相对论强度激光与固体靶相互作用的PIC模拟: 等离子体物理和原子物理过程

来源: 聚变理论与模拟中心 作者: 时间:2018-01-22 访问次数:0

题目:相对论强度激光与固体靶相互作用的PIC模拟: 等离子体物理和原子物理过程

报告人:吴栋博士,中国科学院上海光学精密机械研究所

时间:1月26日 上午9:00

地点:中心会议室(教11 413-1)

摘要:相对论强度激光与固体相互作用是众多重要基础应用的物理基础,然而这一过程却相当复杂,一般来说其研究分为两个部分,第一部分是位于靶前的激光直接电子加速 (Direct Laser Acceleration);第二部分为超热电子在固体靶内的输运过程,该过程会触发一系列的等离子体物理与原子物理现象的耦合,这些现象包含:冷电子回流,欧姆加热,电离动力学,韧制辐射等。因此,我的报告分也为两个部分,即激光直接电子加速和超热电子靶内输运过程。

相对论强度激光与固体靶相互作用会产生热电子,电子能量一般来说满足Beg标度律或Wilks标度律。然而当靶前存在预等离子体时,已有的标度律并不能描述超热电子的产生。我们提出并发展了两阶段电子加热和加速模型 [1],分析了超热电子的来源,理论和计算机模拟都证实超热电子的温度满足的标度关系为T~(I L)^0.5,其中I为激光强度,L为等离子体密度标长。该模型还被进一步拓展到了圆偏振激光驱动的情形 [2],以及激光与磁化固体靶相互作用的情形 [3, 4]。

靶前产生的超热电子在固体靶内输运,会对靶体进行欧姆加热,并触发电离动力学。由于相对论强度的激光与固体靶的作用时间尺度仅为ps甚至fs量级,因此我们不能用平衡态电离模型来处理该电离过程,需要采用非平衡态模型 [5]。非平衡态电离模型应包含碰撞电离过程,电子-离子复合过程以及等离子体对电离势的压低效应,该模型已经植入到了我们的PIC程序。固体靶的电子密度很高,因此碰撞效应在电子输运过程中往往起到了主导作用。而固体靶内部电离过程并不充分,通常是部分电离态 (Partially ionized)。已有的碰撞模型是基于高温和低密度等离子体态发展来的,且只能处理自由电子的碰撞。我们在已有的碰撞模型的基础上,将束缚电子的贡献也考虑进来。我们的PIC程序可以用来处理部分电离态的碰撞过程 [6]。对于高Z金属靶,当超热电子的能量超过10 MeV时,辐射阻尼将超越碰撞阻尼 [7],并显著地影响电子的输运过程,因此需要对碰撞模型进行辐射修正。韧制辐射过程也加入到了我们的PIC程序,韧制辐射频谱和空间角分布可以在PIC模拟中自恰地予以计算。

参考文献:

[1] D. Wu et al, Nucl. Fusion 57, 016007 (2017).

[2] D. Wu et al, Phys. Plasmas 23, 123116 (2016).

[3] D. Wu et al, Plasma Phys. Control. Fusion, 59, 065004 (2017).

[4] D. Wu et al, Plasma Phys. Control. Fusion, 59, 095010 (2017).

[5] D. Wu et al, Phys. Rev. E 95, 023208 (2017).

[6] D. Wu et al, Phys. Rev. E 95, 023207 (2017).

[7] D. Wu et al, arXiv.1703.05127, Journal of Computational Physics, submitted...

报告人简介


吴栋,2015年7月博士毕业于北京大学应用物理与技术研究中心,导师为贺贤土院士和郑春阳研究员。2013年7月至2014年7月曾在美国加州大学圣地亚哥分校联合培养。2015年7月入职上海光机所,任助理研究员。2016年3月至-2017年3月曾在德国耶拿赫姆霍兹研究所交流访问一年。

如有变动,另行通知!