Mathematical modeling of the heating of a fast ignition target by an ion beam

We develop a BIN computer code for simulating the interaction of a monochromatic ion beam with a plasma, which takes into account changes in the spatial distribution of the heated-plasma temperature. This enables us to calculate the heating of both homogeneous and inhomogeneous plasmas with parameters corresponding to their real spatial distributions at the time of maximum compression of the inertial confinement fusion (ICF) target. We present the results of a numerical simulation using the BIN code for the heating of a homogeneous deuterium–tritium plasma by a short pulse of monochromatic ions at various ion velocity and plasma–electron thermal velocity ratios. We also present the results of calculations for the heating of an inhomogeneous plasma of a non-cryogenic target formed as a beryllium deuteride–tritide shell by beams of light, medium, and heavy ions. As the initial distributions, we use the results of numerical simulations for such a target, precompressed by a laser pulse (carried out at the M. V. Keldysh Institute of Applied Mathematics using the DIANA code). We demonstrate the possibility of forming the central ignitor with the parameters sufficient for igniting the targets by beams of ions with energies E ~ 100 ? 400 MeV/u and specific energy densities of the beam Q ～ 5?20 GJ/cm². The required specific energy density drops with increase in the ion energy; however, due to the increased path length, larger-charge ions have to be used.     

Collective excitations in fast ion conductor superlattices

Within the framework of the electromagnetic theory, the collective modes in the superlattice system composed of superionic conductors and ionic crystals are studied. The superionic conductor is described by the hydrodynamical model in which the anion cage is immersed in the cation liquid. The behavior of the modes are analysed in terms of the coupling strength between excitations pertaining to different layers. The coupling strength is controlled by varying the slab thicknesses. An interesting behavior in which the diffusion mode transforms to the relaxation mode when the coupling strength is varied from strong to weak is obtained. Also, the effect of the coupling strength on the acoustical and optical modes are shown.     

Collective mechanism for nuclear stopping and transverse flow in heavy-ion collisions

The role of filamentation instability of quark-gluon plasma, in explaining collective phenomena in relativistic heavy-ion collisions, has been analyzed. Using equations of SU(2) two fluid color hydrodynamics it is shown that this instability can significantly enhance nuclear stopping and might contribute to collective sideward flows.     

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。     

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。     

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。     

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。     

用于快点火的激光驱动器组束方式

根据实现快点火激光的预估参数要求,分析了非相干组束和相干组束是否可满足快点火所需的激光功率密度和能量。引入与实际情况相当的畸变波前分析远场焦斑,为了满足能量要求非相干组束需要组合更多的光束,并改进驱动器的稳定性将角漂控制在±2 μrad范围内;相干组束可获得更小的焦斑有利于提高功率密度,同时可降低对能量的要求,但仅对单路光分别进行波前补偿并不能提高能量集中度,需要引入复杂的监测和控制设备对整个通光孔径内的波前(包括束内和束间)进行全局控制。基于目前提出的参数要求和波前校正能力,非相干合成更易实现快点火,但相干合成则具有更广泛的应用潜力。     

用于快点火的激光驱动器组束方式

 根据实现快点火激光的预估参数要求,分析了非相干组束和相干组束是否可满足快点火所需的激光功率密度和能量。引入与实际情况相当的畸变波前分析远场焦斑,为了满足能量要求非相干组束需要组合更多的光束,并改进驱动器的稳定性将角漂控制在±2 μrad范围内;相干组束可获得更小的焦斑有利于提高功率密度,同时可降低对能量的要求,但仅对单路光分别进行波前补偿并不能提高能量集中度,需要引入复杂的监测和控制设备对整个通光孔径内的波前(包括束内和束间)进行全局控制。基于目前提出的参数要求和波前校正能力,非相干合成更易实现快点火,但相干合成则具有更广泛的应用潜力。     

Global simulation for laser-driven MeV electrons in fast ignition

A comprehensive examination of the interaction of a picosecond-long ignition pulse on high-density (40 times critical density) pellets using a two-dimensional particle-in-cell model is described. The global geometry consists of a 50 mum diameter pellet surrounded by a corona which is isolated by a vacuum region from the boundary. For cone-attached targets, as much as 67% of the incident laser energy is absorbed with 12% sent forward as fast electrons in a 23 degrees cone. The current filaments are driven by the Weibel instability of the forward-going fast electron flux and its return current with the ions playing an important role of neutralizing the space charge. No global current filament coalescence has been observed. The electron distribution function obeys a power law, which begins at E approximately 0.2 MeV and falls off as E-(2-3).     

金锥-聚合物球壳靶制备初步研究

 报道了研制快点火物理实验用带金锥固体球壳靶时,采用多次乳化技术制备聚合物空心微球,精密车床加工和电镀技术制备金锥,精密加工实现聚合物微球表面打孔的工艺。窄分布聚苯乙烯制备的空心微球直径与壁厚分布较窄。电镀液的配方、pH值、镀前处理、尖端效应等对镀层的表面质量和镀层与芯轴之间的结合力有重要的影响。采用精密车床加工可以在聚合物微球表面获得直径约120 μm的孔,初步实现金锥与聚合物微球的连接。     

环位形下鱼骨模驱动快离子输运的数值模拟研究

考虑包含动理学效应的鱼骨模结构,使用导心轨道程序 ORBIT,在磁面坐标下研究了不同的扰动模 幅度、频率对快离子再分布的影响,并分析了粒子与扰动发生共振的条件。模拟得出,鱼骨模扰动会使快离子在 实空间、相空间中发生再分布,芯部( ψ_p/ψ _w≤0.2 ,ψ_p 为极向磁通,ψ_w 为最后一个闭合磁面的磁通)快离子密 度下降约 20%,中间磁面位置上( ψ_p/ψ _w≥0.2,ψ_p/ψ _w≤ 0.6)的快离子密度增加约 7%;通过扫描频率发现,相空间中快 离子的再分布对模式频率敏感,并分析了快离子与鱼骨模扰动共振的条件。     

Helium ion stopping cross sections in gold

The stopping cross section of He ions in gold has been measured at incident energies from 0.4 MeV–1.9 MeV. A backscattering technique was used to measure the energy loss in gold films which had been vacuum evaporated on sapphire substrates. The stopping cross section results are compared with the previous data of Wilcox, Gobeli and Nakata. Brice's semi-empirical formula has been fit to the data with a resultant root-mean-square percentage deviation of 0.6 per cent.     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30g/cm3和50mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30 g/cm3和50 mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

快点火参数窗口的计算

在入射粒子和等离子体相互作用物理学基础上,采用蒙特卡罗方法计算了常温和10 keV下,电子、氢、氘、氚和氦粒子在500 g/cm3纯氘等离子体中的能量损失、射程,以及在和燃料直径为50 m,在边缘、中心点火两种方式下的能量沉积时间,得出燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。实现快点火的边缘(中心)点火要求的最低入射束流强度：电子束为363(458) MA,质子束为187(355) MA,氘束为13.1(24.8) MA,氚束为10.9(20.9) MA,氦束为9.34(17.0) MA。单个粒子在边缘(中心)点火的最长能量沉积时间分别为电子0.036(0.078) ps,质子0.219(0.569) ps,氘0.241(0.651) ps,氚0.320(0.854) ps,氦0.228(0.592) ps,均小于燃料约束时间。数据的分析表明,入射粒子射程的末端设计在加热区,可以有效提高加热效率,同时也可以降低需要的束流强度。点火需要的最低总能量,应通过增加入射粒子的流强来实现。     

快点火参数窗口的计算

在入射粒子和等离子体相互作用物理学基础上,采用蒙特卡罗方法计算了常温和10 keV下,电子、氢、氘、氚和氦粒子在500 g/cm3纯氘等离子体中的能量损失、射程,以及在和燃料直径为50 m,在边缘、中心点火两种方式下的能量沉积时间,得出燃料约束时间为20 ps条件下的束流强度。实现快点火的边缘(中心)点火要求的最低入射束流强度:电子束为363(458) MA,质子束为187(355) MA,氘束为13.1(24.8) MA,氚束为10.9(20.9) MA,氦束为9.34(17.0) MA。单个粒子在边缘(中心)点火的最长能量沉积时间分别为电子0.036(0.078) ps,质子0.219(0.569) ps,氘0.241(0.651) ps,氚0.320(0.854) ps,氦0.228(0.592) ps,均小于燃料约束时间。数据的分析表明,入射粒子射程的末端设计在加热区,可以有效提高加热效率,同时也可以降低需要的束流强度。点火需要的最低总能量,应通过增加入射粒子的流强来实现。     

快点火靶的新型概念和结构分析

提出了一个快点火靶新型概念和结构分析,在锥的尖端制作一个热斑大小的平台,以避免燃料从锥方向逃逸;在平台中间制作一个微纳米点,以约束热电子发射。或者在平台上制作微纳米点阵列,以抬高阿尔文效应限制的条件。考虑超热电子发射的静电势、材料的逸出功,给出了热电子发射能量公式,根据公式提出了关于快点火靶在材料和结构方面的优化条件和研究内容。比如,提高超热电子发射的静电势,和发射材料的选择等,以优化超热电子的出射能量和方向。     

快点火靶的新型概念和结构分析

提出了一个快点火靶新型概念和结构分析,在锥的尖端制作一个热斑大小的平台,以避免燃料从锥方向逃逸;在平台中间制作一个微纳米点,以约束热电子发射。或者在平台上制作微纳米点阵列,以抬高阿尔文效应限制的条件。考虑超热电子发射的静电势、材料的逸出功,给出了热电子发射能量公式,根据公式提出了关于快点火靶在材料和结构方面的优化条件和研究内容。比如,提高超热电子发射的静电势,和发射材料的选择等,以优化超热电子的出射能量和方向。