条纹相机与分幅相机助力近物所揭示磁化等离子体压缩反常退磁机制

近日，中国科学院近代物理研究所程锐研究员、王昭博士团队及其合作者在《Matter and Radiation at Extremes》期刊（IF: 5.1）发表了题为《Magnetic transport and radiation properties during compression of a magnetized plasma》的研究论文。该工作利用 θ-箍缩（theta pinch） 装置，通过高时空分辨率的诊断系统，在实验中系统性地揭示了磁化等离子体在径向内爆过程中的反常退磁现象及其与辐射特性的关联。

研究背景

磁化等离子体广泛存在于宇宙中，是空间物理、天体物理及实验室等离子体研究的重要对象。当磁化等离子体被压缩时，磁场的输运过程（如磁对流、电阻扩散、Nernst效应等）与等离子体的流体动力学行为紧密耦合，共同驱动着太阳耀斑、磁暴、天体喷流等复杂爆发现象。深入理解压缩过程中的磁输运机制，对于惯性约束聚变（ICF）、磁约束聚变（MCF）以及太阳风-行星磁层相互作用等研究具有至关重要的科学意义。

然而，在磁化等离子体压缩过程中，磁场如何演化、其与等离子体辐射特性之间的内在关联，一直是实验物理学家面临的巨大挑战。特别是，现有的理论模型与实验观测之间仍存在显著差异，亟需高时空分辨率的诊断手段来揭示其物理本质。

核心成果

近日，中国科学院近代物理研究所程锐研究员、王昭博士团队及其合作者利用 θ-箍缩（theta pinch） 装置，通过高时空分辨率的诊断系统，在实验中系统性地揭示了磁化等离子体在径向内爆过程中的反常退磁现象及其与辐射特性的关联。

实验设置与诊断系统

本研究的实验平台是一个圆柱形的θ-箍缩装置。该装置由64μF电容器组、闸流管开关和六匝铜线圈组成，围绕着一个直径20cm、长34cm的玻璃容器。实验在20kV放电电压和20Pa氢气压力下进行，产生一个向内径向压缩的磁化等离子体柱。

图1：实验装置示意图。图中标注了条纹相机、分幅相机、磁探针、光电二极管等关键诊断设备的位置。

为了全面捕捉等离子体的动态演化，团队部署了一套综合诊断系统（图1）：

·       磁探针：位于等离子体中心轴，用于测量轴向磁场B_z的演化。

·       光电二极管：两台快速光电二极管（300-1100nm）分别监测主腔体和延伸管的发光，用于判断等离子体轴向射流（jetting）的起始时间。

·       条纹相机系统（Zolix ST-10）：耦合光谱仪，沿轴向视线采集Hβ谱线。扫描速度经过优化，时间分辨率达到~0.05μs，用于从线谱展宽中连续反演出电子密度n_e和温度T_e的时间演化曲线。

·       可见光分幅相机（Zolix FC-4-S-VIS）：位于腔体一侧，单次放电可连续采集四帧图像，帧间隔1.0μs，曝光时间15ns，用于直接观测等离子体柱的径向运动。

关键实验现象

1. 驱动电流、磁场与发光的时间演化

图2展示了在20kV、20Pa条件下，驱动电流、中心磁场和发光强度的同步测量结果。可以看出，等离子体在多个半周期（每个约60μs）中持续存在，其中强的一次箍缩发生在驱动电流的第4和第5个半周期。发光强度的峰值与磁场的剧烈变化高度吻合，表明等离子体压缩过程与磁场演化密切相关。

图2：测量得到的驱动电流（浅红色）、中心磁场（紫色）和总发光强度（深红色）的时间演化曲线，时间分辨率为0.01μs。

2. 等离子体的“压缩-膨胀-再压缩"动态过程

通过分幅相机拍摄的时序图像（图3a），研究团队清晰看到了等离子体在242μs至249μs期间的完整动态：在驱动电流的半周期内，等离子体首先从腔壁向内压缩（第一压缩），随后发生短暂膨胀，最后再次向内压缩（第二压缩）。

通过分析分幅相机图像，团队进一步提取了等离子体外边界的径向运动轨迹（图3b）。数据显示，第一压缩阶段（242-245μs）的初始压缩速度约为v₁=2.4×10⁴ m/s，第二压缩阶段（247-249μs）的初始速度约为v₂=1.3×10⁴ m/s。这一精确的运动学数据为后续的流体动力学分析提供了关键依据。

图3a：分幅相机拍摄的磁化等离子体内爆时序图。从242μs到249μs，每帧曝光时间15ns，清晰展示了“压缩-膨胀-再压缩"三个阶段。

图3b：从图3a中提取的等离子体柱外边界半径随时间的演化曲线，绿色虚线标出了两个压缩阶段的分界。

3. 电子密度与温度的时间演化

利用条纹相机采集的时间分辨Hβ谱线，团队成功反演出了电子密度和温度随时间的演化曲线（图4）。结果显示，密度演化呈现出与图3b一致的“先升-后降-再升"趋势，而温度在整个观测期间持续上升，直到248.8μs时突然下降。这一温度突降与延伸管发光强度的上升（图4中紫色虚线）同步，表明等离子体轴向射流开始与背景介质发生热交换。

图4：通过条纹相机获取的Hβ谱线反演得到的电子密度（蓝色）、温度（橙色）和发光强度（紫色）的时间演化。

4. 磁场演化与反常退磁现象的发现

图5a展示了中心磁场的详细演化。在第一次压缩阶段（242-245μs），磁探针测量结果显示中心磁场强度出现反常下降。通常，在磁化等离子体压缩过程中，磁场应随密度增加而增强（磁通冻结）。然而，实验数据却显示磁场与密度的变化呈现负相关。

通过扩展磁流体力学（Ex-MHD）理论分析，团队发现这一反常退磁现象源于外部驱动磁场与内部俘获磁场在等离子体边界处的耦合（图5b）。在等离子体压缩过程中，外部磁场通过电阻扩散进入等离子体内部，与流体运动耦合产生反向电动势，从而削弱中心磁场。

具体来说，在图5b(i)阶段，驱动电流产生的驱动磁场B_d迅速增强，诱导顺时针方向的感应电场E_θd，同时等离子体运动产生同方向的运动电场E_v×B，导致总电场持续增强。但在图5b(ii)阶段，外部磁场扩散进入等离子体内部，产生逆时针方向的运动电场，抵消并最终超过顺时针的感应电场，导致总电场下降，中心磁场被削弱。图5b(iii)和(iv)进一步展示了这一过程的后续演化。

研究团队还提出了一个简洁的判据（t_diff ≲ τ）来判断该机制是否生效，并证明该机制在惯性约束聚变（ICF）和太阳风-水星磁层相互作用等场景中具有普适性。

图5a：中心俘获磁场（蓝色实线）及其时间导数（橙色虚线）的详细演化曲线。标号(i)-(iv)对应四个不同的演化阶段。

图5b：四个演化阶段(i)-(iv)对应的磁输运机制示意图，展示了驱动磁场（B_d）与俘获磁场（B_t）的相互作用过程。

图6：绝热压缩理论曲线（绿色实线）与两个压缩阶段的实验数据（紫色五角星和橙色菱形）的对比。

图7：研究时间段内等离子体自发光度分布（上图），以及相关的辐射复合（RR）和三体复合（TR）率（下图）。

5. 磁输运对辐射特性的影响

实验还发现磁输运会显著改变等离子体的流体动力学行为，进而影响其辐射损失。通过对比两个压缩阶段的温度-密度演化（图6），团队发现实验数据偏离了绝热压缩理论曲线，表明等离子体存在能量损耗。

为了深入理解辐射损失的具体机制，团队进一步分析了等离子体自发光度与复合率的演化关系（图7）。结果显示：

·       第一阶段（Stage-1，约244-245μs）：等离子体自发光度达到峰值，同时三体复合率（TR，紫色虚线）和辐射复合率（RR，橙色虚线）均出现显著升高。这表明在Stage-1中，由于磁输运增强了等离子体的可压缩性，导致密度大幅上升，从而显著增强了复合辐射损失。

·       第二阶段（Stage-2，约247-249μs）：虽然也出现发光度峰值，但较宽且略低，对应的复合率峰值也相应降低。这与磁压增加抑制密度增长、降低辐射损失的机制相吻合。

图7提供了直接的实验证据，证明在磁化等离子体压缩过程中，磁输运通过改变密度演化，进而显著影响了复合辐射损失功率，这是导致图6中实验数据偏离绝热理论曲线的主要原因。

结论与意义

本研究不仅揭示了磁化等离子体压缩过程中一个新奇的“反常退磁"机制，在实验上建立了“磁输运"与“辐射损失"之间的定量关联。这一发现对优化磁化ICF靶丸设计以及解析天体物理喷流中的辐射冷却过程具有重要的指导意义。

在此项工作中，卓立汉光条纹相机（ST-10）与分幅相机（FC-4-S-VIS） 作为核心诊断工具，以其皮秒级时间分辨率、纳秒级曝光时间和高灵敏度，成功捕捉到了等离子体在微秒级、毫米级尺度下的复杂演化过程，为理论模型的验证提供了坚实的数据支撑。

条纹相机的核心优势

在本研究中，卓立汉光ST-10皮秒条纹相机发挥了以下关键作用：

1.       皮秒级时间分辨：时间分辨率达～0.05 μs，可精确追踪等离子体在压缩极短时间尺度内的密度与温度演化。

2.       时间-光谱-强度三维信息：同时记录时间分辨光谱，通过Hβ谱线轮廓反演电子密度与温度，优于单一波长的传统测量方法。

3.       宽动态范围与高灵敏度：在等离子体发射强度剧烈变化时，仍可同步获取强信号与弱信号的光谱数据。

4.       超快动力学捕捉：能够捕获退磁发生点、射流起始点等等离子体状态突变过程中的瞬态光谱变化。

分幅相机的核心优势

卓立汉光可见光高速分幅相机则提供了独特的空间诊断能力：

1.       纳秒级曝光与高帧率：单帧曝光15 ns，帧间隔1.0 μs，可连续捕捉微秒尺度内的等离子体快速径向运动。

2.       宏观运动可视化：直接显示等离子体柱边界的收缩与膨胀过程，提供直观的径向运动图像。

3.       运动速度精确测量：从图像序列中准确提取压缩与膨胀速度（压缩～2.4×10⁴ m/s，二次压1.3×10⁴ m/s）。

4.       阶段转换节点识别：清晰界定压缩、膨胀、二次压缩三个阶段的时问边界，为后续分析提供精确时间窗口。

条纹相机与分幅相机的互补协同

分幅相机提供了等离子体宏观运动的时空快照，揭示了运动轨迹与压缩阶段；条纹相机则提供了微观状态的时间分辨光谱，获取了密度与温度的连续演化曲线。

两者互补的实质在于：分幅相机回答“等离子体如何运动"，条纹相机回答“运动过程中等离子体状态如何变化"。将宏观动力学行为与微观参数演化相结合，才能建立磁输运与辐射损失之间的定量联系，进而揭示异常退磁的物理机制。这种“空间成像+时间光谱"的联合诊断策略，为复杂等离子体物理研究提供了系统性实验支撑。