湯姆孫散射探究論文

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摘要:湯姆孫散射是低能光子與自由電子之間的彈性散射.因為湯姆孫散射光譜攜帶著等離子體漲落的信息，通過測量湯姆孫散射光譜可以高精度地測量等離子體的多種參數，如電子溫度、電子密度、等離子體流速等等.經過多年的發展，湯姆孫散射已經成為等離子體物理研究中最重要的一種診斷工具.

關鍵詞:等離子體物理，湯姆孫散射，動力學形狀因子，等離子體參數

Thomsonscattering:apowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics

ZHENGJianYUChang\|Xuan

(KeyLaboratoryofBasicPlasmaPhysics,ChineseAcademyofSciences,DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina，Hefei230026,China)

AbstractThomsonscatteringistheprocessinwhichalow\|energyphotonscattersfromafreeelectron.Whenalaserpulsepropagatesthroughaplasma,thespectrumofthescatteredlightduetotheThomsonscatteringisproportionaltothepowerspectrumoftheelectrondensityfluctuations,i.e.,dynamicformfactor,fromwhichvariousplasmaparameterscanbeinferred,suchaselectrontemperatureandplasmaflowvelocity.Afteryearsofdevelopment,Thomsonscatteringhasnowbecomeapowerfuldiagnostictoolofplasmaphysics.

Keywordsplasmaphysics,Thomsonscattering,dynamicformfactor,plasmadiagnostics

1引言

精確測量等離子體的狀態參數是深入研究等離子體物理過程的基本前提之一.對于高溫高密度的等離子體，由于受到可接近性的限制，實驗室常用的主動診斷手段（如探針）是無法接近需要探測的等離子體的.當然也有其他被動診斷方式可以提供眾多等離子體參數的測量手段，如X射線能譜測量.相對被動診斷手段，湯姆孫散射作為一種主動診斷手段有其獨特的一面：它可以高時空分辨地測量等離子體參數，且實驗結果的解釋相對簡單，即散射光譜以比較直接的方式與等離子體參數有關.后者特別重要，因為有些診斷方法嚴重依賴于對實驗數據的解釋和處理，導致獲得的等離子體參數的置信度較低.經過多年的發展，特別是由于激光技術以及高速高靈敏度探測器的進步，湯姆孫散射已經逐漸演化成為慣性約束聚變等離子體的標準診斷手段，成為精確研究等離子體行為的強大工具.

2湯姆孫散射的基本原理

湯姆孫散射是低能光子（光子能量遠遠小于0.511MeV）與低能自由電子之間的彈性散射.該過程的經典物理圖像是，在入射電磁波場中振蕩的電子發射電磁波——散射電磁波.若電子有一運動速度v，散射電磁波的頻率將不同于入射電磁波的頻率，其差別為

這里k=ks-k0是散射波的波矢與入射電磁波的波矢之差，稱為散射差矢.由這個簡單的公式可以看到，散射電磁波攜帶了電子的運動信息，這就是湯姆孫散射可以用來診斷等離子體的基本原因.當然，當我們采用湯姆孫散射診斷等離子體時，我們測量到的散射光譜來自許多電子產生的散射電磁波的相干疊加.疊加的結果是，散射光譜與電子密度漲落功率譜成正比，d2PdωdΩ=NeI0r2esin2θS(k,ω)

這里S(k,ω)就是所謂的動力學形狀因子，它是電子密度漲落自相關函數的譜密度；I0是入射電磁波的功率密度；Ne是發生湯姆孫散射的電子數；re是經典電子半徑；θ是入射電磁波的極化方向與散射波矢之間的夾角.若電子彼此之間是完全無關的，那么散射光譜就是各個電子散射光譜的簡單相加，此時散射光譜反映了電子在散射差矢方向上的速度分布.若等離子體中存在集體運動，電子之間不是彼此完全相互無關的，干涉效應會導致散射光譜在相應于等離子體集體運動模式的頻率和波矢處出現尖銳的極大值.對于無磁化的等離子體，我們知道等離子體中的集體運動模式有兩個：高頻的電子等離子體波和低頻的離子聲波.這兩種集體運動模式的色散關系為

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

這里ωpe是朗謬爾振蕩頻率，λDe是電子德拜長度，Te,i是電子/離子溫度，Z是離子電荷數，mi是離子溫度.經過適當的實驗安排，以滿足k2λ2De1，那么我們就能夠從散射光譜中獲得電子密度ne以及電子密度與離化態乘積ZTe的信息.此外，散射光譜的寬度與集體運動模式的阻尼有關，而阻尼也取決于等離子體的狀態參數，因此通過散射光譜的寬度，原則上也可以推斷出等離子體的參數.例如，通過電子等離子體波的散射光譜的寬度，可以測量電子溫度Te.

3湯姆孫散射實驗結果

中國科學技術大學基礎等離子體物理重點實驗室的研究小組與中國工程物理研究院激光聚變研究中心的同事們同心協力，先后在“星光II”裝置［1—3］和“神光II”裝置［4,5］上完成了湯姆孫散射實驗.圖1是“星光II”裝置上的實驗安排示意圖［3］.實驗中，我們采用波長為351nm的激光脈沖輻照金平面靶，產生等離子體,采用波長為526.5nm的激光脈沖作為湯姆孫散射探測束.主激光的能量在100J左右，探針束的能量在10J左右.

我們得到的典型湯姆孫散射光譜如圖2(a)所示.由于采用了具有高時間分辨的探測設備，得到的是隨時間的演化湯姆孫散射光譜，由此我們可以得到等離子體參數隨時間的演化.

在“神光II”裝置上，我們進一步利用湯姆孫散射測量了腔靶等離子體的狀態參數［5］.實驗安排如圖3所示.在圓柱形腔靶的側壁上，我們開設了一個探針光注入口，散射光由圓柱的端面出射.由于封閉的幾何位形，腔靶內等離子體的離子溫度一般要遠遠高于平面靶產生的等離子體的離子溫度.導致湯姆孫散射光譜嚴重展寬，以至于兩個離子聲波散射峰融合，如圖4所示.

4總結

本文回顧了中國科學技術大學等離子體物理學科點在湯姆孫散射方面的實驗研究工作的主要結果.對于該項診斷技術的掌握，使我們對激光聚變等離子體的演化有了更加深入的了解，有助于我們精確預言激光等離子體的行為.

致謝本文報告的工作是多人共同努力協作的結果.作者對以下人員的貢獻表示感謝：白波、王哲斌、蔣小華、李文洪、劉永剛、曹柱榮、丁永坤、鄭志堅等，同時感謝中國工程物理研究院激光聚變中心的制靶人員，“星光II”裝置全體運行人員，以及“神光II”裝置全體運行人員.

參考文獻

［1］BaiB,ZhengJ,YuCXetal.Chin.Phys.Lett.,2001,18：936

［2］ZhengJ,BaiB,LiuWDetal.Chin.Phys.Lett.,2001,18:1377

［3］BaiB,ZhengJ,LiuWDetal.Phys.Plasmas,2001,8:4144