神光II装置新研究获得成功

神光II装置是进行激光驱动惯性约束核聚变及其相关高能量密度物理、材料等研究的大科学装置，装置配备的多功能高能激光系统诊断光能提供国内同类装置中*大激光单脉冲能量，标志着我国大型强激光和激光核聚变研究跨上一个新台阶，跻身于世界**。

继2008年中日韩在神光Ⅱ装置上成功进行了关于无碰撞冲击波的实验室天体物理学联合实验后，2009年8月，中科院物理所、中科院国家天文台和中物院激光核聚变中心等单位联合在神光Ⅱ装置上再次开展了实验室天体物理学的研究，实验中，运行人员与实验小组充分沟通，满足了实验小组提出的特殊打靶要求。装置输出激光脉冲能量稳定，激光着靶点**，实验总计打靶41发次，成功41发，***100%.实验结果在模拟太阳耀斑着名观测现象-环顶x射线源和重联喷流中取得重大突破。

磁重联是等离子体物理中能量转化的一个基本过程。在天体物理中磁重联模型被广泛的应用于太阳耀斑、恒星形成、太阳风与地球磁层的耦合、吸积盘物理以及伽玛爆研究中。在实验室等离子体中磁重联过程如磁约束等离子中的各种破裂不稳定性现象也引起了人们广泛的研究兴趣。传统在实验室中磁重联的拓扑结构可以采用不同的能源驱动设备来构造，如Z箍缩、托克马克等。

天体等离子体中磁重联模型有着许多直接的观测证据，其中*为着名的就是在太阳耀斑中观测到的环顶X射线源。1992年1月，Masuda等人利用YOKOH卫星在太阳边缘耀斑进行观测，测到硬X射线发射源的空间结构，他们发现除了两个足点X射线源之外，还有一个环顶X射线源。如图3所示Masuda给出了环顶X射线源形成的唯象解释，从重联区向下喷射的等离子体喷流与磁环碰撞形成激波，从而加速电子，然后电子与环顶等离子体碰撞形成硬X射线源。对环顶硬X射线源的解释大多是定性和唯象的，缺乏定量的详细的理论解释，这一困难与天文观测的局限性有着直接的关系。如果能够在实验室构造一个人为可控的环顶X射线源，这样不仅可以验证定性和唯象的理论解释，甚至可以给出直接的实验数据来更准确的解释环顶X射线源。Ryutov在2000年提出了磁流体标度变换理论，该理论将不同体系但满足相同磁流体方程的研究对象通过标度变换公式等价起来，这样可以在实验室利用小尺度的磁流体来研究大尺度的天体磁流体相关现象。然而传统的磁重联装置由于磁场强度较低等因素在标度变化下无法与大尺度的天体磁重联现象相比。利用强激光等离子体的自生磁场构造这种磁重联拓扑结构是在实验室研究磁重联物理现象的一个突破。

长脉冲激光聚焦在平面靶上产生的等离子体的温度与密度梯度的方向**不一致。这种温度和密度梯度的不一致将产生热电动势从而引发热电流，*终诱发环形的高达兆高斯量级的自生强磁场。并且在激光脉冲的持续时间内，这个自生磁场是准稳态的，"冻结"在激光等离子体表面来向四周扩散。依据上述理论，国家天文台赵刚研究组和物理研究所**院士研究组经多年研究发现，利用这个准稳态的自生强磁场，利用神光Ⅱ装置巧妙构造了激光等离子体磁重联拓扑结构，实验排布如图2所示。实验观测到了与太阳耀斑中环顶x射线源极为相似的结果。通过磁流体标度变换理论分析，发现两个系统的各项物理参数是惊人的相似。这项工作已经被**着名杂志NaturePhysics接受，即将发表。审稿人对本项工作给出了高度的评价，称："如果在实验室和太阳耀斑中观测到的物理过程一致并且数据测量准确，那么这项工作将是伟大的发现，并且开辟了实验室天体物理研究的*新领域。"

图1太阳耀斑中环顶x射线源的卡通图像；在实验室由x射线针孔相机拍到的环顶x射线源与重联喷流

2009年基于神光II装置开展的光离化Si等离子体吸收光谱的测量和天体喷流实验，也是实验室天体物理实验的重要组成部分。实验利用神光II激光辐照金腔靶产生的类黑体辐射来模拟宇宙中致密天体附近的辐射环境，来光离化稀薄的Si样品等离子体，通过引入背光和密度探针光，来达到对光离化等离子体的细致诊断。实验结果显示，不同强度的辐射场以及辐射场的不同时刻，样品Si等离子体的吸收光谱有着明显的变化，实验结果如图2所示。

图2不同辐射温度下，等离子体吸收谱线的变化

图3实验装置图，八路神光对称烧蚀特制实现激光等离子体磁重联环顶源靶