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本文通过实验和模拟，证实了在激光产生的磁化等离子体中，离子能通过超临界无碰撞激波的单次反射获得能量，明确了激波漂移加速（SDA）是主要机制，为宇宙加速器的实验室研究及激光相关领域发展提供了重要依据。
引言
在天体物理学中，无碰撞激波是极为强大的粒子加速器，被认为与宇宙射线的起源相关。费米加速理论指出，带电粒子通过在无碰撞激波间反复反射获取能量，形成高能粒子的幂律谱，这一过程被称为扩散激波加速。然而，粒子要进入费米加速循环，需先被预加速至足够大的回旋半径。目前，有多种机制如激波漂移加速（SDA）和激波冲浪加速（SSA）被提出用于解释粒子的预加速过程，但这些大多停留在理论或模拟阶段。
原位航天器测量虽对无碰撞激波物理研究有重要意义，但因采样不足存在局限性，导致无碰撞激波的形成和演化尚未完全明晰。而实验室实验能在可控和可重复的条件下进行研究，可弥补部分不足。近年来，相关实验已延伸至与太阳系相关的超临界磁化无碰撞激波领域。在 Omega 激光设施和 LULI 激光设施都开展了相关实验，但 SDA 和 SSA 的有效性及相对重要性仍有待确定。
本文报道了在中等马赫数（Mms~6）超临界准垂直无碰撞激波中离子加速的实验结果。该激波由激光产生的超音速等离子体流冲击磁化的环境等离子体形成。实验观测到准单能离子，其速度是激波速度的 2 - 4 倍，且高能离子通量比先前 SSA 实验高 3 - 4 个数量级。这为离子通过无碰撞激波单次反射加速提供了直接的实验室证据，与地球弓形激波中观测到的快离子成分相符。研究结果表明，在地球弓形激波中，SDA 主导离子能量激发，而非先前认为的 SSA。
结果
- 实验设置与等离子体特性：实验在神光 - II 激光设施进行。较弱的前驱激光束烧蚀塑料（CH2）平面靶产生环境等离子体，该等离子体被 5 - 6T 的外部背景磁场磁化。随后，强驱动激光束照射另一塑料靶产生超音速等离子体流，驱动磁化环境等离子体形成准垂直无碰撞激波。利用光学诊断技术对激波和环境等离子体密度进行表征，通过飞行时间（TOF）法使用法拉第杯测量离子速度谱。
环境等离子体的电子密度在～1×1018/cm3到5×1018/cm3之间变化，梯度尺度长度约为 1mm，电子温度约为 40±10eV。活塞等离子体电子温度约为 200eV，能驱动形成准半球形磁化无碰撞激波。由于环境等离子体不均匀，激波呈不对称状。外加磁场有助于激波形成，且会使密度剖面的足部区域更宽更密，这与卫星观测和先前模拟结果一致。实验中激波法线与上游磁场夹角θBn约为 90°，属于近垂直激波，激波速度vshock约为 400km/s。
在实验参数下，磁化激波近似无碰撞。离子 - 离子碰撞平均自由程约为 4mm，远大于离子拉莫尔半径（约 800μm）和激波厚度（约 500μm）。密度压缩因子大于 3，满足激波的流体动力学兰金 - 于戈尼奥跳跃条件。激波的阿尔文马赫数MA约为 7 - 11，声马赫数Ms约为 7 - 9，磁声马赫数Mms约为 5 - 7，环境等离子体 β 值约为 0.9 - 1.4，这些条件与地球弓形激波相关。
模拟研究激波形成与离子动力学：进行了一维（1D）和二维（2D）粒子在胞（PIC）模拟，以研究活塞驱动磁化环境等离子体中激波的形成。模拟结果显示，在相互作用开始时，活塞像雪犁一样以约 400km/s 的速度扫掠环境离子和磁场，导致活塞 - 环境等离子体界面周围的密度和磁场压缩。由于离子有效无碰撞，环境和活塞等离子体中的离子相互穿透。在t0 + 1.71ns（上游H+离子回旋周期ωci?H?1约为 1.71ns）时，压缩陡峭的磁结构足以反射环境H+离子，激波开始形成。在约t0 + 4.79ns 时，形成了离子尺度的激波，速度为 415km/s，MA约为 8.3。模拟中的激波再现了足部和斜坡的特征，压缩比大于 3，且在后续几个回旋周期内，激波足部区域发生重构，C5+离子在H+离子激波后形成另一个激波。
离子加速观测与机制分析：实验中观测到离子加速现象，法拉第杯收集的离子通量 TOF 信号显示，离子速度谱出现两个峰值。第一个峰值对应活塞等离子体的粒子，速度vpiston约为 300 - 800km/s，接近激波速度。第二个峰值由加速的快离子产生，速度Vfast_ions约为 1100 - 1800km/s，为准单能谱，约为激波速度的 2 - 4 倍，与卫星在地球弓形激波中观测到的快离子成分相似。降低驱动激光强度，快离子峰减弱；增加外部磁场强度，快离子峰更明显，即使没有外部磁场，由于约 1T 的自生磁场，仍能观测到快离子峰。
PIC 模拟也证实了激波的离子加速能力，离子速度谱同样出现两个峰值。第一个峰值由激波下游的活塞等离子体提供，第二个峰值是上游反射的快离子，速度约为激波速度的 2 - 3 倍，主要由从环境等离子体中拾取的H+离子在激波反射过程中加速形成。
通过分析离子在激波过渡层反射进入上游区域前，电场力和洛伦兹力在 +x方向所做的功，发现 73% 的高能离子经历 SDA，而 SSA 贡献较小。在 SDA 中，离子由Ex和Ez电场共同加速，这与 SSA 中沿激波前沿的Ez电场主导加速不同。因此，实验中在面向激波前沿的 +x方向能测量到强烈的快离子通量。
模拟表明，环境离子的反射效率约为 20 - 26%，加速离子主要是H+（C5+离子比例小于 1%）。中等马赫数激波下 SDA 更有效的反射，解释了本实验中高能离子通量比低马赫数激波实验高 3 - 4 个数量级的现象。先前实验中观测到的 50 - 100keV 高能尾可归因于 SDA 预测的速度为激波速度 2 - 3 倍的快离子成分，而 20 - 50keV 的低能部分可能来自下游，即高能离子在下游区域耗散部分能量后的产物。
此外，发现一小部分（<0.1%）早期反射的离子可在上游和激波前沿之间经历多次反射和加速，产生具有连续谱的更高能量离子，最终进入下游区域，这有可能启动费米加速循环，但这些更高能量离子比实验中的准单能快离子峰弱 3 个数量级，会被实验噪声掩盖。
讨论
本研究提供了离子通过超临界准垂直无碰撞激波单次反射获得能量的直接实验室证据，与卫星在地球弓形激波中观测到的准单能快离子成分相符。确定了 SDA 在地球弓形激波离子能量激发中起主导作用，而非先前认为的 SSA。SDA 具有更有效的反射，激波法线和切向方向的电场分量都对离子加速有贡献。无碰撞激波的多次反射伴随着连续的小能量增量，有可能将带电粒子能量提升到很高的值，从而启动费米加速循环，产生宇宙中的高能带电粒子。
未来实验将探索电子在这一过程中的加速情况，而平行激波对于激光驱动的无碰撞激波仍是一个挑战。本研究为受控实验室实验开辟了道路，可补充遥感和航天器观测，帮助验证粒子加速模型。研究结果对激光驱动离子加速器有益，表明添加磁场可能显著增加高能离子剂量；同时也为激光核聚变提供了有用指导，因为无碰撞激波通过自生磁场产生的高能离子会严重干扰胶囊压缩。
