利用渡越辐射研究超热电子输运

自快点火概念提出以来，与快电火概念相关的物理研究已成为激光惯性约束聚变研究的前沿热点问题。对于惯性约束聚快点火方案，超热电子的产生和输运及能量沉积研究是目前最受关注的课题之一。因为超短超强激光产生的超热电子电流很大（有时远远超过Alfven极限），持续时间短，涉及高密度，在输运中伴随着强烈的电场和磁场。再加之Wibel不稳定性的成丝效应，都将严重影响超热电子的输运和能量沉积效率，使得快点火涉及到的超热电子输运和能量沉积的物理过程变得异常复杂。超热电子产生、输运涉及到固体密度等离子，因此高密度区的输运过程实验探测就显得非常重要。     

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。     

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。     

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-固体靶相互作用中超热电子输运的实验研究

报道了在100TW超短脉冲掺钛宝石激光装置上,完成的飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子在靶内输运的实验研究结果.获得了超热电子的产额、注量和总能量.结果表明,超热电子的注量和总能量随靶厚的增加而减少,超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10(m,对以上形成的原因进行了分析指出,是由于静电场对超热电子输运影响所致.     

超热电子的产生与输运背向辐射的实验研究

报道了在100TW fs激光器上采用电子磁谱仪和光学CCD积分成像相机分别对激光-固体靶相互作用在靶背方向产生的超热电子能谱及其光学渡越辐射进行的测量.能谱测量结果显示:超热电子能谱呈单温类-麦克斯韦分布,拟合的温度为107 keV;光学渡越辐射(OTR)测量结果显示:OTR是由于超热电子输运穿越固体靶所致,而辐射区域呈圆盘状、有发散角、有光强分布;如果考虑超热电子的产生和加热机制,则占主导地位的加热机制是共振吸收对电子的加热.     

热电子等离子体无碰撞漂移波的稳定性

本文采用Vlasov方程,分析了热电子等离子体中低频交换模和漂移波的性质,讨论了热电子成分的稳定作用。稳定交换模要求热电子成分约为10％,稳定漂移波要求热电子成分约为30%。文中还讨论了离子有限Larmor半径、等离子体密度梯度和温度、磁场曲率、扰动波长等参数对稳定性的影响。同MHD近似下强碰撞漂移波的结果相比较,热电子对无碰撞漂移波有更好的稳定作用。 关键词：     

超热电子的产生与输运背向辐射的实验研究

报道了在100TW fs激光器上采用电子磁谱仪和光学CCD积分成像相机分别对激光-固体靶相互作用在靶背方向产生的超热电子能谱及其光学渡越辐射进行的测量。能谱测量结果显示：超热电子能谱呈单温类-麦克斯韦分布,拟合的温度为107keV;光学渡越辐射(OTR)测量结果显示：OTR是由于超热电子输运穿越固体靶所致,而辐射区域呈圆盘状、有发散角、有光强分布;如果考虑超热电子的产生和加热机制,则占主导地位的加热机制是共振吸收对电子的加热。     

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.     

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.     

啁啾展宽激光脉冲的有限带宽效应对参量不稳定性及超热电子的抑制

若驱动激光的相干时间小于不稳定性增长时间,则有可能直接控制参量不稳定性。研究了有限带宽的啁啾展宽脉冲对等离子体晚区参量不稳定性及超热电子的抑制效果,给出解析分析及用ＰＩＣ程序数值模拟结果,考察了电子一离子磁拦对超热电子的影响。     

啁啾展宽激光脉冲的有限带宽效应对参量不稳定性及超热电子的抑制

若驱动激光的相干时间小于不稳定性增长时间,则有可能直接控制参量不稳定性。研究了有限带宽的啁啾展宽脉冲对等离子体冕区参量不稳定性及超热电子的抑制效果,给出解析分析及用PIC程序数值模拟结果,考察了电子－离子碰撞对超热电子的影响。     

啁啾展宽激光脉冲的有限带宽效应对参量不稳定性及超热电子的抑制

 若驱动激光的相干时间小于不稳定性增长时间,则有可能直接控制参量不稳定性。研究了有限带宽的啁啾展宽脉冲对等离子体冕区参量不稳定性及超热电子的抑制效果,给出解析分析及用PIC程序数值模拟结果,考察了电子－离子碰撞对超热电子的影响。     

相对论电子束在动态加载等离子体中的自聚焦传输

为了进一步研究相对论电子束-离子通道辐射实验和理论的需要, 研究了相对论电子束入射中性气体以及通过碰撞电离动态加载等离子体实现对高能束流的自聚焦传输过程PIC(particle in cell) 模拟发现, 电子束电离出的离子背景能够实现对电子束的聚焦传输. 但是离子背景横向和纵向的不均匀性对束流的传输特性有显著影响. 在此基础之上, 提出了电子束在横向不均匀离子背景中传输的理论模型, 给出了束流的自聚焦条件.数值计算结果表明, 横向不均匀性会导致电子束的混合相位传输, 使得焦点附近内层电子可能跑到电子束外而被散焦损失, 这与PIC模拟的结果相符. 此外, PIC模拟还发现, 由于电子束的自聚焦, 在焦点处将电离出更多的离子而引起纵向不均匀性, 纵向不均匀性使得碰撞后的低能电子被俘获, 俘获电子效应会大幅降低电子束的传输效率. 但是俘获电子在纵向呈准周期分布, 对传输电子起到静电Wiggler场的作用, 可能实现静电Wiggler场的动态加载. 研究结果对于进一步研究电子束-等离子体系统的实验以及理论模型提出有一定的参考价值.     

高功率微波介质窗表面电子倍增二维粒子模拟

基于第一性原理的粒子模拟方法,对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件,建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型,采用Vaughan二次电子发射模型,利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞,获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明,介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态,其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数,可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。     

激光尾流场的2.5维粒子模拟

 用2D3V PIC粒子模拟方法分析了超短脉冲超强激光在稀薄等离子体中激发尾流场的产生过程及电子在尾流场中的加速过程。“前向Raman散射”使得激光脉冲沿传播方向拉长，脉冲的尾部变陡，它导致静电场的相速度和饱和时超热电子的最大动能明显减小，也使得激发尾流场的最佳脉冲宽度变小。     

高功率微波介质窗表面电子倍增二维粒子模拟

基于第一性原理的粒子模拟方法,对高功率微波器件中介质窗表面电子实际形成和发展的变化情况进行了研究。使用VORPAL粒子模拟软件,建立一个简单的TEM波垂直入射介质窗表面的二维模型,采用Vaughan二次电子发射模型,利用蒙特卡罗碰撞方法处理电子与背景气体之间的弹性碰撞、激发碰撞和电离碰撞,获得了介质窗表面电子倍增的图像。模拟结果表明,介质窗表面电子数量在一定的时间内达到饱和状态,其振荡频率是入射射频电场频率的两倍。改变初始发射种子电子的数量、入射射频电场的幅值以及背景气体的压强等关键性参数,可得到不同条件下介质窗表面电子数量的变化规律。     

激光尾流场的2.5维粒子模拟

用2D3V PIC粒子模拟方法分析了超短脉冲超强激光在稀薄等离子体中激发尾流场的产生过程及电子在尾流场中的加速过程。“前向Raman散射”使得激光脉冲沿传播方向拉长,脉冲的尾部变陡,它导致静电场的相速度和饱和时超热电子的最大动能明显减小,也使得激发尾流场的最佳脉冲宽度变小。     

Resistive Electrostatic Ion Cyclotron Instability in Plasmas

The stability of electrostatic ion cyclotron waves propagating obliquely with respect to the background magnetic field is studied for collisional, fully-ionized plasmas in which there is a relative field-aligned streaming between electrons and ions. It is found that electron-ion collisions, in conjunction with electron streaming, provides a mechanism for instability. The role of electron streaming is to supply a source of free energy and the role of electron-ion collisions is to restrict the field-aligned mobility of the electrons, thus preventing them from establishing a Boltzmann equilibrium. Ion-ion collisions and finite ion Larmor radius are found to exert a stabilizing influence. The instability is analyzed for both current-carrying plasmas and counterstreaming-beam-plasma systems.     

Effect of electron-ion collision on the ion-acoustic solitary wave in a relativistic plasma

Summary We have considered the effect of electron-ion collision on the structure of the solitary wave in a relativistic unmagnetized plasma. In the present analysis we have considered ions to be cold, the electrons hot. The equation obtained for ion velocity is not the usual KdV type but a perturbed version of it, where the perturbing term is proportional to the electron-ion collision frequency. Lastly we have used the method of Bogoliubov-Mitropolsky to study the change in the solitary-wave profile due to this perturbation.