湯姆孫散射等離子體參數(shù)診斷的強(qiáng)大工具

1、湯姆孫散射：等離子體參數(shù)診斷的強(qiáng)大工具湯姆孫散射：等離子體參數(shù)診斷的強(qiáng)大工具2009-2-12 11:40:29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?yàn)闇穼O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(shù)，如電子溫度、電子密度、等離子體流速等等.經(jīng)過多年的發(fā)展，湯姆孫散射已經(jīng)成為等離子體物理研究中最重要的一種診斷工具.關(guān)鍵詞:等離子體物理，湯姆孫散射，動(dòng)力學(xué)形狀因子，等離子體參數(shù)Thoms on scatteri ng: a powerful diag no Stic tool of plasma physicsZHENG J

2、ia n YU Cha ng|Xua n（Key Laboratory of Basic Plasma Physics, Chin ese Academy ofScie nces, Departme nt of Moder n Physics, Uni versity ofScience andTechnology of China , Hefei 230026, China）AbstractThoms on scatteri ng is the process in which a low|e nergy phot on scatters from a free electro n. Whe

3、 n a laser pulse propagates through a plasma, the spectrum of the scattered light due to the Thoms on scatteri ng is proporti onal to the power spectrum of the electro n den sity fluctuati on s, i.e., dyn amic form factor, from which various plasma parameters can be in ferred, such as electr on temp

4、erature and plasma flow velocity. After years of developme nt, Thoms on scatteri ng has now become a powerful diag no stic tool of plasma physics.Keywordsplasma physics, Thoms on scatteri ng, dyn amic form factor, plasma diag no stics1引言精確測量等離子體的狀態(tài)參數(shù)是深入研究等離子體物理過程的基本前提之 一.對(duì)于高溫高密度的等離子體，由于受到可接近性的限制，實(shí)驗(yàn)室

5、常用的主動(dòng) 診斷手段（如探針）是無法接近需要探測的等離子體的.當(dāng)然也有其他被動(dòng)診斷方式可以提供眾多等離子體參數(shù)的測量手段，如X射線能譜測量.相對(duì)被動(dòng)診斷手段，湯姆孫散射作為一種主動(dòng)診斷手段有其獨(dú)特的一面：它可以高時(shí)空分辨 地測量等離子體參數(shù)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋相對(duì)簡單，即散射光譜以比較直接的 方式與等離子體參數(shù)有關(guān).后者特別重要，因?yàn)橛行┰\斷方法嚴(yán)重依賴于對(duì)實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的解釋和處理，導(dǎo)致獲得的等離子體參數(shù)的置信度較低.經(jīng)過多年的發(fā)展，特別是由于激光技術(shù)以及高速高靈敏度探測器的進(jìn)步，湯姆孫散射已經(jīng)逐漸演 化成為慣性約束聚變等離子體的標(biāo)準(zhǔn)診斷手段，成為精確研究等離子體行為的 強(qiáng)大工具.2湯姆孫散射的基

6、本原理湯姆孫散射是低能光子（光子能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于0.511MeV與低能自由電子之間的彈性散射.該過程的經(jīng)典物理圖像是，在入射電磁波場中振蕩的電子發(fā)射 電磁波散射電磁波.若電子有一運(yùn)動(dòng)速度V，散射電磁波的頻率將不同于入射電磁波的頻率，其差別為湯姆孫散射：等離子體參數(shù)診斷的強(qiáng)大工具2009-2-12 11:40:29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(gè)簡單的公式可以看到，散射電磁波攜帶了電子的運(yùn)動(dòng)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(dāng)然，當(dāng)我們采用湯姆孫散射診斷等離 子體時(shí)，我們測量到的散射光譜來自許多電子產(chǎn)生的散射電磁波的相干疊加.疊加的結(jié)果

7、是，散射光譜與電子密度漲落功率譜成正比， dQ =Nel0r2esin2 9 S(k, J這里S(k, j )就是所謂的動(dòng)力學(xué)形狀因子，它是電子密度漲落自相關(guān)函數(shù) 的譜密度；I0是入射電磁波的功率密度；Ne是發(fā)生湯姆孫散射的電子數(shù)；re 是經(jīng)典電子半徑；9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(guān)的，那么散射光譜就是各個(gè)電子散射光譜的簡單相加，此 時(shí)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(yùn) 動(dòng)，電子之間不是彼此完全相互無關(guān)的，干涉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致散射光譜在相應(yīng)于等 離子體集體運(yùn)動(dòng)模式的頻率和波矢處出現(xiàn)尖銳的極大值.對(duì)于無磁化的等離子 體，我們知道等離子體中的集體運(yùn)動(dòng)模式有兩個(gè)：高頻的電子等離子體波和低頻的離子聲波這兩種集體運(yùn)動(dòng)模式的色散關(guān)系為3 2epw=o 2pe（1+3k2 入泯）、3 2ia=11+k2 X 2I）cZTcrni-STimi :這里3 pe是朗謬爾振蕩頻率，X De是電子德拜長度，Te,i是電子/離子溫 度，Z是離子電荷數(shù)，mi是離子溫度.經(jīng)過適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)安排，以滿足 k2 X，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