快点火中相对论电子束能量沉积的动理学研究

针对相对论快电子束在高密度压缩芯区等离子体中的能量沉积过程开展物理建模、程序研制和数值模拟研究。从等离子体粒子碰撞的基本物理出发,综合考虑了高能电子与背景等离子体之间的短程两体碰撞过程和长程集体效应,建立了相对论Fokker-Planck动理学模型,通过采用球谐展开的方法,推导得到了适于数值求解的方程形式并根据方程特点开展相应的数值算法研究及程序研制并完成了物理考核,对快点火能量沉积的典型物理算例进行了模拟研究,并针对即将在神光Ⅱ升级装置上开展的快点火物理实验进行了初步的物理分析。     

球坐标动量空间下相对论Vlasov方程的数值算法

针对相对论Vlasov方程动量区间跨度大、难以计算的困难,将相对论Vlasov方程在球坐标动量空间中进行数值求解.对相对论Vlasov方程球坐标动量空间构造4阶非分裂守恒型数值格式.数值模拟相对论Landau阻尼问题并与解析理论进行比较,验证数值模型和算法的有效性.对激光等离子体相互作用进行初步模拟分析,表明通过采用球坐标下的动量空间,可在相对较少动量网格情形下,获得与粒子模拟可相互验证的结果.     

二维分子动力学计算中协调系数的表达式

协调系数是反映气体与壁面动量和能量交换的重要参数,可通过分子动力学方法进行统计,其二维模拟由于计算量较三维大大减小而逐渐得到应用.法向动量协调系数表达式中的p_(nw)和能量协调系数表达式中的E_w分别表示气体分子在壁面漫反射后的平均法向动量和平均能量,利用气体动理论推导发现,二维的p_(nw)与三维相同,而E_w则由于降维小于三维的结果,导致能量协调系数的表达式在二维计算中有别于三维.依据协调系数的表达式,使用分子动力学方法模拟三维和二维系统中的导热问题,结果表明,二维能量协调系数与三维相比较小,而法向动量协调系数差别不大.     

感应耦合氩等离子体反应器内流场的三维数值模拟（英文）

感应耦合等离子体反应器内流场的三维数值模拟可以揭示其复杂的空间分布.利用PROE软件建立反应器的三维模型.假设等离子体是良好的导体,结合麦克斯韦方程组以及电磁学和流体力学方程,经过推导得到磁流体力学的连续、动量、能量方程.利用FLUENT软件的二次开发功能完成耦合计算.磁场的矢量方程通过复矢量技术和UDS得到解决,利用UDS定义变物性参数和添加源项.在C语言的基础上编写UDF.将划分好网格的模型和UDF导入FLUENT中,应用基于压力法的求解器进行模拟运算.通过模拟运算得到了反应器内电磁场、温度场、速度场的分布图.最后进行了二维模拟和三维模拟的对比,以验证文中所进行模拟所得结果的可行性.     

超热电子在稠密等离子体中输运的混合粒子模拟方法

相对论激光等离子体相互作用以及所产生的带电粒子束在高密度等离子体中的输运行为非常重要.该物理问题的数值模拟研究仍面临技术挑战.本文介绍一种粒子/流体混合模拟方法.该方法中超热电子采用动力学方法描述,背景冷的稠密等离子体采用简化的流体方程描述,适合于超热电子密度远小于背景电子密度,超热电子能量远大于背景电子温度.我们的三维并行混合模拟程序HEETS的模拟结果表明：背景材料的电离和电阻率模型至关重要,将严重影响高能电子输运过程的模拟.     

等离子体电极普克尔盒电光开关单脉冲过程数值模拟

采用流体模型对等离子体电极普克尔盒(PEPC)电光开关单脉冲过程进行了数值模拟分析.模型包括带电粒子连续性方程、动量守恒方程、电子平均能量方程及空间电位泊松方程.分别采用隐式指数差分格式，超松弛迭代法(SOR)和经典四阶龙格-库塔法(R-K)对带电粒子连续性方程，泊松方程和电子平均能量方程进行数值求解.模拟分析了PEPC单脉冲过程中的带电粒子浓度、电子温度、空间电场、PEPC的放电电流、晶体两侧电压和开关效率的时间演化特性.模型得出了PEPC中气体放电等离子体的微观物理过程与PEPC宏观参量的关系，对设计 关键词： 等离子体电极普克尔盒 电光开关 数值模拟 气体放电     

紧聚焦飞秒脉冲与石英玻璃相互作用过程中的电子动量弛豫时间研究

本文通过数值模拟(3+1)维扩展的广义非线性薛定谔方程,研究了紧聚焦飞秒激光脉冲在诱导石英玻璃的非线性电离过程中电子动量弛豫时间对于该电离过程的影响.计算结果证明电子动量弛豫时间会直接影响入射脉冲在焦点区域所形成的峰值场强、自由电子态密度和能流等参量的分布态势,因此在与实验结果相比较后发现适合于相互作用过程的电子动量弛豫时间的理论值约为1.27 fs.进一步的研究表明,电子动量弛豫时间与逆韧致吸收效应、雪崩电离的概率、等离子体密度、等离子体的自散焦效果以及间接引起的焦平面位置的移动都有着密切的联系.当前的研究结果表明电子动量弛豫时间在飞秒激光脉冲与物质相互作用的过程中发挥着重要作用.     

亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟

以临近空间高超声速飞行器和航天器再入大气环境飞行过程中其表面产生的高密度非平衡态等离子体为研究对象,基于本研究组所建立的多相交流电弧放电等离子体实验平台(MPX-2015),开展了非平衡态氩等离子体射流特性的二维数值模拟研究.在亚音速条件下二维、非平衡数值模拟所得到的计算结果与实验测量结果符合良好.超音速条件下的数值模拟结果表明,随着真空腔压强的降低,等离子体射流流速明显增大,覆盖钝体头部的等离子体鞘套的厚度先减小,而后又增加,鞘套的空间均匀性以及等离子体向钝体表面的总传热量均显著降低,而钝体头部的局部电子数密度则增大.数值模拟结果为在MPX-2015上开展超音速条件下的实验研究提供了理论指导.     

二维相对论运动等离子体的介电率张量

定义了相对论性运动等离子体的物理模型.利用荷流体的微扰理论，研究了该系统二维扰动现象及背景离子下的束-波互作用问题，导出了该系统的介电率张量.研究表明，相对论运动等离子体系统属复杂的色散荷流体介质并呈复杂的空间电磁不均匀性.数值模拟计算给出了相对论运动等离子体系统的介电率对波频率、电子能量以及空间坐标的响应. 关键词： 等离子体 荷流体 介质 电磁理论     

极端相对论快电子分布等离子体中横振荡色散关系

本文对各向同性极端相对论快电子呈幂律分布等离子体中横振荡色散关系进行了解析和数值研究.得到长波支和短波支色散关系的解析表达式.由于解析近似对波数的限制,无法得到全波数空间色散曲线,因此对色散方程进行了数值求解.研究表明,在满足长波支和短波支条件时,解析色散曲线与数值色散曲线完全符合.此外,利用多项式回归的方法对数值结果进行拟合,得到不同参数下快电子分布等离子体横振荡色散关系近似表达式,该结果为进一步研究快电子分布等离子体的性质提供了重要的理论依据. 关键词： 相对论性等离子体 快电子分布 色散关系 数值计算     

Investigation of a channeling high-intensity laser beam inunderdense plasmas

The interaction of an intense short pulse laser (>5×10 ¹⁸ Wcm^-2) with underdense plasma was extensively studied. The beam is found to be highly susceptible to the forward Raman scattering instability. At sufficiently high growth rates, this can lead to wavebreaking with the resultant production of a high flux of accelerated electrons (>10¹¹ for E>2 MeV). Some electrons are found to be accelerated well above the dephasing energy, up to 94 MeV. Self-scattered images intimate the presence of high-intensity channels that extend more than 3.5 mm or 12 Rayleigh lengths. These filaments do not follow the axis of laser propagation, but are seen to be emitted within an f4 cone centered around this axis. Spectra of the self-scattered light show that the main contribution of the scattering is not from light captured within these filaments. But there is evidence for self-phase modulation from effects such as ionization and relativistic self-focusing. However, no clear correlation is observed between channel length and the number or energies of accelerated electrons. Evidence for high intensities within the channels is given by small-angle Thomson scattering of the plasma wave generated therein, with this method, the intensity is found to be of the order of 10¹⁸ Wcm^-2 greater than 12 Rayleigh lengths from focus     

Collective deceleration of relativistic electrons precisely in the core of an inertial-fusion target

The energy deposition of a relativistic electron beam in a plasma can be managed through turning on or off fast beam-plasma instabilities in desirable regions. This management may enable new ways of realizing the fast-igniter scenario of inertial fusion. Collisional effects alone can decelerate electrons of at most a few MeV within the core of an inertial-fusion target. Beam-excited Langmuir turbulence, however, can decelerate even ultrarelativistic electrons in the core.     

Cyclotron mechanism of electron acceleration in subpicosecond laser plasma

The effect of ultrastrong magnetic fields generated in a relativistic-intensity subpicosecond laser plasma on the acceleration of fast electrons was studied. It is shown that resonance electrons can continuously accumulate energy from the circularly polarized laser field in the presence of a longitudinal magnetic field. For the linear polarization and a transverse magnetic field, energy accumulation has a pulse-periodic character, and the electron trajectories correspond to electron rotation in the Larmor orbit in a quasi-stationary magnetic field, while the energy strongly oscillates. In both cases, electron energy may attain values higher than 100 MeV for intensities of 10²⁰ W/cm².     

Energy losses and scattering of fast electrons in a dense plasma

This paper describes an algorithm for the calculation of specific energy losses and multiple scattering of fast electrons in a plasma, taking into account the interaction of the electrons of the beam with the bound and free plasma electrons and with the plasma. Results are presented of calculations for aluminum and lead plasmas with density 0.001-1 of normal and with temperature up to 1 keV for initial electron kinetic energy of 1 MeV. The energy-loss distribution in an aluminum plasma is calculated by the Monte-Carlo method.Tomsk Polytechnic University. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 9, pp. 112–116, September, 1993.     

Relaxation of fast electrons in laser fusion targets

Collisional relaxation of a low density beam of non-thermal electrons injected into a high density Maxwellian plasma is investigated by computational treatment of Fokker-Planck type equation, with respect to the fast electron energy deposition and geometry configuration effects.     

辐照电子在光纤芯处能量沉积的计算

为了用尽可能低的辐照电子能量在光纤芯处形成大的性质改变,模拟了0.1～1 MeV能量的电子辐照二氧化硅.发现每一特定能量的电子辐照二氧化硅时,在其中有个能量沉积最快的位置.计算得到0.447 4 MeV能量的电子在单模光纤中心能量沉积最快,分析发现对于这个能量的电子多数可以穿透到光纤芯处,电子能量在光纤芯处的沉积主要是由于电子能量的减小造成的.这些结果可为用电子辐照光纤制作光器件时的初始电子能量选择提供参考.     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

EAST低杂波电流驱动的数值模拟及分析

介绍了波的射线轨迹程序C3PO和求解三维Fokker-Planck方程程序LUKE的基本计算过程及其物理机制.该程序采用的是反弹平均方法,考虑了相对论效应和捕获粒子效应.利用此程序模拟并分析了EAST偏滤器位形下等离子体电流对低杂波传播以及驱动效率的影响.计算结果表明,随着电流的增大,低杂波射线轨迹在极向的旋转加快,功...