【摘要】：磁場是現(xiàn)代科學(xué)研究中一個不可或缺的重要工具,在等離子體物理,天體物理,材料科學(xué)和原子分子物理等研究中具有重要意義。而磁場強度的每次提升,都會給人們帶來一些新的發(fā)現(xiàn),比如,在1985年和1998年分別獲得諾貝爾物理獎的“量子霍爾效應(yīng)”和“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”。自19世紀(jì)初,脈沖強磁場技術(shù)憑借其強度高,技術(shù)相對容易的優(yōu)勢,獲得了比穩(wěn)態(tài)磁場更加廣泛的關(guān)注。目前,利用傳統(tǒng)磁體技術(shù)獲得的百特斯拉量級的強磁場,由于存在巨大的磁應(yīng)力,所以通常都是破壞性的,不可重復(fù)使用。近年來,利用激光驅(qū)動的脈沖強磁場,因其強度高,簡單易行等優(yōu)點,也引起了廣泛關(guān)注。本論文不僅提出了一種利用強激光驅(qū)動的脈沖磁場的新方法,還探索了不同激光條件下的脈沖磁場特點,并且嘗試將激光驅(qū)動的脈沖磁場應(yīng)用到實驗室天體物理中。首先,在上海光機所神光II高功率激光裝置上,我們提出一種利用強激光輻照開環(huán)線圈靶,由冷電子回流產(chǎn)生脈沖強磁場的方法,并在線圈中心獲得了最高205 T的強磁場。這種方法原理清晰,簡單易行。為了驗證模型的正確性,我們在中國工程物理研究院激光聚變中心的星光III激光裝置上,利用皮秒激光輻照銅薄膜靶產(chǎn)生的高能質(zhì)子束對線圈靶附近的磁場進(jìn)行直接探測,由質(zhì)子的偏轉(zhuǎn)方向,我們推斷出實驗中產(chǎn)生脈沖強磁場是由冷電子回流驅(qū)動的。此外,我們在實驗中更改了激光光強和波長,研究了不同激光條件下的脈沖磁場強度和能量轉(zhuǎn)化效率,我們發(fā)現(xiàn)磁場強度與~2成正比,并且在~2相近時,在長波長的激光作用下,脈沖磁場的能量轉(zhuǎn)化效率更高,這可能與等離子體的不穩(wěn)定性有關(guān)。其次,為了追求更高重頻,更短脈寬的脈沖磁場,我們在中國科學(xué)院物理研究所20 TW激光裝置上,利用飛秒激光與開環(huán)線圈靶相互作用,獲得了上升沿僅有~20.8 ps,持續(xù)時間~77.6 ps的超快脈沖磁場。為了測量這一超快脈沖磁場,我們提出一種利用啁啾脈沖作為探針光的法拉第旋轉(zhuǎn)測量方法,這種方法時間分辨率高,不易受電磁干擾的影響,簡單易行,并且單發(fā)測量即可獲得超快脈沖磁場的完整時間演化波形。通過探針光經(jīng)過磁場之后的偏振旋轉(zhuǎn)方向,驗證了相對論飛秒激光驅(qū)動的超快脈沖磁場也是由冷電子回流引起的。再次,由于相對論皮秒激光與物質(zhì)相互作用的過程中,超熱電子的能量轉(zhuǎn)化效率很高,所以,為了獲得更高的磁場能量轉(zhuǎn)化效率,我們在英國盧瑟福實驗室的VULCAN激光裝置上,利用大能量的皮秒激光與線圈靶相互作用,在線圈中心產(chǎn)生了~40 T的強磁場,能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到迄今最高的35%。并且,通過特殊的靶型設(shè)計,我們發(fā)現(xiàn)這一強磁場可以用來調(diào)控超熱電子的發(fā)射方向。最后,我們在神光II激光裝置上,利用八路激光輻照Omega線圈靶,由冷電子回流在線圈軸向形成很強的軸向磁場。由于線圈表面被離化,產(chǎn)生大量等離子體向線圈中心運動,最后在磁場的作用下,在線圈軸向形成徑長比~1:11的準(zhǔn)直雙極噴流。通過計算及MHD模擬,我們推測磁場在噴流的形成和演化過程中有著至關(guān)重要的作用。這一結(jié)果對天體物理中的噴流研究也有著重要意義。在上述不同激光條件下,我們均獲得了由冷電子回流引起的脈沖磁場,這為激光驅(qū)動的脈沖磁場研究提供了新的思路。同時,我們也總結(jié)了不同脈寬激光驅(qū)動的脈沖磁場的特點:納秒激光驅(qū)動的脈沖磁場,強度高;飛秒激光驅(qū)動的脈沖磁場,脈寬短;皮秒激光驅(qū)動的脈沖磁場,能量轉(zhuǎn)化效率高。為了測量飛秒激光驅(qū)動的超快脈沖磁場,我們在現(xiàn)有的法拉第旋轉(zhuǎn)測量方法的基礎(chǔ)上,提出一種具有高時間分辨率的利用啁啾脈沖作為探針光的改良的法拉第旋轉(zhuǎn)測量方法,實現(xiàn)了對超快脈沖磁場的單發(fā)波形探測。最后,我們將激光驅(qū)動的脈沖磁場用于實驗室天體物理的研究中,獲得了準(zhǔn)直性較好的磁化噴流。隨著激光驅(qū)動的脈沖磁場的不斷發(fā)展,其有望在激光等離子體領(lǐng)域取得更加廣泛的應(yīng)用。
【圖文】：

的重要性理研究中的十分重要的物理參數(shù)之一。自 1820 年 電磁鐵以來，磁場就成為現(xiàn)代科學(xué)研究中一個不可或道和自旋可以被磁場直接影響，尤其是當(dāng)磁場足夠強得有序，，從而使電子的結(jié)構(gòu)，原子、分子之間的相互作多難以預(yù)見的新現(xiàn)象和新效應(yīng)。比如，在 1985 年和獎的量子霍爾效應(yīng)和分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)都是在強磁電子在 1000T 的強磁場作用下，其回旋半徑僅有～當(dāng)，因此，在這種極端條件下，基于原子周期勢阱的為材料科學(xué)的研究提供了新的機遇。此外，強磁場還或者對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改良，比如在核磁共振的研究中，磁場強度的每次提升，都會提高探測的靈敏度以

第 1 章 緒論水冷磁體目前水冷磁體主要分為 Bitter 磁體和多螺旋磁體（Polyhelix 磁體）[2]想都是采用快速流動的水流通過冷卻孔或者通道，帶走磁體通電時產(chǎn)生圖 1.2 分別是這兩種磁體的結(jié)構(gòu)示意圖。Bitter 型磁體是在大量的銅片然后將銅片和絕緣片疊加組成一個整體，這種結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)化率較高，顯著，同時，由于磁體是一個整體，所以其機械性較強，可以承受一定。這種磁體已經(jīng)在許多強磁實驗室取得應(yīng)用。Polyhelix 磁體采用的是同線圈設(shè)計，每一個單層繞組都用絕緣材料分隔開。這種設(shè)計同樣可以很量迅速帶走，允許更高的電流密度通過，有效地提高對磁應(yīng)力的承受度冷磁體創(chuàng)造的最高場強約 36.2 T。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN241;P141

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本文編號：2660023