论文部分内容阅读
在激光聚变快点火方案中,研究最为广泛的为电子快点火,即通过电子在高密度燃料区的能量沉积形成热斑、实现点火。快电子的产生和输运是快点火研究中的关键物理问题。激光与等离子体相互作用在临界密度附近产生快电子束,电子束经过几十微米的输运到达高密度(~300 g/cm3)压缩燃料区沉积能量。对于氘氚,300 g/cm3的物质密度对应的电子数密度为7.3×1025 cm-3。换言之,快电子的产生和输运过程经历的电子数密度有3至4个量级的变化。根据时间尺度分析,碰撞在低密度的电子产生区域并不重要。但在输运过程中,等离子体密度是临界密度的几百倍、几千倍,此时碰撞效应将起重要作用,影响快电子束的输运过程。快点火方案中,用于产生快电子束的超强短脉冲激光的强度设想处于1019~1020 W/cm2。如此强的激光,其预脉冲与物质相互作用必然会产生等离子体,即产生预等离子体。已有研究表明预等离子体对激光产生电子束有重要的影响。 本文利用一维含碰撞的粒子模拟(Particle-In-Cell,PIC),研究了碰撞效应对快电子产生和输运的影响。研究发现,超强激光与高密度等离子体相互作用过程存在明显的两个阶段。第一阶段为发展阶段,在该阶段碰撞效应对快电子产生影响不大,电子加热机制因激光等离子体相互作用界面不断陡化而变化。在第二阶段,快电子能流相对稳定,碰撞效应增加了快电子的产量。细致的分析表明,碰撞情况下,快电子与背景电子间的能量交换增强,背景电子被有效加热,等离子体热压增加,导致激光等离子体相互作用界面难以陡化,因此可通过J×B加热中的2ω振荡有效产生快电子。而在无碰撞情况下,由于激光等离子体相互作用界面密度陡化严重,抑制了快电子的产生。本文还考察了预等离子体密度标长对快电子产生的影响,并讨论了碰撞效应对快电子输运的影响。