Pulse magnet of 10 T for power laser experiments with x-ray free-electron laser diagnostics

本文介绍了日本 SACLA 首个集成高功率光学激光、X 射线自由电子激光探针和 10 特斯拉脉冲磁体的平台，以实现对极端条件下磁化高能密度物质的研究。

要点

想象一下，试图理解风暴如何在一个微小、超高温的气体云（等离子体）内部行为。科学家们长期以来一直希望研究这些风暴，尤其是当它们被强大的磁场挤压时，因为这种现象发生在恒星中、核聚变反应堆中，甚至是在深空的真空中。

然而，存在一个大问题：这些云团如此致密，以至于你无法用普通相机甚至标准 X 射线看到其内部。这就像试图透过浓雾看清龙卷风的细节。

本文描述了一种在名为 SACLA 的日本巨型设施中建造的全新“超级显微镜”。以下是其工作原理，分解为简单部分：

1. 三种要素

为了解决可见性问题，科学家们将三种强大的工具组合成了一台机器：

• 加热器（高功率激光）： 将其想象为一个巨大、超快速的喷灯。它击中一个微小目标，并瞬间将其转化为超高温、高压的等离子体云。
• 闪光灯（X 射线自由电子激光，XFEL）： 这是一种 X 射线自由电子激光。与产生模糊光束的普通手电筒不同，这是一种“超精密”的 X 射线束。它极其锐利，能够看到比单根人类头发更小的细节（实际上要小得多——达到细菌的大小）。它就像一个高速相机闪光灯，能够冻结在几分之一秒内发生的运动。
• 挤压装置（磁铁）： 这是本次展示的新主角。团队建造了一种特殊的轻型“脉冲磁铁”（称为 Pi-Mag）。它就像一个超强力电磁铁，可以在一瞬间开启和关闭。它产生的磁场强度是地球磁场的 10 万倍。

2. “分裂”磁铁设计

该磁铁被设计成一对张开的手（“分裂对”线圈）。

• 为什么要分裂它？ 如果磁铁是一个实心环，科学家们就无法让激光或 X 射线穿过它。通过将其分裂，他们创造了一些小小的“窗口”或隧道。
• 结果： 他们可以从不同角度通过这些窗口照射加热激光和 X 射线相机，同时磁场在中间挤压等离子体。这就像拥有一个笼子，你仍然可以从各个侧面看到里面的动物。

3. 时间同步技巧

最困难的部分是让这三件事在完全相同的时间发生。

• 磁铁需要巨大的电脉冲（10,000 安培！）才能工作。
• 激光需要在极短的时间窗口内发射。
• 科学家们将所有内容同步，使磁场在激光发射的精确时刻达到峰值强度。
• 挑战： 当激光击中目标时，它会产生杂乱的等离子体，这可能导致真空室内部产生电火花（短路）。团队必须用特殊的电工胶带（就像用于电的重型 duct tape）包裹磁铁的电线，以防止这些电火花破坏实验。

4. 他们的发现（首次测试）

团队不仅建造了这台机器，还用它来观察“湍流”等离子体风暴。

• 没有磁铁时： 当他们让等离子体在没有磁场的情况下旋转时，能量以特定且可预测的方式移动（就像水流进下水道一样旋转）。
• 有磁铁时： 当他们开启 10 特斯拉的磁铁时，行为发生了变化。能量移动的“斜率”发生了偏移。
• 类比： 想象一群人混乱地在一个圆圈里奔跑。如果没有围栏，他们会到处乱跑。如果你在他们周围设置一道强大的磁性围栏，他们就无法自由移动；他们会被“拉伸”，其混乱的奔跑会减慢。磁铁就像一道看不见的围栏，阻止能量像以前那样快速扩散，从而改变了湍流的行为方式。

为什么这很重要

这台机器是首台将高功率激光、超强磁铁和超锐利 X 射线相机结合在一起的同类设备。它使科学家能够以前所未有的细节“看到”磁化等离子体风暴内部发生的事情。这有助于他们理解恒星的物理特性，改进核聚变能源研究，并研究物质在极端压力和磁场力下的行为。

简而言之，他们建造了一种新型“时间机器”，使我们能够冻结并检查宇宙中最极端环境中物质那不可见且混乱的舞蹈。

技术摘要

技术摘要：用于 X 射线自由电子激光诊断的功率激光实验的 10 特斯拉脉冲磁体

问题陈述
在极端条件下对磁化等离子体和固体的研究对于推进高能量密度物理（HEDP）至关重要，包括实验室天体物理和惯性约束聚变中的应用。然而，存在显著的诊断空白：常规光学诊断无法穿透这些实验中产生的高密度等离子体，而现有的 X 射线源通常缺乏可视化精细结构细节所需的空間分辨率（通常限制在约 25 微米）。尽管 X 射线自由电子激光（XFEL）提供了亚微米分辨率和高亮度，但这些能力尚未被充分利用来研究 HEDP 中的磁化过程，特别是在需要高磁场来影响等离子体动力学的情况下。

方法论
为解决这一问题，作者在 SACLA（日本）的 EH5 光束线上开发了一个新颖的实验平台，集成了三个不同的系统：高功率光学激光、XFEL 探针和外部脉冲磁场。

• 脉冲功率系统（Pi-Mag）： 设计了一个紧凑的 50 千克脉冲功率系统，配备充电至 2 千伏的 2.4 毫法拉电容器组，储存 4.8 千焦耳的能量。该系统由晶闸管触发，提供最大 10 千安的放电电流。系统通过树莓派远程控制，并包含与实验舱门同步的安全联锁装置。
• 分裂对线圈： 磁场由一个轻量级（150 克）的分裂对线圈产生，该线圈由含 10% 银的铜银合金线制成。线圈每对包含 10 匝和 10 层，具有 12 毫米的分裂间隙，允许光学访问。它在赤道平面设有八个 45 度间隔的端口，在极平面设有两个 90 度端口，支持多角度诊断。
• 同步与环境： 系统在真空环境中运行。磁场脉冲（持续 1.3 毫秒）与光学激光和 XFEL 脉冲同步。作者指出，当功率激光击中靶材时，由于等离子体引起的绝缘击穿会发生异常放电；通过在电极上施加电气绝缘胶带缓解了这一问题。
• 诊断： 该装置利用高功率纳秒激光（532 纳米，15–20 焦耳）驱动冲击波，并使用 7 千电子伏特的 XFEL 光束（非聚焦，直径 0.6 毫米）作为探针。成像使用氟化锂（LiF）晶体探测器进行高分辨率（约 0.6 微米）离线射线照相，并使用基于 CCD 的探测器进行在线对准和射击监测。

主要贡献
这项工作的主要贡献是成功调试了 SACLA 上首个能够将 10 特斯拉磁场与高功率激光驱动物质及 XFEL 诊断相结合的平台。

• 场性能： 分裂对线圈在 6 千安电流下，在 0.5 立方厘米的体积内产生均匀的 10 特斯拉磁场（磁压约 0.04 吉帕）。磁场均匀性为±2 毫米，足以满足诊断视场（< 0.6 毫米）的需求。
• 运行能力： 该平台支持每 10 分钟一个脉冲的重复频率（受线圈加热限制），并允许每个真空循环进行多达 10 次射击。
• 诊断集成： 该系统成功将磁场峰值与驱动激光和 XFEL 探针的到达时间同步，从而能够研究磁化环境中的瞬态非平衡现象。

初步结果
作者进行了一项初步实验，利用设计用于产生瑞利 - 泰勒（RT）不稳定性及随后湍流的靶材来研究磁化湍流。

• 实验装置： 一个由聚对二甲苯烧蚀层、调制溴化塑料推板和间苯二酚甲醛泡沫组成的靶材，被光学激光照射以驱动冲击波。
• 观测： 在垂直于冲击波传播方向施加 9.3 特斯拉磁场和不施加磁场的情况下，分别进行了 X 射线射线照相。
• 频谱分析： 空间功率谱分析揭示了湍流斜率的显著变化。在没有磁场的情况下，斜率约为 -1.5。在存在 9.3 特斯拉磁场的情况下，斜率转变为 -1.1。
• 解释： 这种转变表明磁场影响了能量的耗散，可能是通过洛伦兹力抑制涡旋拉伸和涡流形成，从而减少了向更小尺度的能量传递。

意义
该论文声称，该平台为磁化湍流的实验表征开辟了一个新领域，该主题此前仅限于观测、理论和计算研究。通过实现以微米级分辨率测量磁化流中的功率谱，该平台使得测试关于弱和强磁流体动力学（MHD）湍流的理论模型成为可能。作者强调，这种能力对于理解磁场如何在极端条件下改变状态方程、波动力学和湍流等离子体行为至关重要。未来的工作旨在将磁场强度提高到 15–20 特斯拉，并表征当磁场平行于激光轴时的湍流各向异性。