在2 ns和3 ns的情况下，发现饱和波长Λsat在2 ns附近相对较大，因为激光产生等离子体 (LPP) 前沿的低密度等离子体（大离子惯性长度 δi）。
随着密度较高的材料（小离子惯性长度 δi）进入中平面，饱和波长 Λsat 减小，CH-8mm 情况下的线性饱和模式的增长率（表示为 Γsat）。
结果表明，初始线性生长时间约为 300-500 ps，预期饱和磁场强度平均约为 2-3 T。
线性稳定性分析 (LSA) 表明，作为时间函数的主要 Weibel 细丝尺寸存在预期的变化，为了解释这种时间变化，研究人员将平均 Weibel 波长 ⟨Λsat.⟩ 定义为 Λsat 的时间平均值
两种不同平均场景的 LSA 计算结果显示，在第一种情况下，平均值取自第一个线性增长时间，大约为 300-500 ps。
在第二种情况下，取直到执行质子成像时的平均值，当平均到质子时间时，相对于早期无碰撞相互作用，较高的等离子体密度会降低预期的韦贝尔波长。
在任一情况下可以观察到，当改变材料或两个箔之间的间隔距离时，韦贝尔不稳定性的预期主模式保持相对不变。
换句话说，材料特性和目标之间的距离对韦贝尔细丝的主模没有显着影响。
然而值得注意的是，对于铜的情况，稍后测量的密度大约是 FLASH 模拟预测的密度的十倍或更高。
结论
从这项工作中，可以确定以下结论：
实验光学汤姆逊散射 (OTS) 结果与塑料和铝基准 FLASH 模拟获得的值非常吻合。
具体来说，实验测量的电子密度 (ne) 和电子温度 (Te) 与从模拟中检索到的值非常匹配。
对于目标之间距离为 5 mm 的情况，ACSEL 团队发现 ne ∼ 20.0 × 10^18 cm^(-3) 和 Te ∼ 600 eV。
对于靶材间距为 8 mm 的情况，测得的电子密度为 ne ∼ 5.0 × 10^18 cm^(-3)，电子温度为 Te ∼ 500 eV。
这些结论表明，实验测量和基准 FLASH 模拟非常一致，为模拟结果的准确性和有效性提供了信心。
根据实验数据对模拟进行成功的基准测试，使研究人员能够在考虑不同的目标材料和目标之间的间距的情况下，对 ACSEL 平台中的等离子体行为和 Weibel 不稳定性做出可靠的预测。
参考文献：
【1】《由于各向异性的速度分布而在等离子体中自发生长的横向波》。
【2】《等离子体物理学导论：具有空间和实验室的应用》。
【3】《两个反传播等离子体流的离子威贝尔不稳定性的碰撞效应》。
【4】《一种用于天体物理热核闪光建模的自适应网格流体动力学代码》。
【5】《质子射线照相实验的源表征和建模发展》。
