标准有限元方法模拟大气压流注等离子体中数值振荡与伪扩散问题研究与改进

基于商用软件的等离子体数值模拟方案大多是基于标准Galerkin格式的有限元方法,在计算大气压流注放电时,存在数值振荡和伪扩散的问题,计算结果可靠性不高.针对针-板体流注放电结构,构建了修正的COMSOL Multiphysics等离子体模型.修正模型与COMSOL Multiphysics内置等离子体模块的区别主要在于增加了基于弱形式的人工稳定项.利用修正模型复现了经典的雪崩-流注转捩算例,并与经典纳秒秒冲过电压针板放电实验结果进行了对比验证.结果表明,引入修正后的商用软件模型能够克服数值振荡和伪扩散缺陷,确保等离子体数值计算的准确性和可复现性.      

Compton散射对激光等离子体通道寿命的影响

为了研究多光子非线性Compton散射对飞秒激光退吸附作用对等离子体通道寿命的影响,应用多光子非线性Compton散射模型和强飞秒激光在空气中产生等离子体通道内带电粒子动力学模型,提出了多光子非线性Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的一个重要机制,给出了等离子体通道中带电粒子的修正动力学方程,并进行了数值计算和实验研究.结果表明:散射削弱了自由电子对氧分子的吸附和正负离子的复合,有效地补偿了等离子体的辐射阻尼效应,后续激光脉宽和间隔以及Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的关键因素,理论计算与实验结果较好的吻合.     

线偏振、圆偏振和椭圆偏振的飞秒激光诱导熔融石英损伤(英文)

基于电子分布函数的等离子体模型被广泛应用于熔融石英上飞秒激光诱导损伤过程的研究.在本研究中,等离子体模型被修正以研究不同的偏振状态的损伤过程,包括线偏振、圆偏振和椭圆偏振等.首先,使用扩展的Keldysh理论拟合得到不同偏振下的多光子电离截面.其次,为消除沉积能量梯度对模拟过程的影响,对介电函数进行了"非局部化处理".模拟结果表明:不同偏振下光子电离过程的差异是导致损伤过程差异的主要原因,而材料光学特性的改变导致的负反馈效应会使得该差异减小.修正等离子体模型预测的不同偏振下损伤阈值与实验结果吻合良好.     

液体中光击穿阈值的研究

从等离子体中自由电子密度速率方程出发,考虑到脉冲激光在聚焦区域的特征以及液体中光击穿的实验情况,提出了等离子体椭球模型.通过该模型的建立,对自由电子密度速率方程中电子扩散速率进行了修正,在理论上得到了光击穿的阈值.结果表明,等离子体椭球模型计算出水的击穿阈值更符合实验情况.     

应用Saha方程计算氩等离子体的Hugoniot物态方程

应用Saha模型加Debye-Huckel修正计算氩等离子体的Hugoniot物态方程,温度在10000-30000K之间,压力在0.0133-0.166GPa范围内,非理想参数Γ≈0.38.实验值和理论计算结果符合较好,说明Saha模型加Debye-Huckel修正能较好描述该热力学条件下氩等离子体的热力学行为.     

液体中光击穿阈值的研究

从等离子体中自由电子密度速率方程出发,考虑到脉冲激光在聚焦区域的特征以及液体中光击穿的实验情况,提出了等离子体椭球模型.通过该模型的建立,对自由电子密度速率方程中电子扩散速率进行了修正,在理论上得到了光击穿的阈值.结果表明,等离子体椭球模型计算出水的击穿阈值更符合实验情况.     

水分含量对激光诱导岩屑等离子体特性的影响

对制备的七种不同湿度的岩屑样品进行实验,研究了水分含量对激光诱导岩屑等离子体特性的影响以及不同水分含量下样品中各元素浓度值的修正方法.实验分析了Ca II 422.67nm谱线强度随岩屑样品含水量的变化,通过Ca II和Al I各自四条谱线的玻尔兹曼图计算了不同水分含量下的等离子体平均温度,并使用Lorentz拟合Ca II 422.67nm谱线获得了不同水分含量岩屑等离子体的电子密度.实验结果表明,随着水分含量的增加,光谱强度、等离子体温度和电子密度均线性降低,各元素自由定标模型定量分析结果有较大差异,但不同水分含量的岩屑等离子体均满足局部热力学平衡的Mc Whirter标准,自由定标模型可以用于不同水分含量岩屑样品的分析及影响的简单修正.     

Compton散射对激光等离子体通道寿命的影响

为了研究多光子非线性Compton散射对飞秒激光退吸附作用对等离子体通道寿命的影响,应用多光子非线性Compton散射模型和强飞秒激光在空气中产生等离子体通道内带电粒子动力学模型,提出了多光子非线性Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的一个重要机制,给出了等离子体通道中带电粒子的修正动力学方程,并进行了数值计算和实验研究。结果表明：散射削弱了自由电子对氧分子的吸附和正负离子的复合,有效地补偿了等离子体的辐射阻尼效应,后续激光脉宽和间隔以及Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的关键因素,理论计算与实验结果较好的吻合。     

κ-ε湍流模型可压缩性修正在超音速混合层中的应用研究

对标准κ-ε两方程湍流模型进行Durbin可实现性、Heinz湍流产生项以及Sarkar可压缩性修正三部分修正.尝试考虑结构可压缩性修正的影响,发展了一个同时考虑结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正的湍流模型.以超音速混合层为基础,分析了各个可压缩性修正的相对重要性,并将混合层厚度增长率、湍流动能的计算结果与实验结果进行比较,验证、分析修正模型的效果.结果表明,修正模型能够准确地预测到超音速混合层的发展,使模拟结果和实验结果更加接近.     

准分子激光蒸发YBa2Cu,sub>3C7-x靶产生等离子体的膨胀过程研究

对XeCl准分子激光蒸发YBa2Cu3O7-x陶瓷靶产生的等离子体进行了实验和理论研究.利用发射光谱,分辨出等离子体内的各种粒子.并对各种粒子进行了飞行时间谱测量.在实验的基础上,建立了一个等离子体的膨胀模型.计算结果与实验符合较好.     

激光等离子体辐射不透明度的细致模型

细致谱线模型是等离子体辐射不透明度精确计算的理论方法,涉及到很多原子物理过程,需要计算大量的、精确的原子参数.在高温、稠密等离子体环境下,谱线展宽、组态相互作用、电离能下降等效应与不透明度的准确计算密切相关.文章重点介绍了目前作者在辐射不透明度细致谱线模型研究方面取得的进展情况,并且与国内外典型的实验和理论结果进行了对比.     

惰性物质等离子体物态方程研究

对高温高压下惰性等离子体的电离度和物态方程，给出了一种基于Thomas-Feimi(TF)统计模型的简化计算新方法，即首先对TF模型电离势的数值结果进行函数逼近，得出近似计算电离势的简单解析函数；在局部热动平衡情况下，假定离子数密度n(Z^*)为Z^*的连续函数，再由Debye-Hückel修正的 Saha 方程，得出了一个便于数值求解的电离度的近似计算公式，从而建立了一种惰性等离子体物态方程的简化模型，并对氦、氖、氩三种惰性物质等离子体进行了计算.计算结果与其他文献计算结果和实验值均符合很好.所提出的简单模型也适用于计算混合物物态方程，在高温高密度强电离等离子体领域将有更为广阔的应用前景.     

氩等离子体物态方程的TF简化模型

对于高温高压下氩等离子体的电离度和物态方程,本文给出了一种基于Thomas-Feimi(TF)统计模型的简化计算新方法:首先将TF模型电离势的数值结果进行函数逼近,给出一个便于数值求解的计算电离度的近似计算方法,并由此计算了局部热动平衡下的氩等离子体在10～1000 eV高温范围内的物态方程.计算结果与国外报道的其他几种理论模型的计算结果均符合很好,与实验值也吻合较好.本文所提出的简单模型也适用于计算混合物物态方程,可以在电磁发射技术领域中的强电离等离子体中有更为广阔的应用前景.     

Resonant multiphoton ionization of Li

We present calculations of three photon ionization of Li produced by 3-ps laser pulses within a single electron local model potential using the dressed state picture. The laser frequency ranges from 15 000 to 18 400 cm⁻¹. We have found that the measured ionization signal as a function of photon frequency results from ionization processes in a region where the laser intensity is not homogeneous. We assume a Gaussian shape for the light pulse in the interaction volume. Our results are shown to be in good agreement with experiment. We propose that free electrons are submitted to a ponderomotif potential to interpret experimental results. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

Ionization Potential Depression in Hot Dense Plasmas Through a Pure Classical Model

The ionization potential of an ion embedded in a plasma, lowered due to the whole of the charged particles (ions and electrons) interacting with this ion, is the so‐called plasma effect. A numerical plasma model based on classical molecular dynamics has been developed recently. It is capable to describe a neutral plasma at equilibrium involving ions of various charge states of the same atom together with electrons. This code is used here to investigate the ionization potential depression (IPD). The study of the IPD is illustrated and discussed for aluminum plasmas at mid and solid density and electron temperatures varying from 50eV to 190eV. The method relies on a sampling of the total potential energy of the electron located at an ion being ionized. The potential energy of such electron results from all of the interacting charged particles interacting with it. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

类氢氖基态电离势随等离子体温度密度的变化

采用自洽场离子球模型,研究类氢氖基态1s的电离势随等离子体电子温度及电子密度的变化规律,计算得到基态电离势的百分偏移量随等离子体电子密度的变化关系,拟合结果表明两者的对数值满足很好的线性关系.该结果对计算等离子体电离态分布及光谱模拟具有一定意义.     

温稠密铝等离子体物态方程及其电离平衡研究

温稠密物质的物性参数在惯性约束聚变能源、Z箍缩等高能量密度物理领域的实验结果分析和物理过程数值模拟等方面有着重要的应用价值.本文应用部分电离等离子体模型,在理想自由能的基础上考虑了库仑相互作用、排斥体积作用和极化作用等非理想特性,开展了温稠密等离子体物态方程和电离平衡的研究.计算了温稠密铝等离子体的压强等物态方程数据和在密度为1.0×10^-4-3.0 g/cm^3,温度为1.0×10^4-3.0×10^4 K范围内的粒子组分.计算结果显示,铝等离子体的平均电离度在临界密度区域内随着密度的增加而突然增大.根据非理想Saha方程中有效电离能这一关键参数,分析了铝等离子体平均电离度在临界密度区域内随密度迅速增大的现象.     

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为了准确计算稠密等离子体电离平衡,在理想Saha方程的基础上,加入了压致电离理论和德拜理论相结合的修正。此电离模型可以描述稠密等离子体内电离机制随着密度的增加由热电离转变为压致电离的现象。压致电离理论结合德拜理论修正的 Saha 方程的计算结果与其它电离模型结果作了对比和分析。电离气体区域采用完全电离等离子体模型计算电子弛豫时间,而在凝聚态区域采用电子平均自由程计算电子弛豫时间。提出了将两个区域平滑连接起来的公式,从而建立了一种可以计算从理想等离子体态到凝聚态物质的半经验电导率模型,半经验模型计算结果与实验数据作了对比。     

一种计算稠密等离子体电导率的半经验模型

为了准确计算稠密等离子体电离平衡,在理想Saha 方程的基础上,加入了压致电离理论和德拜理论相结合的修正。此电离模型可以描述稠密等离子体内电离机制随着密度的增加由热电离转变为压致电离的现象。压致电离理论结合德拜理论修正的Saha 方程的计算结果与其它电离模型结果作了对比和分析。电离气体区域采用完全电离等离子体模型计算电子弛豫时间,而在凝聚态区域采用电子平均自由程计算电子弛豫时间。提出了将两个区域平滑连接起来的公式,从而建立了一种可以计算从理想等离子体态到凝聚态物质的半经验电导率模型,半经验模型计算结果与实验数据作了对比。     

计算局部热动平衡和非局部热动平衡等离子体电离度的近似方法

当物质被加热到高温时,特别是高Z元素都要产生多次电离。电离度对等离子体的很多性质都有重要影响。因此,为了解决等离子体的很多实际问题,需要寻求一种计算平均电离度的近似方法。在本文中,首先将文献[1]给出的Thomas-Fermi统计模型电离势的标度律和数值结果用函数逼近,给出了一个便于近似数值求解的解析表达式,然后利用文献[2]给出多次电离的近似计算方法,计算了Au元素LTE情况下的电离度,结果与平均离子模型的计算结果符合得很好。另外,我们将近似方法推广到non-LTE情况,根据电晕模型和碰撞-辐射模型对Au的电离度作了类似的计算。电晕模型的计算结果与文献[1]发表的数据符合得十分好;而碰撞-辐射模型的计算结果随着密度的降低趋近电晕模型的结果,而随着密度的升高趋近于LTE的结果。最后以图表的形式给出了Au元素电离度的所有计算结果及其比较。