利用光核反应对激光等离子体中超热电子温度诊断的理论研究

超短超强激光与等离子体相互作用可以产生高能的超热电子, 利用光核反应的方法可以对这部分超热电子的温度进行诊断. 本文通过粒子输运程序(MCNP), 模拟了超热电子通过轫致辐射产生γ 光子, γ 光子再分别与⁶³Cu, ¹⁰⁷Ag, ¹²C等活化材料发生光核反应的物理模型, 并根据核素的活化截面数据, 计算了不同活化片的放射性活度, 得到了¹¹C/⁶²Cu, ¹¹C/¹⁰⁶Ag活度比与电子温度关系曲线, 采用理论模拟的方法实现了激光等离子体产生的超热电子的温度诊断. 关键词： 超热电子 轫致辐射光子 光核反应 MCNP程序     

流注放电低温等离子体中电子输运系数计算的蒙特卡罗模型

流体或者粒子-流体混合数值仿真是研究流注放电基本物理机制的常用手段,而精确的电子输运系数是保证其仿真正确性的必要前提.鉴于现有电子输运系数求解工具存在一定缺陷,本文开发了采用蒙特卡罗方法求解低温等离子体中电子输运系数的仿真工具,测试表明其准确性和精确度均较高.研究了氮氧气体混合比及大气压下三体碰撞吸附对电子输运系数的影响.氮气中流注放电仿真表明,流体仿真中采用本模型改进后的电子输运系数可显著改善流注通道内部的等离子体参数分布.     

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。     

利用韧致辐射诊断激光等离子体相互作用产生的超热电子

超短脉冲强激光与等离子体相互作用时产生的向靶内传输的超热电子在“快点火”方案中起着极其重要的作用.对于这部分向靶内传输的超热电子，韧致辐射方法是一种能有效、全面获得超热电子各方面信息的诊断方法.通过三维蒙特卡罗程序MCNP模拟了超热电子在靶材料中的输运以及它们在靶后方向产生的韧致辐射的性质，论证了韧致辐射诊断方法的可行性. 关键词： 超热电子 韧致辐射 诊断 MCNP程序     

Nb,Ag原子的K壳层和L壳层电离截面的理论计算

电子离子碰撞电离截面是模拟激光等离子体的超热电子的能谱和产额的主要过程之一.基于相对论性的电子离子碰撞的K壳层电离截面理论,计算了Nb、Ag的K壳层和L壳层电子碰撞电离截面,结果和最近的文献实验数值和其它理论数值进行了比较,计算结果比其它模型更加准确,与最近的实验结果也吻合较好,该结果可用来模拟激光等离子体的超热电子能谱和产额.     

飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前后超热电子能谱的比较

采用电子谱仪测量了飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前和靶后产生的超热电子能谱.结果显示：靶前超热电子能谱的峰出现在约430 keV处，靶后超热电子能谱的峰出现在约175 keV处；靶前超热电子的有效温度分别为218 keV和425 keV，靶后超热电子能谱出现“软化”现象，其有效温度分别为96 keV和347 keV.靶前和靶后超热电子能谱明显不同是由于超热电子输运穿越过密等离子体和冷材料的靶，并在靶后建立Debye鞘，鞘电场使靶后超热电子能谱峰向低能端移动，鞘电场和自生磁场导致靶后超热电子能谱产生“软化”，估算出的鞘电场小于激光电场.     

激光等离子体相互作用中超热电子输运过程的蒙特卡罗模拟

利用蒙特卡罗（Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ）方法模拟了激光等离子体相互作用中所产生的超热电子在固体物质中的输运过程，模拟运算采用连续慢化（ＣＳＤＡ）和玻恩（Ｂｏｒｎ）近似的单一散射模型。文中给出了具有单能，束状分布的超热电子在双层固体靶中产生的Ｋα射线强度随表面靶层厚度的变化曲线。     

电子-离子碰撞对超热电子影响的PIC模拟计算

超热电子-离子的产生和输运在传统的ICF方案和“快点火”方案中都是很重要的问题.讨论了电子-离子碰撞对参量不稳定性产生超热电子的过程和超热电子输运过程的影响.指出电子-离子弱碰撞项的加入增强了碰撞吸收,提高了热电子温度,降低了静电波破裂时的场能.这些改变了超热电子的总能量和分布,使之更集中于静电波的相速;电子-离子碰撞的存在还增强了自洽电场,阻碍了超热电子的输运,同样也是超热电子能量下降的原因之一.同时,为确保计算结果的可靠,讨论了初条件对PIC模拟计算的影响,指出空间位置随机热启动容易引入非物理因素,对 关键词：     

Al,Ti,Cu,Mo原子的K壳层电离截面的理论计算

 电子离子碰撞过程是模拟激光等离子体的超热电子的能谱和产额的主要过程之一。基于相对论性的电子离子碰撞的K壳层的电离截面理论,计算了Al,Ti,Cu,Mo原子的K壳层的电子离子碰撞截面,结果和最近的文献实验数值和其它理论数值进行了比较,计算结果可用来模拟激光等离子体的超热电子能谱和产额。     

激光入射角对靶面方向超热电子发射的影响

实验研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的超热电子角分布随激光入射角的变化.在靶面方向观测到一束方向性很好的高能超热电子.该高能超热电子束的电子数目随着激光入射角的增大而增大.对结果的分析表明，表面准静态磁场是导致表面电子产生的主要原因. 关键词： 超热电子 表面准静态磁场 超强激光脉冲与等离子体相互作用     

Magnetically guided fast electrons in cylindrically compressed matter

Fast electrons produced by a 10 ps, 160 J laser pulse through laser-compressed plastic cylinders are studied experimentally and numerically in the context of fast ignition. K(α)-emission images reveal a collimated or scattered electron beam depending on the initial density and the compression timing. A numerical transport model shows that implosion-driven electrical resistivity gradients induce strong magnetic fields able to guide the electrons. The good agreement with measured beam sizes provides the first experimental evidence for fast-electron magnetic collimation in laser-compressed matter.     

Focusing of relativistic electrons in dense plasma using a resistivity-gradient-generated magnetic switchyard

A method for producing a self-generated magnetic focussing structure for a beam of laser-generated relativistic electrons using a complex array of resistivity gradients is proposed and demonstrated using numerical simulations. The array of resistivity gradients is created by using a target consisting of alternating layers of different Z material. This new scheme is capable of effectively focussing the fast electrons even when the source is highly divergent. The application of this technique to cone-guided fast ignition inertial confinement fusion is considered, and it is shown that it may be possible to deposit over 25% of the fast electron energy into a hot spot even when the fast electron divergence angle is very large (e.g., 70° half-angle).     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

Exchange and spin states in quantum dots under strong spatial correlations. Computer simulation by the Feynman path integral method

The fundamental laws in the behavior of electrons in model quantum dots that are caused by exchange and strong Coulomb correlations are studied. The ab initio path integral method is used to numerically simulate systems of two, three, four, and six interacting identical electrons confined in a three-dimensional spherical potential well with a parabolic confining potential against the background of thermal fluctuations. The temperature dependences of spin and collective spin magnetic susceptibility are calculated for model quantum dots of various spatial sizes. A basically exact procedure is proposed for taking into account the permutation symmetry and the spin state of electrons, which makes it possible to perform numerical calculations using modern computer facilities. The conditions of applicability of a virial energy estimator and its optimum form in exchange systems are determined. A correlation estimator of kinetic energy, which is an alternative to a basic estimator, is suggested. A fundamental relation between the kinetic energy of a quantum particle and the character of its virtual diffusion in imaginary time is demonstrated. The process of natural “pairing” of electron spins during the compression of a quantum dot and cooling of a system is numerically reproduced in terms of path integrals. The temperature dependences of the spin magnetic susceptibility of electron pairs with a characteristic maximum caused by spin pairing are obtained.     

激光等离子体中高能电子各向异性压强的粒子模拟

直接驱动惯性约束聚变(ICF)的实现需要对靶丸进行严格的对称压缩,以达到自持热核反应(点火)所需的条件.快点火方案的应用降低了对靶丸压缩对称性以及驱动能量的要求,但压缩及核反应过程中良好的靶丸对称性无疑有助于核反应增益的提高.本文研究了快点火方案中高能电子注入高密等离子体后导致的各向异性电子的压强张量.这一现象存在于ICF快点火方案中的高能电子束"点火"及核反应阶段.鉴于高能电子加热离子过程以及靶丸核反应自持燃烧过程的时间较长,高密靶核会由于超高的各向异性压强的作用破坏高密靶丸的对称性,降低核燃料密度,进而降低了核燃料燃烧效率以及核反应增益.     

Deceleration and acceleration of fast electrons in a dense gas in an electric field

The propagation of electrons in a gas at energies higher than the excitation energy of the K shell of the gas atoms is simulated numerically. Calculations show that, without a field, the penetration depth of the electrons into a gas heavier than nitrogen is limited primarily by their elastic collisions with atomic nuclei. For electrons moving in an electric field, the effect of elastic collisions is that there is no definite electric field strength above which an electron with a given energy will be continuously accelerated. Even in an electric field much stronger than the critical one, only a fraction of electrons are accelerated. The remaining electrons turn back due to elastic collisions and lose their energy in deceleration by the field. In this case, the propagation velocity of the centroid of the electrons tends to a constant value.     

典型磁性材料价电子结构研究面临的机遇与挑战

目前在磁性材料磁有序现象研究中广泛使用的交换作用、超交换作用和双交换作用模型形成于1950年代及其以前,这些模型都涉及材料中的价电子状态,但那时还没有充分的价电子状态实验依据.1970年代以来,有关价电子结构实验结果的报道越来越多,这些实验结果表明传统的磁有序模型需要改进.首先,大量电子谱实验表明,在氧化物中除存在负二价氧离子之外,还存在负一价氧离子,并且负一价氧离子的含量可达30%或更多.这说明以所有氧离子都是负二价离子为基本假设的超交换和双交换作用模型需要改进.其次,一些实验证明,铁、钴、镍自由原子的一部分4s电子在形成铁磁性金属的过程中变成了3d电子,这为探讨金属磁性与电输运性质的关系提供了依据.此外,即使在现代的密度泛函计算中,仍不能给出磁性交换作用能的函数表达式,只能采取各种不同模型进行模拟计算,从而使磁性材料的模拟计算遇到严重困难.寻求一个磁有序能的函数表达式可能是解决这个困难的途径.这些研究表明磁性材料价电子结构研究面临着重大的机遇与挑战.本文首先介绍一些典型的实验例证,然后介绍了基于这些实验结果的一套典型磁性材料的磁有序新模型,随后介绍了基于新模型的磁性材料价电子结构与旧模型的主要区别,最后指出了未来研究工作面临的挑战.     

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.     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。