激光驱动低β磁重联耗散区域电磁场结构研究

Magnetic reconnection is always a hot issue in astronphysics and plasma physics. Magnetic reconnection is widely used in the explanations of solar flare, the interaction between solar wind and earth magnetosphere, accretion disk, gamma-ray burst and some other astrophysical problems. In some astrophysical environments, such as the solar corona and earth magnetosphere, the magnetic pressure of plasmas are usually larger than the thermal pressure, i.e. the β value is low and the magnetic reconnection is driven by magnetic pressure. In laboratory, a traditional way to achieve magnetic reconnection is by Biermann battery mechanism, where at least two laser beams are focused on foil-target and magnetic field reconnect in the middle region. This kind of laser driven magnetic reconnection has achieved many important results. However, the β value in this condition is always high. So that, to achieve laser driven low-β magnetic reconnection in laboratory is a challenging problem. This project plans to carry out laser driven low-β magnetic reconnection on Shengaung II Upgrade Facility(SGII-U) . Different from the high-β experiments, the magnetic field is produced by capacitor-coil target, and magnetic reconnection is achieved in the middle region of two such targets. In the experiment, the magnetic field is measured by proton backlight imaging, and the distribution and strengthen of magnetic field are reconstructed by both particle tracing and flux analysis. Besides, the influence of β value on particle acceleration during magnetic reconnection is also interpreted, and PIC simulation is used to explain the experimental results. This project keeps pace with the magnetic reconnection researches and completes the researches by experiment. This project aims to lead the frontier of low-β magnetic reconnection research.

磁重联过程一直是天体物理和等离子体物理研究领域的一个热点。磁重联模型被广泛的应用于太阳耀斑、太阳风与地球磁层的耦合、吸积盘物理以及γ暴的研究中。在天文观测中，太阳冕区和地球磁层的一些区域，等离子体的磁压高于热压，即此处的磁重联处于低β状态。然而现在普遍运用的的激光驱动磁重联研究中，通过Biermann电池效应产生强磁场实现的磁重联是高β的。现在急需在实验室中实现激光驱动低β的磁重联过程。本课题计划在神光II激光器升级装置上利用电容线圈靶产生磁场，进而在两线圈之间实现低β磁重联。实验中将使用质子背光成像的方法诊断重联区域的电磁场，并且同时使用粒子追踪法和流量分析法重构磁场的结构和大小。此外，本课题还会研究β值对磁重联过程中带电粒子加速的影响，并使用PIC程序进行模拟和解释。本课题紧跟国际研究前沿，添补低β磁重联研究的实验部分，以达到在该领域引领科学前沿的目的。

磁重联过程一直是天体物理和等离子体物理研究领域的一个热点，本项目围绕磁重联这个重要研究课题开展了一系列实验理论方面的研究。. 本项目在实验中主要使用质子背光成像技术诊断等离子体的磁场，我们使用了粒子追踪法和流量分析法两种方法反演实验中的磁场结构，并结合本项目讨论了两种方法的优缺点。粒子追踪法可以重现实验中质子源、等离子体磁场和成像板的布局结构，但是依赖于精确的理论磁场的计算和庞大的计算量来模拟质子的轨迹。流量分析法可以直接从实验的质子成像结果重构磁场结构，但是流量分析法只适用于磁场较小的情况, 当磁场较大时其重构的磁感应强度会误差较大。. 本项目使用激光驱动电容线圈靶产生磁场，我们计算了这种靶型中电流随时间的演化，及随着磁场的演化磁场强度的变化。. 本项目使用对向放置的电容线圈靶实现磁重联过程，并且使用质子背光成像技术诊断重联区域磁场。使用流量分析法重构得到重联区域的磁场，两线圈中间区域磁场方向相反并存在明显的磁零点结构，符合磁重联磁场的拓扑结构。粒子追踪法使用不同强度的磁场基本模拟了不同发次延时从0.5 ns--2 ns的质子成像结果。单个发次内不同层的质子成像结果给出了短时间的磁场演化过程，我们发现中间区域的磁场有一个从弱变强的过程，并且随着磁重联的发生迅速降低。我们使用MHD模型FLASH根据实验模拟了整个过程。在模拟中磁场也有一个从弱变强的过程，但是磁场变弱的过程远远慢于实验，这可能归因于实验中磁岛结构增加了磁重联率和磁能的耗散速度。. 本项目使用多束激光驱动平面靶的方法增加了电流片中磁岛和湍流的产生，研究了湍流对磁重联过程中电子加速的影响。. 本项目还进行了光致电离等离子体光谱的研究，使用稳态的光学厚模型成功模拟了Fujioka等人2009年光致电离硅实验的光谱。