激光驱动的脉冲磁场研究及其在实验室天体物理中的应用

发布时间：2020-05-12 09:43

【摘要】：磁场是现代科学研究中一个不可或缺的重要工具,在等离子体物理,天体物理,材料科学和原子分子物理等研究中具有重要意义。而磁场强度的每次提升,都会给人们带来一些新的发现,比如,在1985年和1998年分别获得诺贝尔物理奖的“量子霍尔效应”和“分数量子霍尔效应”。自19世纪初,脉冲强磁场技术凭借其强度高,技术相对容易的优势,获得了比稳态磁场更加广泛的关注。目前,利用传统磁体技术获得的百特斯拉量级的强磁场,由于存在巨大的磁应力,所以通常都是破坏性的,不可重复使用。近年来,利用激光驱动的脉冲强磁场,因其强度高,简单易行等优点,也引起了广泛关注。本论文不仅提出了一种利用强激光驱动的脉冲磁场的新方法,还探索了不同激光条件下的脉冲磁场特点,并且尝试将激光驱动的脉冲磁场应用到实验室天体物理中。首先,在上海光机所神光II高功率激光装置上,我们提出一种利用强激光辐照开环线圈靶,由冷电子回流产生脉冲强磁场的方法,并在线圈中心获得了最高205 T的强磁场。这种方法原理清晰,简单易行。为了验证模型的正确性,我们在中国工程物理研究院激光聚变中心的星光III激光装置上,利用皮秒激光辐照铜薄膜靶产生的高能质子束对线圈靶附近的磁场进行直接探测,由质子的偏转方向,我们推断出实验中产生脉冲强磁场是由冷电子回流驱动的。此外,我们在实验中更改了激光光强和波长,研究了不同激光条件下的脉冲磁场强度和能量转化效率,我们发现磁场强度与~2成正比,并且在~2相近时,在长波长的激光作用下,脉冲磁场的能量转化效率更高,这可能与等离子体的不稳定性有关。其次,为了追求更高重频,更短脉宽的脉冲磁场,我们在中国科学院物理研究所20 TW激光装置上,利用飞秒激光与开环线圈靶相互作用,获得了上升沿仅有~20.8 ps,持续时间~77.6 ps的超快脉冲磁场。为了测量这一超快脉冲磁场,我们提出一种利用啁啾脉冲作为探针光的法拉第旋转测量方法,这种方法时间分辨率高,不易受电磁干扰的影响,简单易行,并且单发测量即可获得超快脉冲磁场的完整时间演化波形。通过探针光经过磁场之后的偏振旋转方向,验证了相对论飞秒激光驱动的超快脉冲磁场也是由冷电子回流引起的。再次,由于相对论皮秒激光与物质相互作用的过程中,超热电子的能量转化效率很高,所以,为了获得更高的磁场能量转化效率,我们在英国卢瑟福实验室的VULCAN激光装置上,利用大能量的皮秒激光与线圈靶相互作用,在线圈中心产生了~40 T的强磁场,能量转化效率达到迄今最高的35%。并且,通过特殊的靶型设计,我们发现这一强磁场可以用来调控超热电子的发射方向。最后,我们在神光II激光装置上,利用八路激光辐照Omega线圈靶,由冷电子回流在线圈轴向形成很强的轴向磁场。由于线圈表面被离化,产生大量等离子体向线圈中心运动,最后在磁场的作用下,在线圈轴向形成径长比~1:11的准直双极喷流。通过计算及MHD模拟,我们推测磁场在喷流的形成和演化过程中有着至关重要的作用。这一结果对天体物理中的喷流研究也有着重要意义。在上述不同激光条件下,我们均获得了由冷电子回流引起的脉冲磁场,这为激光驱动的脉冲磁场研究提供了新的思路。同时,我们也总结了不同脉宽激光驱动的脉冲磁场的特点:纳秒激光驱动的脉冲磁场,强度高;飞秒激光驱动的脉冲磁场,脉宽短;皮秒激光驱动的脉冲磁场,能量转化效率高。为了测量飞秒激光驱动的超快脉冲磁场,我们在现有的法拉第旋转测量方法的基础上,提出一种具有高时间分辨率的利用啁啾脉冲作为探针光的改良的法拉第旋转测量方法,实现了对超快脉冲磁场的单发波形探测。最后,我们将激光驱动的脉冲磁场用于实验室天体物理的研究中,获得了准直性较好的磁化喷流。随着激光驱动的脉冲磁场的不断发展,其有望在激光等离子体领域取得更加广泛的应用。
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核磁共振,强磁场,强场,研究报告

的重要性理研究中的十分重要的物理参数之一。自 1820 年电磁铁以来，磁场就成为现代科学研究中一个不可或道和自旋可以被磁场直接影响，尤其是当磁场足够强得有序，，从而使电子的结构，原子、分子之间的相互作多难以预见的新现象和新效应。比如，在 1985 年和奖的量子霍尔效应和分数量子霍尔效应都是在强磁电子在 1000T 的强磁场作用下，其回旋半径仅有～当，因此，在这种极端条件下，基于原子周期势阱的为材料科学的研究提供了新的机遇。此外，强磁场还或者对现有技术进行改良，比如在核磁共振的研究中，磁场强度的每次提升，都会提高探测的灵敏度以

磁体,结构示意图

第 1 章绪论水冷磁体目前水冷磁体主要分为 Bitter 磁体和多螺旋磁体（Polyhelix 磁体）[2]想都是采用快速流动的水流通过冷却孔或者通道，带走磁体通电时产生图 1.2 分别是这两种磁体的结构示意图。Bitter 型磁体是在大量的铜片然后将铜片和绝缘片叠加组成一个整体，这种结构的能量转化率较高，显著，同时，由于磁体是一个整体，所以其机械性较强，可以承受一定。这种磁体已经在许多强磁实验室取得应用。Polyhelix 磁体采用的是同线圈设计，每一个单层绕组都用绝缘材料分隔开。这种设计同样可以很量迅速带走，允许更高的电流密度通过，有效地提高对磁应力的承受度冷磁体创造的最高场强约 36.2 T。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN241;P141

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