高能量密度激光等离子体中磁重联发起机制的研究

Magnetic reconnection is the explosive physical process of energy transform from magnetic fields to plasma particles. Laser plasma has characteristics of high density, high temperature and strong electromagnetic fields. This research project proposes to utilize laser plasma's spontaneous magnetic field to construct magnetic reconnection topology for studies of the initiation mechanism of magnetic reconnection, which is closely related to electron dynamics of small scales, including the features and temporal evolution rules of detailed structure within magnetic reconnection diffusion region, the properties of dispersive waves related to Hall effects, and electrons' accelerating mechanism. Laser plasma experiments help to extend magnetic reconnection study into high energy density regime. Compared to astrophysical observations, magnetic reconnection study through laser plasma experiments allow 3D physics of the whole process to be investigated; magnetic reconnection experiments with laser plasma also produce phenomena that are similar to astrophysical phenomena and more observable and measurable than that with magnetically confined plasma systems. All these advantages of laser plasma experiments with high energy density help to develop the comprehensive magnetic reconnection theory.

磁重联是一种场能与物质动能剧烈转化的过程。激光等离子体具有高温高密高电磁场强度的特点。项目计划利用激光等离子体自生磁场构造磁重联拓扑结构，研究激光等离子体高能量密度环境下磁重联发起机制及发展规律。磁重联发起过程与等离子体中电子运动紧密相关,因此项目主要研究激光等离子体磁重联区中电子扩散区等细致结构的形成与特征,磁重联过程中与霍尔效应紧密相关的色散波的形成与特征,以及高能电子的加速机制等几方面内容。利用激光等离子体进行磁重联物理研究将磁重联研究参数范围扩展到了高能量密度范畴。与天文观测研究磁重联物理相比,激光等离子体实验可全过程立体地研究磁重联物理规律。与利用实验室磁约束等离子体研究磁重联物理相比,高能量密度激光等离子体磁重联过程所产生的现象和衍生现象更明显,更易于与天文现象对比,便于模拟研究天体过程所隐含的物理规律。激光等离子体磁重联的这些特点有助于人们更全面地构建磁重联理论体系。

项目按照研究计划进行并基本完成。按照项目研究计划，利用两束SGII强脉冲激光，辐照并排支撑的两个平面靶，在产生的两团等离子体低温电子的密度梯度以及温度梯度的共同作用下，在等离子体周围产生环形磁场，于二者之间构造形成磁重联拓扑构型。在对等离子体性质本身测量的基础上，研究了磁重联扩散区的细致结构，发现了磁岛以及高能电子束在激光等离子体磁重联实验中产生的普遍性。理论研究发现，两团等离子体膨胀挤压二者之间的反向磁场，使得强磁场区域进入到动力学Alfven波领域；高能电子的产生，启动了磁重联过程；等离子体对二者之间的挤压，也造成二者界面不稳定性，导致了磁岛的产生。通过分解实验，研究了对磁重联过程有重要影响的两种不稳定性过程，即磁场不稳定性以及密度界面不稳定性。发展了高分辨弯晶成像，准备在之后对激光等离子体磁重联扩散区高密部分进行照相分析，进一步研究高密高温强磁场条件下，磁重联过程中高能超热电子以及磁岛产生机制及特征。