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汤姆孙散射:等离子体参数诊断的强大工具

 

摘 要:汤姆孙散射是低能光子与自由电子之间的弹性散射.因为汤姆孙散射光谱携带着等离子体涨落的信息,通过测量汤姆孙散射光谱可以高精度地测量等离子体的多种参数,如电子温度、电子密度、等离子体流速等等.经过多年的发展,汤姆孙散射已经成为等离子体物理研究中最重要的一种诊断工具.
  关键词:等离子体物理,汤姆孙散射,动力学形状因子,等离子体参数
  
  Thomson scattering: a powerful diagnostic tool of plasma physics
  ZHENG JianYU Chang|Xuan
  (Key Laboratory of Basic Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China,Hefei 230026, China)
  AbstractThomson scattering is the process in which a low|energy photon scatters from a free electron. When a laser pulse propagates through a plasma, the spectrum of the scattered light due to the Thomson scattering is proportional to the power spectrum of the electron density fluctuations, i.e., dynamic form factor, from which various plasma parameters can be inferred, such as electron temperature and plasma flow velocity. After years of development, Thomson scattering has now become a powerful diagnostic tool of plasma physics. 
  
  Keywordsplasma physics, Thomson scattering, dynamic form factor, plasma diagnostics
  
  1 引言
  
  精确测量等离子体的状态参数是深入研究等离子体物理过程的基本前提之一.对于高温高密度的等离子体,由于受到可接近性的限制,实验室常用的主动诊断手段(如探针)是无法接近需要探测的等离子体的.当然也有其他被动诊断方式可以提供众多等离子体参数的测量手段,如X射线能谱测量.相对被动诊断手段,汤姆孙散射作为一种主动诊断手段有其独特的一面:它可以高时空分辨地测量等离子体参数,且实验结果的解释相对简单,即散射光谱以比较直接的方式与等离子体参数有关.后者特别重要,因为有些诊断方法严重依赖于对实验数据的解释和处理,导致获得的等离子体参数的置信度较低.经过多年的发展,特别是由于激光技术以及高速高灵敏度探测器的进步,汤姆孙散射已经逐渐演化成为惯性约束聚变等离子体的标准诊断手段,成为精确研究等离子体行为的强大工具.
  
  2 汤姆孙散射的基本原理
  
  汤姆孙散射是低能光子(光子能量远远小于0.511MeV)与低能自由电子之间的弹性散射.该过程的经典物理图像是,在入射电磁波场中振荡的电子发射电磁波——散射电磁波.若电子有一运动速度v,散射电磁波的频率将不同于入射电磁波的频率,其差别为
  这里k=ks-k0是散射波的波矢与入射电磁波的波矢之差,称为散射差矢.由这个简单的公式可以看到,散射电磁波携带了电子的运动信息,这就是汤姆孙散射可以用来诊断等离子体的基本原因.当然,当我们采用汤姆孙散射诊断等离子体时,我们测量到的散射光谱来自许多电子产生的散射电磁波的相干叠加.叠加的结果是,散射光谱与电子密度涨落功率谱成正比,

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