超强激光与等离子体作用中的能量输运

应用多光子非线性Compton散射模型和数值计算方法,研究了Compton散射对超强激光与等离子体作用中能量输运的影响,提出了将Compton散射光和入射超强光作为电子能量输运的新机制,给出了电子热传导新模型和能量输运数值计算结果。结果表明:散射使等离子体中Weibel不稳定性和自生磁场增强效应导致耦合光传输方向的电子密度显著减小,更多激光能量以热流形式分布在横向方向。散射使电子吸收能量的时间缩短和自生磁场线性阶段最大增长率增大效应导致等离子体表面处沿耦合激光横向方向的热流几乎被完全限制,电子在激光传输方向的能量显著增加。     

飞秒激光等离子体中电子热传导现象的数值模拟

采用相对论电磁粒子模拟程序研究了飞秒激光等离子体相互作用中产生的电流密度、电场和自生磁场的发展演化过程。介绍了电子的非局域热输运的基本特性以及激光加热过程中温度烧蚀前沿稠密等离子体子区的预热效应、临界面附近的限流效应,以及冕区的反扩散与限流效应,得到了经典Spitzer-Harm理论描述的电子热传导随自生磁场的演化情形。数值模拟表明:在线性强激光作用下,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用。     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果。研究发现在时间为100~160范围内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段。增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40。入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47104~3.75104T,单电子能谱峰值出现在3.3MeV和6.6MeV附近,能谱曲线在4~15 MeV和11~14.3MeV范围迅速衰减,在6.7MeV和13.2MeV以上时,超热电子有效温度为2.6MeV和4.5MeV,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大。随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长。并对所得结果给出了初步物理解释。     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果。研究发现在时间为100~160范围内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段。增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40。入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47104~3.75104T,单电子能谱峰值出现在3.3MeV和6.6MeV附近,能谱曲线在4~15 MeV和11~14.3MeV范围迅速衰减,在6.7MeV和13.2MeV以上时,超热电子有效温度为2.6MeV和4.5MeV,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大。随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长。并对所得结果给出了初步物理解释。     

稀疏膨胀过程中几何位形对于电子非局域热传导的影响

发展了考虑一维柱对称、球对称位型下流体演化的Fokker-Planck程序, 在流体力学极限下对程序进行了校验. 利用程序模拟研究了球对称位型、平板位型下等离子体在自由稀疏演化过程中电子热流的非局域热输运行为, 分析了几何位型对电子非局域热传导的影响. 非局域卷积理论的计算研究发现, 稀疏过程中空间的几何效应会减小外向电子热输运的非局域性.     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果 .研究发现在时间为100~160内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段.增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40%.入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47×104~3.75×104T,单电子能谱峰值出现在3.3 Me V和6.6 Me V附近,能谱曲线在4~15 Me V和11~14.3 Me V迅速衰减,在6.7 Me V和13.2 Me V以上时,超热电子有效温度为2.6 Me V和4.5 Me V,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大.随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长.对所得结果给出了初步物理解释.     

激光等离子体不稳定性的入射光强度效应

用3维粒子模拟程序研究了相对论强激光和高密度等离子体相互作用引起的电磁不稳定。数值模拟表明,在线偏振强激光作用下,等离子体表面出现了电磁不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展和激光功率密度的增加进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体表面处激发饱和自生磁场。这种由电子速度各向异性而产生的自生磁场对激光有质动力推开电子时所形成的电子热流产生抑制作用,并将直接影响电子加速效率。     

短脉冲激光加工硅膜的传热过程及烧蚀图形的二维计算

为研究短脉冲激光辐照硅膜表面后的能量传输过程,基于双温方程的计算方法以及自由电子气理论,建立了求解能量传输方程的二维有限元模型.针对红外以及可见光波段的激光,通过限制硅膜的大小,有效地控制了计算的精度,并得到电子温度与热流的时间以及空间分布.计算结果表明,激光诱导产生的等离子体密度极大地影响了硅膜表面的反射率及光吸收系数;通过分析电子热流密度随时间的变化曲线,得到硅膜内部能量的传输过程;在激光作用过程中,硅膜内部晶格温度始终保持在熔点以下,证明了等离子体密度是激光烧蚀硅膜的主导因素;预测了激光烧蚀的图形,并分析了不同波长的激光烧蚀图形与高斯曲线的关系.     

马赫数对等离子体碰撞冲击波结构的影响——全动理学模拟研究

利用全动理学粒子(PIC)模拟研究不同马赫(Mach)数条件下等离子体碰撞冲击波的结构。研究发现：在低Mach数条件下,冲击波波阵面位置物理量的分布较为平缓(努森数较小),等离子体的粘性和热流可由经典输运理论描述,这种情况下数值求解双流体方程组得到的冲击波结构与PIC模拟一致。随着冲击波Mach数的增加,冲击波波阵面位置物理量的分布变陡,努森数增加,动理学效应对等离子体输运的影响变得显著。高Mach数条件下,动理学效应主要体现在“先驱离子”对离子粘性和热流的增强以及电子非局域输运对电子热流的影响。通过影响等离子体输运行为,动理学效应可以显著影响冲击波的结构特征。     

非均匀等离子体对强激光传播及电子束输运的影响

本文介绍近期针对非均匀等离子体对强激光传播和电子束输运影响取得的研究进展,首先研究弱无序分布等离子体对强激光传播的影响,提出强激光在弱无序等离子体中存在非线性分支流传输机制,并阐明光电离效应及相对论效应对分支流的重要影响。此外,研究等离子体密度梯度对相对论电子束输运过程的影响,发现相对论电子束输运所激发的静电波在空间固定点处的波数或相速度随时间变化,并且不依赖于等离子体密度的上升或下降,静电波的局域空间波数最终随时间逐渐增大,这导致在非均匀等离子体中静电波通过朗道阻尼方式将能量耗散转移给背景电子,表现为一种由背景等离子体密度梯度引起的束流能量耗散新机制。     

激光与靶非平衡耦合的数值模拟

对激光与高Z靶耦合主要物理过程,其中包括激光吸收,电子热传导,等离子体运动,非平衡原子物理,X光转换和辐射输运等现象的数值模拟作了全面的概括性描述。提出了总体微分方程组,建立了差分计算格式和求解方法,给出了程序数值计算的结果。     

激光脉冲能量对激光诱导铝合金等离子体物理特性的影响

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响,采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像,并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明,激光诱导等离子体呈现明显的分层结构,等离子体的激发阈值约为3mJ,等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10mJ时,等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10mJ增加到100mJ过程中,等离子体电子温度从4 980K升高到7 221K,等离子体的电子数密度在1017 cm-3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.     

超强激光等离子体相互作用中的自生磁场与能量运输

采用数值方法研究了超强激光与等离子体相互作用中产生的电磁不稳定性及其产生机制。用Spitzer-Harm理论分析了电子热传导中能量的运输情况,观察到由激光的非等方加热引起的电子纵向加热现象。结果表明,不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的电子热流产生抑制作用。同时发现,随着自生磁场的增长,电子被磁场波捕捉,热运输受抑制。     

电子传导不透明度研究的新结果

电子传导不透明度研究的新结果研究天体的或实验室的热等离子体系统，人们总要研究等离子体内的能量（或热量）传递和能量分配．从普通物理学知道，热传递有三种基本形式：辐射、传导和对流．在低温（特别是高密度）状态下，传热的主要形式是电子热传导．能量输运方程需要...     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

HT-7托卡马克等离子体欧姆放电时电子热扩散系数的研究

主要介绍从能量平衡分析来研究HT-7托卡马克等离子体电子的热扩散系数.研究结果表明,HT-7托卡马克等离子体电子的热传导损失是主要的能量损失,热对流损失不及欧姆输入功率的1%,可以忽略.电子的反常热扩散系数随半径的增大逐渐增大,且比新经典理论预言的大2个量级.同时研究了壁处理硅化后的电子热扩散系数.结果显示,硅化后,在等离子体外围区域(r/a>0.5)电子的热扩散系数降低,从而等离子体能量约束得到改善 关键词： 托卡马克 欧姆放电 电子热扩散系数     

小焦斑纳秒激光烧蚀铝平面靶的数值研究

用二维辐射流体程序Flash模拟了小焦斑纳秒激光与铝平面靶的相互作用过程,其中入射激光的聚焦半径为25μm,峰值强度约为1013 W/cm2,波长为532nm。模拟发现激光通道上的等离子体出现了密度排空的现象,激光焦斑外侧出现环状的射流结构。激光通道上密度排空现象对电子热输运的计算较为敏感,对比干涉实验测量的密度分布,确定了模拟中限流因子的取值为0.08。通过考察辐射致冷与电子横向热输运对等离子体膨胀运动的影响,对环状射流结构的形成原因给出了物理解释,并在模拟上验证了辐射冷却在其形成过程中的主导作用。     

HL-1M装置中电子回旋加热等离子体的热输运研究

研究反常输运一直是托卡马克的重要任务之一，实验已经证明了这些反常输运主要是由等离子体温度和密度梯度驱动的湍流引起的。以前的实验结果表明在具有内部输运垒的高参数等离子体中，离子的热扩散可以减小到新经典水平。这种输运的减小被认为是剪切流对离子温度梯度模的抑制作用。而电子的热输运目前是一个研究的热点。     

HL-lM装置杂质粒子输运与约束特性

在HL-lM装置上利用激光吹气技术,在等离子体边缘瞬态注入少量Al杂质粒子,通过对真空紫外光谱和软X射线区的杂质辐射测量,分别研究了欧姆等离子体和低杂波电流驱动等离子体两种情况下,Al杂质粒子输运与约束特性。结果表明：在欧姆等离子体和低杂波电流驱动等离子体两种情况下,等离子体中心区,在没有MHD锯齿震荡和有MHD锯齿震荡非锯齿破裂期间,杂质粒子输运基本上受新经典规律支配;在有MHD锯齿震荡锯齿破裂期间,杂质粒子输运受MHD不稳定性支配,但其时间很短(通常小于300μs),所以在这种情况下,杂质粒子输运的平均效应比新经典值稍大。而约束区杂质粒子输运则比新经典的值大很多,是反常的。在一定条件下低混杂波电流驱动可以改善等离子体粒子约束。     

激光烧蚀Cu靶产生等离子体紫外段发射光谱的研究

利用波长532nm,脉宽15ns的Nd:YAG 激光器作用于Cu靶上,研究了产生等离子体的紫外段（180 nm～300 nm）发射光谱。在局部热力学平衡条件下,采用Boltzmann图表法估算了等离子体的电子温度,得到了电子温度随时间和空间的变化,以及电子温度随激光能量密度的变化。结果显示,随着激光能量的变化,电子温度有一个极大值。随着时间的发展,电子温度先减小,而后增大,接着缓慢减小。随着距靶面距离的增加,电子温度呈下降趋势。