大尺度动理学模拟揭示对撞等离子体电磁湍流非线性演化与离子随机加热机制
在天体物理中，常会出现高速等离子体的对撞，如超新星爆发的喷射物和太阳风与星际介质之间的相互作用。此类过程中等离子体速度和温度存在各项异性，宇宙中的种子磁场会在韦伯型不稳定性（Weibel-type instabilities）等作用下被放大成为电磁湍流并产生冲激波，继而产生极强的自生磁场。因此强磁场产生、无碰撞冲激波及其驱动的带电粒子加速等科学问题的研究是当前实验室天体物理领域的关注焦点，而且利用高功率激光装置（如美国的NIF，OMEGA以及中国的神光）已经成功产生了类似于天体中的对撞等离子体环境。
浙江大学聚变理论与模拟中心团队，联合上海交通大学和中国科学院国家天文台相关团队，利用吴栋副教授开发的动理学模拟程序LAPINS，定量研究了磁化和非磁化碳氘与碳氢对撞等离子体系统中电磁湍流的非线性演化及其对离子动理学等过程的影响。研究表明：1）在成丝不稳定性和双流不稳定性的协同驱动下会产生电磁湍流；2）在外加横向磁场（垂直于对撞方向）作用下，等离子体自组织效应导致湍流场的剧烈放大，可以产生数十倍于外加磁场的自生磁场；3）离子在湍流场随机加速和碰撞热化的共同作用下，其分布函数会呈现超高斯分布，其中的高能离子会使得系统中氘氘聚变反应产额增加5～6倍。研究结果很好地解释了已有的实验结果。该成果以“Ion Kinetics and Neutron Generation Associated with Electromagnetic Turbulence in Laboratory-Scale Counterstreaming Plasmas” 为题于2024年4月11日发表在Physical Review Letters期刊。浙江大学物理学院博士生刘鹏为该文的第一作者，上海交通大学吴栋副教授、浙江大学聚变理论与模拟中心盛正卯教授为共同通讯作者。
文章信息
P. Liu, D. Wu*， T. X. Hu , D. W. Yuan, G. Zhao, Z. M. Sheng*，X. T. He, and J. Zhang，Ion Kinetics and Neutron Generation Associated with Electromagnetic Turbulence in Laboratory-Scale Counterstreaming Plasmas，Phys. Rev. Lett. 132, 155103 (2024), PhysRevLett.132.155103 (aps.org)
在激光驱动对流等离子体系统中（a），大尺度动理学模拟得到的非磁化（b）和磁化（c）对流等离子体中自生湍流磁场的空间分布。
