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1、激光等离子体相互作用中磁重联引起的等离子体与二次电流层生成的研究摘要：以尼尔逊物理学家、列托人，97, 255001，（2006）为代表的科学家首次 对等离子体相互作用引起的磁重联进行了研究，该研究在固体等离子体层上进 行，在两个激光脉冲中间设置一定间隔，在两个激光斑点之间可以发现一条细长 的电流层（CS），为了更加贴切的模拟磁重联过程，我们应该设置两个并列的目 标薄层。实验过程中发现，细长的电流层的一端出现一个折叠的电子流出区域， 该区域中含有三条平行的电子喷射线，电子射线末端能量分布符合幕律法则。 电子主导磁重联区域强烈的感应电场增强了电子加速，当感应电场处于快速移动 的等离子体状态时还会
2、进一步加速，另外弹射过程会引起一个二级电流层。正文：等离子体的磁重联与爆炸过程磁能量进入等离子体动能和热能能量的相互 转换有关。发生磁重联的薄层区域加速并释放等离子体1-5。实验中磁重联速 度与太阳能的观察结果大于Sweet-Parker与相关模型4-6的标准值，这是由霍 尔电流和湍流7-12引起的。二级磁岛以及该区域释放的等离子体可以提高磁重 联速度，当伦德奎斯特数S 10413时二级磁导很不稳定。这些理论预测值与近 地磁尾离子扩散区域中心附近的二级磁岛观察值相符14，激光束与物质的相互 作用的过程中，正压机制激发兆高斯磁场（ neXVTe）生成15-16。以尼尔 逊17为代表的科学家首次运
3、用两个类似的的激光产生的等离子体模拟磁重联 过程。尼尔逊17与Li18等人实验测量数据为磁重联的存在提供了决定性的 证据，他们运用了随时间推移的质子偏转技术来研究磁拓扑变化，除此之外尼尔 逊17等人观察到高度平行双向等离子喷射线与预期的磁重联平面成 40。夹 角。本次研究调查了自发磁场的无碰撞重联，激光等离子体相互作用产生等离子 体，为了防止磁场与等离子体连接在一起实验过程使用了两个共面有一定间隔的 等离子体。从电流片（Cs）流出的折叠等离子体的内侧边缘出现三条互相平衡的 电子喷射线（MeV）或是一块细长的电子扩散区域（EDRs）。局部感应电场与磁重 联时电流片释放的等离子团在内部快速转移加速
4、电子从而获得能量增益。当磁场 向前移动产生二级电流层时等离子体发挥调节作用，我们的实验结果与模拟数值 完全相符。实验过程用到SG-II激光仪器，基础设施与之前研究工作类似8,同一垂 直平面上两个0.7 X0.3 mwX50p m的薄铝内衬间隔150 - 240. m的距离。每 个点的入射激光强度O(10i5)Wcm-2，照射在每个等离子体上的激光能量为450J, 诺马斯基干涉仪放大倍率为3.5倍，测定波长为527nm,高斯半峰宽值为150ps 的探测激光束与目标平面垂直，判定激光产生等离子体的密度。一个偏振成像系 统可以用来观测等离子体剖面的自发射与反射联合，带通干涉滤光片(波长：5 321n
5、m )可用来限制离子的释放，三孔摄像机放大十倍可用来观察等离子体前 方、后方以及侧边放射的x射线，空间分辨率为60. m邻苯二甲酸氢钏水品光谱 仪用于观测等离子体的组成。图1 (a)、(b)分别是t=t0与t=t0+1.0ns时激光产生的等离子体干涉图像，彩图1.分别是Bns与t=to+1ns时的干涉图像七点设在达到激光脉冲最大值的一半大小的时刻点X到 X2为电子扩散区域，F标记了平流等离子体的边界。P1和P2(分别距离X2点1.16nm、1.75nm)代表了逐 渐扩大的扇形区域的起始点，该点的流出速度600Km/s,等离子体区域的扇形顶角为35 40。(c)是 等离子体的线性偏振图像。(d)
6、 PIC模拟效果图包括电流层密度，磁场线，二级电流层以及等离子粒团。 (e)是(c)的示意说明图，既粗又短的红色区域代表了初级和二级电流层中等离子体的流动方向。磁重联区域居于居于两个激光斑点间隔的中心17, 18,图1(c)是等离子体放 射的线性偏振图像，图1(d)是磁重联区域的上半部分，数据来源于对试验参数 的PIC数值模拟法(下面在做详细介绍)。图1(e)描绘了图1(c)的主要特征， 红色的线表示最亮的发射区域。图1和图2为磁重联在x-z平面的图像，x轴方 向为沿着两个激光斑点的方向，等离子体局部对流速度为2000km/s10，激光 斑点之间的电流区域(从x1到x2)长度是350p m。这
7、里有两个特征区域：R1 是一个扇形的(敞开角20 rec 600km/s，电流片的中心部分被拉长了，磁层鞘与相应的 数值模拟以及重联层的分界线20附近也发现了类似的喷射线19。图1所示的磁重联区域的上半部分包含很多复杂的重联过程，此时也有一个 等离子体的扇形流出区域。然而与之前的电流片有所不同，局部磁重联的过程伴 随着一个电流层。在二级电流层的一端有一个耀斑环在另一端有一个等离子粒 团，图1 （e）用一个环绕的粗粗的黑色虚线表示。在图中我们可以看到两片明 亮的区域（用红色实线标注）分别代表了等离子粒团的前导和末端，除此之外我 们还可以看到等离子粒团的末端与二级电流层相连。图1（d）的模拟图中也
8、可 以看到一个等离子粒团，这个等离子粒团产生于第一个电流层内部并且快速增 长。等离子粒团快速喷射导致磁场线重联，从而生成二级电流层并发生磁重联。 图1（c）的实验结果表明，运输运动模糊图像表明等离子粒团是向上运动的。等 离子体团的生成过程需要进一步更详细的研究，图1（c）中可识别的特征在图1（e）中也有所体现，往后也需要做进一步更加详细的研究，我们的实验结果支 持 Shepherd、Cassak21、Uzdensky、Loureiro 以及 Schekochihin22的观点， 同时对分析太阳能突变和天体物理事件起很有利用价值23, 24，等离子体团弹 射过程中磁重联区域上下不对称是不可避免的
9、，这是因为电流层时很不稳定的， 任意很小的干扰都会导致等离子体团的快速弹射。正如Uzdensky、Loureiro以 及Schekochihin22所说，等离子体的弹射过程是随机的。X射线与发射光谱图像更加具体的体现了初级电流层的的特征，图2是x射彩图2. 一个典型的x射线针孔图像，包含实验装置和两处相应磁场强度曲线的叠加图。电场扩散区域的 中心区域的x放射线最为明显宽度是85 um。在剖面L2处的两个中央发射峰分别对应着扇形区域的两侧的 电子放射线。线针孔图像，强烈的X射线来源于一个位于激光斑点之间充满稠密等离子体的狭长区域，柔和的X射线来源于扇形区域，狭长区域是离子扩散区域，直径为50M
10、m250p m竦钛合金线与目标平面平行可以判定初级电流层是正常的。如图2 所示在没有竦钛合金线的情况下等离子体喷射在出现在下表面，上表面被屏蔽，电流层的长度大约为50p m表明磁重联区域19的准二维(2D)性质，然而长期以 来等离子体系统很不规则，这是由横断面的不稳定引起的强烈的湍流状态12造 成的。图3(a)是共振谱线的空间分布决定了电子能量流出的横截面尺寸25， 图3 (b)是空间集成线光谱，尽管竦钛合金线还是处在激光产生的Al等离子体 的横向扩张路径中，钛等离子体的共振谱线仅仅出现在中段区域(80p m150p m)。由图1 (b)、图1 (c)和图1 (e)中偏下方的图像可知相互平行的
11、电子能 量喷射线已经形成了。钛的共振谱线的两边连续不断的喷射都是来源于铝等离子 体，吉文等人的实验模拟表明扇形磁重联区域的等离子体流出物与相互平行的电 子能量喷射线是由感应电场、电子惯性、洛伦兹力以及发散的动量通量的竞争和 平衡引发产生的19。然而为了更加详细的了解磁重联的物理过程，我们仍需要 做更多综合性的实验19, 20。彩图3. (a)钛丝(c)铝电流层，(b)和(d)钛和铝的典型光谱线以及使用非局部热力学平衡模型得到计 算结果，(e)由(d)得到的局部Al等立体的温度、密度，实线和虚线代表了等离子体的电子密度、温度， 这些数据来源于水动力学准则。这张图体现了相关的实验部件。图3(C)还
12、表明Al等离子体喷射氦a射线与铅合金a射线，图3 3)是随 空间转变的线光谱，Al在自由膨胀的边缘的x射线光谱，图3 (口沿着P3我们 看到的是一条清晰的氦a射线的另外还有一条模糊的铅合金a射线。从非局部热 力学平衡计算，我们发现等离子体区域的温度为440eV，密度为2.5X10i9cm-3这 与干涉测量值一致。等离子体中心放射的x射线光谱，图3 (c)中沿着P1我们 可以清晰的看到一条饱和的氦a射线与一条相对较粗的铅合金a射线，除此之外 还可以看到譬如锂离子等的一些离子放射出来的伴随射线，说明了一个电子温度 温度是570eV，密度是4.8X10i9cm-3，后者是前者的两倍。图3 (e)是通
13、过实验 与水动力计算得到的电子的温度与密度，电子能量喷射线作用于钛丝释放钛等离 子体，钛等离子体的温度是2300100eV密度是3.20.5 X 1023cm-3，无论是温 度还是密度都比扩散区域的高，这是因为平行射流电子的射流速度远远大于600 Km/s。电子和离子惯性长度计算值为djc/3 pe=0.77-1.06p m，d.=c/w pe大约是5 4-75p m，上式中c代表光速3归（3代表电子（离子）等离子体的频率，七 是电子密度为（2.5-4.8）X10i9cm-3，离子电荷平均值Z为10。图2中离子扩散 区域的宽度是85p m试惯性长度的11.5倍。EDRs对光子能量范围的变化十分
14、 敏感的宽度可由两个方法得到，如图2所示当电位大于1.5KeV时x射线的小孔 图像可以观测出EDRs的宽度分别是7p m和15p m，惯性长度为10-15p m.从另 一个角度来说，入为532nm时的偏振放射图像可以观测到三条EDRs的宽度为55 p m。两种测量方法得到两个不同的EDRs宽度值表明EDRs中心区域的温度比边 远地区我的温度高。当入eMFP为114p m时电子平均自由路径大于电流层宽度。 离子渗透深度与Sweet-Parker宽度比例为10 1，因此在快速重联的过程中霍 尔效应的影响最为明显26，二次碰撞对电流层的影响可忽略不计，同时假定二 次碰撞对PIC模拟系统的影响为0。下
15、文会对等离子体的磁重联区域的具体特征 以及B0值为3.75MG的磁场分界线进一步推断，如图1所示假定Alfven的上线 速度VA为720Km/s，实际测量所得两侧EDRs射线的速度为600Km/s近似等于计 算值，虽然中心区域EDR射线放射起始点晚于两侧射线起始点但是放射速度很快 能够很快追上两侧区域的放射线。我们通过对实验效果有明显影响的参数的考察开展磁重联区域的PIC二维 模拟过程，除此之外还考察了较大电子质量（m/me=100）以及相对较低的光速（c /V=30）对实验效果的影响27，以哈里斯电流层的离子惯性长度为初始状态， A实验是在一个Lx X Lz=12.8di X 102.4di
16、的模拟箱中进行，磁场强度By=0.2B0， B0是磁场剪切力的来源用来模拟磁场的拓扑结构。在初始状态下，等立体的温度 Ti0=Te0=0.011mec2，p 0=0.2，图1 （d）是一个模拟的电流密度分布图，包括了磁 重联区域上半部分的jy （标注色为蓝色）与几条典型的磁力线（黑线），同时我 们还可以看到等离子粒团分别与弯曲的磁场线以及二级电流层相连。但需要指出 的是由于受到实验设备的限制，我们的模拟系统并不包含激光与等离子体相互作 用的初始阶段。事实上，此次模拟实验仅仅模拟了磁重联区域的中心地带。实验过程中用到磁谱仪来观测扩散区域的电子能量喷射线28。在电子射线 电子能量可达到几兆电子伏且
17、电子射线的高能末端的能量达到2MeV (侧谱仪的 最大量程)时遵从幕律缩放定律，除此之外我们还估算到同步加速器辐射电子所 含能量(见图1(c)，相对论性电子在磁重联区域以及霍尔效应区域旋转，最 大电能 max与线性偏振同步加速器辐射的最大波长入max相关， max=meC2(2.5X10 -2B0) 1/2，相应的电子回转半径是rg=1.70X 103( max/0.511)2-1.0i/2/B0。假设电 子扩散区域的宽度为55p m，最大波长入为532nm，相对论性电子的实测能量max为5.2MeV，重联磁场的磁感应强度为375T。数值模拟和分析表明磁重联产生新 的电场加速电子从而生成很高的
18、电能27, 29-31。电子在100ps内获得1兆电 子伏能量图1 (c)中防止被电浆膨胀污染，又见17, 18，电场强度为108V/ m，由法拉第定律可知在0.1ns内电场的重联过程中几十特斯拉磁场消失了，或 者说磁场重联的比率是个无穷小量，与磁重联霍尔效应的比率一致tan(0 )在 rec 0.25-0.35之间，这个数据来源于对图1中局部磁消耗楔角20戏的测量，相应 加速区的长度为1cm。被屏蔽在等离子体内的具有一定初速度的电子多次反弹直 全在获得足够能量逃逸32，因此，磁重联电场以及捕获等离子粒团都有利于对 高能电子的特征的观测。总的来说，两个并列的Al电流层是引起磁重联的必备条件。实
19、验过程发现 电流层产生并释放磁重联等离子体，随着等离子体快速的扩散开来于是形成了重 联磁场并形成一个二级电流层以及耀斑环，初级磁重联包含一个扇形等离子体流 出区域，在这个扇形区域中出现相互平行的电子喷射线。实验结果与理论预测一 致，理论预测对象为不稳定电流层产生的异常等离子团，这一结论可用来解释太 阳耀斑的生成机理，模拟系统表明向导区域促使等离子体以及二级电流层快速生 成。除此之外，实验结果还说明了另外一个问题合理的设计激光与等离子体 的相互作用为实验室模拟天文和天体物理学的高能量密度现象提供了有利条件。该项研究同时得到了中国国家自然科学基金会(No.11121504，No.1083500 3
20、, No.11074297)，中科院项目No. KJCX2-YWT01，中国国家基础研究项目(No.2008CB717806)的大力支持。同时我们还要感谢激光核聚变研究中心的所有工 作人员，高功率激光实验室的所有工作人员以及所有对我们有所帮助的物理学家们。参考文献1 E. N. Parker, J. Geophys. Res. 62, 509 (1957).2 P. Sweet, in Electromagnetic Phenomena in Cosmical Physics, edited by B. Lehnert (Cambri ge University Press, Cambridg
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25、e et al. , Phys. Rev. Lett. 105, 095001 (2010) .11 W. Fox, A. Bhattacharjee, and K. Germaschewski, Phys.Rev. Lett. 106, 215003 (2011) .12 G. Lapenta and L. Bettarini, Europhys. Lett. 93, 65 001(2011) ; W. Daughton, V. Roytershte yn, H. Karimabadi, L.Yin, B. J. Albright, B. Bergen, and K. J. Bowers,N
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33、5).29 J. F. Drake, M. A. Shay, W. Thongthai, and M. Swisdak, Phys. Rev. Lett. 94, 095001 (2005)30 P. L. Pritchett,Geophys. Res. Lett.33, L13 104 (2006).31 J. F. Drake, M. Swisdak, H. Che, and M. A. Shay, Nature (London) 443, 553 (2006).32 Y. Wang, F. S. Wei, X. S. Feng, S. H. Zhang, P. B. Zuo, and T. R. Sun,Phys. Rev. Lett. 1 05, 195007 (2010).
