超高速碰撞产生瞬态磁场的时间尺度特征
在超高速碰撞的早期阶段会产生瞬态等离子体云,等离子体云能以某种机理产生电流和磁场。在靶板表面的等离子体云中产生的非线性电子温度和电子密度梯度将产生磁场,场的持续时间从10-6s到约60s,依赖于弹丸的碰撞能量。本文利用超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的一维理论模型,理论推导了喷出物诱生磁场的峰值,得到了碰撞喷出物膨胀过程中磁场增强、磁场衰减的时间尺度特征及磁感应强度峰值。结合超高速正碰撞实验,给出了碰撞喷出物膨胀等离子体云中瞬态磁场的时间尺度,并与理论时间尺度进行了比较,结果基本一致。
关键词:超高速碰撞;等离子体;磁场;时间尺度
流星体或陨石与星际表面碰撞, 在碰撞过程早期喷出的碎片云中包含等离子体, 由此产生大的、短寿命的磁场。在星际表面大多数超高速碰撞喷出物的碎片云中都包含等离子体。Wetherill 认为在碰撞的后来阶段, 碎片云以8 km/ s 的平均速度向外膨胀扩展, 磁场将会增强。超高速碰撞产生等离子体内部瞬态磁场的产生和演化涵盖弹丸的侵彻成坑、成腔和后期的膨胀三个阶段。超高速碰撞产生等离子体和瞬态磁场的相关理论或许能解释月球表面的残余磁场[1-4] 。Pert[5] 在工作中得到碰撞产生等离子体的模型, 后来Hood 和Vickery[4-9] 指出在膨胀等离子体云内部电子密度梯度和温度梯度对实验室尺度碰撞等离子体的产生具有决定意义。
本文给出了描述超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的一维理论模型, 利用该理论模型得到了碰撞喷出物等离子体云膨胀过程中磁场增强、磁场衰减阶段的时间尺度特征及磁感应强度峰值。结合超高速正碰撞实验, 比较了碰撞喷出物膨胀等离子体云中瞬态磁场的时间尺度与理论时间尺度的关系。结果表明, 理论预言与实验结果基本一致。
本文通过广义欧姆定律与低温等离子体的法拉第电磁感应定律结合, 给出了描述超高速碰撞产生等离子体诱生磁场的一维理论模型, 基于该理论模型推导出了喷出物等离子体云中瞬态磁场的时间尺度及膨胀等离子体云中的磁感应强度峰值。超高速正碰撞实验结果表明, 碰撞喷出物膨胀等离子体云中瞬态磁场的时间尺度与理论推导结果基本一致。在接触的初始阶段, 在弹丸侧面的稀疏波进入前, 界面的厚度不依赖于弹丸的尺寸。由于离子的扩散比弹丸侵彻时间更长, 使混合物复合减小了电子的密度梯度。
Abstract: Here,we addressed the time evolution of both the transient electrical current and magnetic field in the expansion plasma clouds,induced by hypervelocity impact at the initial stage of ion sputtering.The magnetic fields possibly originated from the non-linear temperature and electron density gradients on and above the layered target under heavy bombardment of projectile.The peaking and decaying of the magnetic field intensity,in a rapid increase-decrease pattern,ranging from 10-6 s to 60 s and depending on the impinging energy between projectile and target interaction,were analytically evaluated,based on the one-dimensional model of plasma generation by hypervelocity impact.The time-dependent variations in the magnetic fields were measured in the vertical impact experiment.The calculated results were found to agree fairly well with those of the experiments.
Keywords: Hypervelocity impact,Plasma,Magnetic fields,Time scales
基金项目: 国家自然科学基金项目(10972145)
