近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所程銳研究員、王昭博士團(tuán)隊(duì)及其合作者在《Matter and Radiation at Extremes》期刊（IF: 5.1）發(fā)表了題為《Magnetic transport and radiation properties during compression of a magnetized plasma》的研究論文。該工作利用 θ-箍縮（theta pinch） 裝置，通過(guò)高時(shí)空分辨率的診斷系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)性地揭示了磁化等離子體在徑向內(nèi)爆過(guò)程中的反常退磁現(xiàn)象及其與輻射特性的關(guān)聯(lián)。

研究背景

磁化等離子體廣泛存在于宇宙中，是空間物理、天體物理及實(shí)驗(yàn)室等離子體研究的重要對(duì)象。當(dāng)磁化等離子體被壓縮時(shí)，磁場(chǎng)的輸運(yùn)過(guò)程（如磁對(duì)流、電阻擴(kuò)散、Nernst效應(yīng)等）與等離子體的流體動(dòng)力學(xué)行為緊密耦合，共同驅(qū)動(dòng)著太陽(yáng)耀斑、磁暴、天體噴流等復(fù)雜爆發(fā)現(xiàn)象。深入理解壓縮過(guò)程中的磁輸運(yùn)機(jī)制，對(duì)于慣性約束聚變（ICF）、磁約束聚變（MCF）以及太陽(yáng)風(fēng)-行星磁層相互作用等研究具有至關(guān)重要的科學(xué)意義。

然而，在磁化等離子體壓縮過(guò)程中，磁場(chǎng)如何演化、其與等離子體輻射特性之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，一直是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)。特別是，現(xiàn)有的理論模型與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)之間仍存在顯著差異，亟需高時(shí)空分辨率的診斷手段來(lái)揭示其物理本質(zhì)。

核心成果

近日，中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所程銳研究員、王昭博士團(tuán)隊(duì)及其合作者利用 θ-箍縮（theta pinch） 裝置，通過(guò)高時(shí)空分辨率的診斷系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)性地揭示了磁化等離子體在徑向內(nèi)爆過(guò)程中的反常退磁現(xiàn)象及其與輻射特性的關(guān)聯(lián)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)置與診斷系統(tǒng)

本研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是一個(gè)圓柱形的θ-箍縮裝置。該裝置由64μF電容器組、閘流管開關(guān)和六匝銅線圈組成，圍繞著一個(gè)直徑20cm、長(zhǎng)34cm的玻璃容器。實(shí)驗(yàn)在20kV放電電壓和20Pa氫氣壓力下進(jìn)行，產(chǎn)生一個(gè)向內(nèi)徑向壓縮的磁化等離子體柱。

圖1：實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖中標(biāo)注了條紋相機(jī)、分幅相機(jī)、磁探針、光電二極管等關(guān)鍵診斷設(shè)備的位置。

為了全面捕捉等離子體的動(dòng)態(tài)演化，團(tuán)隊(duì)部署了一套綜合診斷系統(tǒng)（圖1）：

·       磁探針：位于等離子體中心軸，用于測(cè)量軸向磁場(chǎng)B_z的演化。

·       光電二極管：兩臺(tái)快速光電二極管（300-1100nm）分別監(jiān)測(cè)主腔體和延伸管的發(fā)光，用于判斷等離子體軸向射流（jetting）的起始時(shí)間。

·       條紋相機(jī)系統(tǒng)（Zolix ST-10）：耦合光譜儀，沿軸向視線采集Hβ譜線。掃描速度經(jīng)過(guò)優(yōu)化，時(shí)間分辨率達(dá)到~0.05μs，用于從線譜展寬中連續(xù)反演出電子密度n_e和溫度T_e的時(shí)間演化曲線。

·       可見光分幅相機(jī)（Zolix FC-4-S-VIS）：位于腔體一側(cè)，單次放電可連續(xù)采集四幀圖像，幀間隔1.0μs，曝光時(shí)間15ns，用于直接觀測(cè)等離子體柱的徑向運(yùn)動(dòng)。

關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1. 驅(qū)動(dòng)電流、磁場(chǎng)與發(fā)光的時(shí)間演化

圖2展示了在20kV、20Pa條件下，驅(qū)動(dòng)電流、中心磁場(chǎng)和發(fā)光強(qiáng)度的同步測(cè)量結(jié)果。可以看出，等離子體在多個(gè)半周期（每個(gè)約60μs）中持續(xù)存在，其中強(qiáng)的一次箍縮發(fā)生在驅(qū)動(dòng)電流的第4和第5個(gè)半周期。發(fā)光強(qiáng)度的峰值與磁場(chǎng)的劇烈變化高度吻合，表明等離子體壓縮過(guò)程與磁場(chǎng)演化密切相關(guān)。

圖2：測(cè)量得到的驅(qū)動(dòng)電流（淺紅色）、中心磁場(chǎng)（紫色）和總發(fā)光強(qiáng)度（深紅色）的時(shí)間演化曲線，時(shí)間分辨率為0.01μs。

2. 等離子體的“壓縮-膨脹-再壓縮"動(dòng)態(tài)過(guò)程

通過(guò)分幅相機(jī)拍攝的時(shí)序圖像（圖3a），研究團(tuán)隊(duì)清晰看到了等離子體在242μs至249μs期間的完整動(dòng)態(tài)：在驅(qū)動(dòng)電流的半周期內(nèi)，等離子體首先從腔壁向內(nèi)壓縮（第一壓縮），隨后發(fā)生短暫膨脹，最后再次向內(nèi)壓縮（第二壓縮）。

通過(guò)分析分幅相機(jī)圖像，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步提取了等離子體外邊界的徑向運(yùn)動(dòng)軌跡（圖3b）。數(shù)據(jù)顯示，第一壓縮階段（242-245μs）的初始?jí)嚎s速度約為v?=2.4×10? m/s，第二壓縮階段（247-249μs）的初始速度約為v?=1.3×10? m/s。這一精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)為后續(xù)的流體動(dòng)力學(xué)分析提供了關(guān)鍵依據(jù)。

圖3a：分幅相機(jī)拍攝的磁化等離子體內(nèi)爆時(shí)序圖。從242μs到249μs，每幀曝光時(shí)間15ns，清晰展示了“壓縮-膨脹-再壓縮"三個(gè)階段。

圖3b：從圖3a中提取的等離子體柱外邊界半徑隨時(shí)間的演化曲線，綠色虛線標(biāo)出了兩個(gè)壓縮階段的分界。

3. 電子密度與溫度的時(shí)間演化

利用條紋相機(jī)采集的時(shí)間分辨Hβ譜線，團(tuán)隊(duì)成功反演出了電子密度和溫度隨時(shí)間的演化曲線（圖4）。結(jié)果顯示，密度演化呈現(xiàn)出與圖3b一致的“先升-后降-再升"趨勢(shì)，而溫度在整個(gè)觀測(cè)期間持續(xù)上升，直到248.8μs時(shí)突然下降。這一溫度突降與延伸管發(fā)光強(qiáng)度的上升（圖4中紫色虛線）同步，表明等離子體軸向射流開始與背景介質(zhì)發(fā)生熱交換。

圖4：通過(guò)條紋相機(jī)獲取的Hβ譜線反演得到的電子密度（藍(lán)色）、溫度（橙色）和發(fā)光強(qiáng)度（紫色）的時(shí)間演化。

4. 磁場(chǎng)演化與反常退磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

圖5a展示了中心磁場(chǎng)的詳細(xì)演化。在第一次壓縮階段（242-245μs），磁探針測(cè)量結(jié)果顯示中心磁場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)反常下降。通常，在磁化等離子體壓縮過(guò)程中，磁場(chǎng)應(yīng)隨密度增加而增強(qiáng)（磁通凍結(jié)）。然而，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻顯示磁場(chǎng)與密度的變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

通過(guò)擴(kuò)展磁流體力學(xué)（Ex-MHD）理論分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這一反常退磁現(xiàn)象源于外部驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)與內(nèi)部俘獲磁場(chǎng)在等離子體邊界處的耦合（圖5b）。在等離子體壓縮過(guò)程中，外部磁場(chǎng)通過(guò)電阻擴(kuò)散進(jìn)入等離子體內(nèi)部，與流體運(yùn)動(dòng)耦合產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，從而削弱中心磁場(chǎng)。

具體來(lái)說(shuō)，在圖5b(i)階段，驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)B_d迅速增強(qiáng)，誘導(dǎo)順時(shí)針?lè)较虻母袘?yīng)電場(chǎng)E_θd，同時(shí)等離子體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生同方向的運(yùn)動(dòng)電場(chǎng)E_v×B，導(dǎo)致總電場(chǎng)持續(xù)增強(qiáng)。但在圖5b(ii)階段，外部磁場(chǎng)擴(kuò)散進(jìn)入等離子體內(nèi)部，產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻倪\(yùn)動(dòng)電場(chǎng)，抵消并最終超過(guò)順時(shí)針的感應(yīng)電場(chǎng)，導(dǎo)致總電場(chǎng)下降，中心磁場(chǎng)被削弱。圖5b(iii)和(iv)進(jìn)一步展示了這一過(guò)程的后續(xù)演化。

研究團(tuán)隊(duì)還提出了一個(gè)簡(jiǎn)潔的判據(jù)（t_diff ? τ）來(lái)判斷該機(jī)制是否生效，并證明該機(jī)制在慣性約束聚變（ICF）和太陽(yáng)風(fēng)-水星磁層相互作用等場(chǎng)景中具有普適性。

圖5a：中心俘獲磁場(chǎng)（藍(lán)色實(shí)線）及其時(shí)間導(dǎo)數(shù)（橙色虛線）的詳細(xì)演化曲線。標(biāo)號(hào)(i)-(iv)對(duì)應(yīng)四個(gè)不同的演化階段。

圖5b：四個(gè)演化階段(i)-(iv)對(duì)應(yīng)的磁輸運(yùn)機(jī)制示意圖，展示了驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)（B_d）與俘獲磁場(chǎng)（B_t）的相互作用過(guò)程。

圖6：絕熱壓縮理論曲線（綠色實(shí)線）與兩個(gè)壓縮階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（紫色五角星和橙色菱形）的對(duì)比。

圖7：研究時(shí)間段內(nèi)等離子體自發(fā)光度分布（上圖），以及相關(guān)的輻射復(fù)合（RR）和三體復(fù)合（TR）率（下圖）。

5. 磁輸運(yùn)對(duì)輻射特性的影響

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)磁輸運(yùn)會(huì)顯著改變等離子體的流體動(dòng)力學(xué)行為，進(jìn)而影響其輻射損失。通過(guò)對(duì)比兩個(gè)壓縮階段的溫度-密度演化（圖6），團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離了絕熱壓縮理論曲線，表明等離子體存在能量損耗。

為了深入理解輻射損失的具體機(jī)制，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析了等離子體自發(fā)光度與復(fù)合率的演化關(guān)系（圖7）。結(jié)果顯示：

·       第一階段（Stage-1，約244-245μs）：等離子體自發(fā)光度達(dá)到峰值，同時(shí)三體復(fù)合率（TR，紫色虛線）和輻射復(fù)合率（RR，橙色虛線）均出現(xiàn)顯著升高。這表明在Stage-1中，由于磁輸運(yùn)增強(qiáng)了等離子體的可壓縮性，導(dǎo)致密度大幅上升，從而顯著增強(qiáng)了復(fù)合輻射損失。

·       第二階段（Stage-2，約247-249μs）：雖然也出現(xiàn)發(fā)光度峰值，但較寬且略低，對(duì)應(yīng)的復(fù)合率峰值也相應(yīng)降低。這與磁壓增加抑制密度增長(zhǎng)、降低輻射損失的機(jī)制相吻合。

圖7提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明在磁化等離子體壓縮過(guò)程中，磁輸運(yùn)通過(guò)改變密度演化，進(jìn)而顯著影響了復(fù)合輻射損失功率，這是導(dǎo)致圖6中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏離絕熱理論曲線的主要原因。

結(jié)論與意義

本研究不僅揭示了磁化等離子體壓縮過(guò)程中一個(gè)新奇的“反常退磁"機(jī)制，在實(shí)驗(yàn)上建立了“磁輸運(yùn)"與“輻射損失"之間的定量關(guān)聯(lián)。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)優(yōu)化磁化ICF靶丸設(shè)計(jì)以及解析天體物理噴流中的輻射冷卻過(guò)程具有重要的指導(dǎo)意義。

在此項(xiàng)工作中，卓立漢光條紋相機(jī)（ST-10）與分幅相機(jī)（FC-4-S-VIS） 作為核心診斷工具，以其皮秒級(jí)時(shí)間分辨率、納秒級(jí)曝光時(shí)間和高靈敏度，成功捕捉到了等離子體在微秒級(jí)、毫米級(jí)尺度下的復(fù)雜演化過(guò)程，為理論模型的驗(yàn)證提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。

條紋相機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)

在本研究中，卓立漢光ST-10皮秒條紋相機(jī)發(fā)揮了以下關(guān)鍵作用：

1.       皮秒級(jí)時(shí)間分辨：時(shí)間分辨率達(dá)～0.05 μs，可精確追蹤等離子體在壓縮極短時(shí)間尺度內(nèi)的密度與溫度演化。

2.       時(shí)間-光譜-強(qiáng)度三維信息：同時(shí)記錄時(shí)間分辨光譜，通過(guò)Hβ譜線輪廓反演電子密度與溫度，優(yōu)于單一波長(zhǎng)的傳統(tǒng)測(cè)量方法。

3.       寬動(dòng)態(tài)范圍與高靈敏度：在等離子體發(fā)射強(qiáng)度劇烈變化時(shí)，仍可同步獲取強(qiáng)信號(hào)與弱信號(hào)的光譜數(shù)據(jù)。

4.       超快動(dòng)力學(xué)捕捉：能夠捕獲退磁發(fā)生點(diǎn)、射流起始點(diǎn)等等離子體狀態(tài)突變過(guò)程中的瞬態(tài)光譜變化。

分幅相機(jī)的核心優(yōu)勢(shì)

卓立漢光可見光高速分幅相機(jī)則提供了獨(dú)特的空間診斷能力：

1.       納秒級(jí)曝光與高幀率：?jiǎn)螏毓?/span>15 ns，幀間隔1.0 μs，可連續(xù)捕捉微秒尺度內(nèi)的等離子體快速?gòu)较蜻\(yùn)動(dòng)。

2.       宏觀運(yùn)動(dòng)可視化：直接顯示等離子體柱邊界的收縮與膨脹過(guò)程，提供直觀的徑向運(yùn)動(dòng)圖像。

3.       運(yùn)動(dòng)速度精確測(cè)量：從圖像序列中準(zhǔn)確提取壓縮與膨脹速度（壓縮～2.4×10? m/s，二次壓1.3×10? m/s）。

4.       階段轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)識(shí)別：清晰界定壓縮、膨脹、二次壓縮三個(gè)階段的時(shí)問(wèn)邊界，為后續(xù)分析提供精確時(shí)間窗口。

條紋相機(jī)與分幅相機(jī)的互補(bǔ)協(xié)同

分幅相機(jī)提供了等離子體宏觀運(yùn)動(dòng)的時(shí)空快照，揭示了運(yùn)動(dòng)軌跡與壓縮階段；條紋相機(jī)則提供了微觀狀態(tài)的時(shí)間分辨光譜，獲取了密度與溫度的連續(xù)演化曲線。

兩者互補(bǔ)的實(shí)質(zhì)在于：分幅相機(jī)回答“等離子體如何運(yùn)動(dòng)"，條紋相機(jī)回答“運(yùn)動(dòng)過(guò)程中等離子體狀態(tài)如何變化"。將宏觀動(dòng)力學(xué)行為與微觀參數(shù)演化相結(jié)合，才能建立磁輸運(yùn)與輻射損失之間的定量聯(lián)系，進(jìn)而揭示異常退磁的物理機(jī)制。這種“空間成像+時(shí)間光譜"的聯(lián)合診斷策略，為復(fù)雜等離子體物理研究提供了系統(tǒng)性實(shí)驗(yàn)支撐。