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1、汤姆孙散射：等离子体参数诊断的强大工具的论文摘要: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 thomsonscattering:apoaphysics zhengjianyuchang
2、xuan (keylaboratoryofbasicp
3、lasmaphysics,chineseacademyofsciences,departmentofmodernphysics,universityofscienceandtechnologyofchina，hefei230026,china) abstractthomsonscatteringistheprocessinafreeelectron.a,thespectrumofthescatteredlightduetothethomsonscatteringisproportionaltothepooftheelectrondensity
4、fluctuations,i.e.,dynamicformfactor,fromaparameterscanbeinferred,suchaselectrontemperatureandplasmafloent,thomsonscatteringhasnoaphysics. keyaphysics,thomsonscattering,dynamicformfactor,plasmadiagnostics 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
5、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
6、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
7、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， d2pdωdω=nei0r2esin2θs(k,ω) 这里s(k,ω)就是所谓的动力学形状因子，它是电子密度涨落自相关函数的谱密度；i0是入射电磁波的功率密度；ne是发生汤姆孙散射的电子数；re是经典电子半径；θ是入射电磁波的极化方向与散射波矢之间的夹角.若电子彼此之间是完全无关的，那么散射光谱就是各个电子散射光谱的简单相加，此时散射光谱反映了电子在散射差矢方向上的速度分布.若等离子体中存在集体运动，电子之间不是彼此完全相互无关的，干涉效应会导致散射光谱在
8、相应于等离子体集体运动模式的频率和波矢处出现尖锐的极大值.对于无磁化的等离子体，我们知道等离子体中的集体运动模式有两个：高频的电子等离子体波和低频的离子声波.这两种集体运动模式的色散关系为 ω2epi+3timi, 这里ωpe是朗谬尔振荡频率，λde是电子德拜长度，te,i是电子/离子温度，z是离子电荷数，mi是离子温度.经过适当的实验安排，以满足k2λ2de1，那么我们就能够从散射光谱中获得电子密度ne以及电子密度与离化态乘积zte的信息.此外，散射光谱的宽度与集体运动模式的阻尼有关，而阻尼也取决于等离子体的状态参数，因此通过散射光谱
9、的宽度，原则上也可以推断出等离子体的参数.例如，通过电子等离子体波的散射光谱的宽度，可以测量电子温度te.
