激光导致等离子体空泡及高速离子产生的粒子模拟研究
聚焦调Q脉冲激光水下诱导空化泡和冲击波实验研究
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｔ ｏ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ｇ ａ ｔ ｅ ｃ ａ ｖ ｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎ ｄ ｕｃ ｅ ｄ ｂｙ Ｑ— ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｄ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｄ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｐ ｕｌ ｓ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ， ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｌ ｆ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅ ｏ ｆ
激 与 光 电 字 学 进 展
５ ２ ，０ ５ １ ４ ０ ｌ （ ２ ０１ ５ ）
Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ＆ ０ｐ ｔ ０ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ Ｐ ｒ ｏ ｇ ｒ ｅ ｓ ｓ
＠２ ０ １ ５ ｛ 中 国激 光 》 杂 志 社
聚 焦 调 Ｑ脉 冲 激 光 水 下 诱 导 空 化 泡 和 冲 击波 实 验 研 究
Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ Ｋｅ ｙ Ｌａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｆＭｅ ｏ ｄ ｉ ｃ ａ ｌ Ｏｐｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ Ｉ ｎｓ ｔ ｉ ｔ ｕｔ ｅ ｆ Ｂｉ ｏ ｏ ｍｅ ｄｉ ｃ ａ ｌ Ｅｎ ｇ ｉ ｎｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ａ ｎｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，
０４ ３ ７ 文献 标 识 码 Ａ
中图 分 类 号
ｄｏｉ ：１ ０． ３７ ８ ８／ ＬＯ Ｐ５ ２． ０５１ ４０１
Ｅｘｐｅ ｒ ｉ ｍ ｅｎｔ ａｌ Ｓｔ ｕｄｙ ｏｆ Ｃａｖｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏｎ Ｂｕｂｂｌ ｅ ａ ｎｄ Ｓｈｏຫໍສະໝຸດ ｋ Ｗ ａｖｅ Ｉ ｎｄｕｃ ｅｄ
Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆＳｃ ｉ ｅ ｎｃ ｅ ｓ ， Ｓ ｕ ｚ ｈ ｏ ｕ， Ｊ ｉ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ２ １ ５１ ６ ３ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ
研究空泡结构中的氧离子加速
2021.03科学技术创新研究空泡结构中的氧离子加速谢尧周欢刘梦凡谭阳春侯美静杨宏莎(湖南科技大学物理与电子科学学院,湖南湘潭411201)1概述当超强超短激光脉冲与稀薄等离子体相互作用时,等离子体中的电子受到很强的有质动力效应,从而激发等离子体波,并且由于电子和离子的电荷分离产生静电场,这个产生于激光脉冲尾部的静电场被称为尾波场[1-3]。
2002年,由Pukhov 等人研究发现,在比等离子体波长短几个周期的激光脉冲驱动下,超短的电子束出现在超过破波阈值的激光尾波场中,并提出了一种新的机制,在这种机制中,激光尾波场中形成一个孤立的等离子体空腔(空泡),它不断地捕获背景电子并加速它们[4]。
随后的研究中,人们提出了空泡质子加速机制,使我们能够更稳定地获得高能质子[5]。
2模拟参数设置本文采用二维粒子模拟方法研究了空泡结构中的氧离子加速。
我们的物理参数如下:激光波长为λ0=0.8μm ,归一化矢势a 0=240,脉宽τ=34f s ,光斑半径r =10μm 。
一束圆偏振高斯激光脉冲从尺寸为500μm ×80μm 模拟盒的左边界入射,等离子体电子密度为n e =1.5×1021cm -3,略低于临界密度n c ,n c =m ω2/4πe 2≈1.86×1021cm -3,ω表示电子振荡频率,模拟网格数为12500×2000。
由于氧离子的荷质比高于氚离子,我们将氚离子设置为背景等离子体,使氧离子更容易加速。
等离子体中氧离子密度为n i 1=1.25×1019cm -3,氚离子密度为n i 2=1.4×1021cm -3。
3模拟结果与分析图1为电子、氧离子和氚离子的密度分布图。
图1(a)为t =344T 0处形成的电子空泡图,其中T 0=λ0/c 为激光周期,我们可以清晰的看到,在空泡末端的低密度电子一直延伸到等离子体的边缘,此时的结构由空泡与通道共同组成,并且许多电子被困在空泡结构中,被空泡尾部的负电场持续加速。
激光等离子体相互作用产生X射线
激光等离子体相互作用产生X射线X射线是核外电子产生的短波电磁辐射，波长范围一般在0.001nm 到1nm或者更长一点。
比0.1nm短的叫硬X射线，长的叫软X射线。
X射线源在许多研究方面是非常重要的，在包括X射线显微镜和光谱学、全息技术和纳米技术、生物成像和探测超快过程等工业和医疗方面的应用尤其如此。
现在同步辐射光源是最强烈的X射线源。
在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射[1]。
在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射。
这些源是宽带相干和长脉冲。
我们也可以利用高能激光脉冲去Thomson散射这些被传统方式加速的电子[2-5]。
另一方面，需要有超高亮度，连贯和短脉冲（飞秒或更短）的X 射线源来研究瞬态过程。
在加速器的家族中，几个大的自由电子激光器在未来10年内取得里程碑式的进展，并提供最亮的X射线源。
相对论性激光等离子体提供了一个飞秒级X射线产生的潜在补充渠道。
甚至在紧凑的项目中，x射线波长桌面自由电子（TT-XFEL）也存在[6]。
然而，人们必须显著提高被激光加速电子束的品质以使TT-XFEL成为现实。
本世纪起，相对论超强超短激光入射等离子体可产生X射线已经被广泛证实。
当一束短的相对论下的强激光脉冲在稀薄等离子体中传播。
其有质动力可以排开电子，形成电子空泡（Bubble）。
通过波破或其他注入方式，一些等离子体电子可以被限制并且被腔中的纵向场加速，这就是所谓的空泡电子加速模式。
由于它的固定的三维空间结构，该气泡具有横向场。
加速的相对论下的电子这些场中做横向的振动并且发射出短波射线（可到X 射线量级）。
另外一种方法是激光作用于固体靶产生的相对论高次谐波。
激光可以瞬间将固体物质转换成等离子体，激光与固体的相互作用是高度非线性的，导致谐波产生。
在高密度等离子体的表面，人们可以区别产生谐波的两个主要的不同机理。
当激光强度呈弱相对论性2182210/I W m cm λμ<时，谐波是由于所谓的相干弱辐射（CWE ）产生的。
激光诱导等离子体的过程
激光诱导等离子体的过程
激光诱导等离子体（Laser-Induced Plasma, LIP）是一种利用激光脉冲产生高温等离子体的过程。
其主要过程如下：
1.激光吸收：当高功率激光束照射到物质表面时，
由于光的能量被物质吸收，物质表面的温度会快速升高。
2.离子化：当物质表面的温度升高到足够高的程度
时，原子和分子开始失去电子，形成等离子体。
这个过程通常被称为离子化或电离。
3.等离子体形成：一旦开始产生离子，它们会和其
他的自由电子、离子、原子等一起形成一个高温、高压的等离子体云团。
4.等离子体膨胀：由于等离子体的温度非常高，它
们会开始向周围膨胀，释放出大量的能量。
这个过程会伴随着强烈的光辐射、声波、冲击波等现象。
激光诱导等离子体的产生是一个极其快速和瞬态的过程，其形成的等离子体通常只存在几纳秒或几十纳秒的时间。
尽管如此，这种过程在工业、医学、科学研究等领域都有着广泛的应用，例如用于激光打印、激光切割、激光检测、生物医学治疗等等。
激光等离子体中横场坍塌形成的密度空穴
描述 以 物理 图象 的非线性 控制 方程可 以在 文 献 川找 到 ， 尽管这 套方 程 最初 是 用 于 研究 天 体 的 自
生磁 场 ， 是 由于它是 从一 般物 理规律 所引 出 ， 但 同样
能用 于激 光等 离子 体 领 域 。另 外 ， 强湍 动 等 离子 在 体 中 ， 子的平 均碰 撞 自由程 远 大 于 空穴 和 自生磁 粒
子 声波 ） 横 等 离 激 元 与 离 子 声 波 互 相 调 制 形 成 的 ，
包 络波 出现不 稳定 性 增 长 ， 中调 制 不 稳 定 占主 导 其 地位 ， 因为它 超 过 了所 有 周 知过 程 的 衰减 率 （ 如 例 离 子声 阻尼 ， 朗道 阻 尼 ， 电子 一离 子 碰撞 阻尼 ， 离 等
体 相互 作 用 时 粒 子 被 排 空 的现 象 。 实 验 和 理 论 表
的耦合 。其 典型 的非线 性耦 合相互 作用 是波 一粒散
射 和波 一波 合 成 ： ＋ｅａ ｚ ｅ ｐ＋ｅ， ＋ｉａ ｚ ｅ ｐ＋ｉ， ＋ｌ ｚ 舒 ｚ。其 中 ｚｚ是 朗 缪 尔 等 离 激 元 ， ， Ｐ是 横 等 离 激 元 。 入射 的激 光 场在 临 界 面附 近会 反射 ， 射 的 高频 横 入 场 与反射 的高频横 场 合 成低 频 横场 和低 频纵 场 （ 离
摘
要 ： 激 光 与 等 离 子体 相 互 作 用 时在 临界 面 附 近 发 生 强 烈 的波 一波 、 一 相 互 作 用 ， 来 均 匀 分 布 的 横 等 离 强 波 粒 原
子体 波 在 调 制 不 稳 定 作 用 下 ， 生 坍 塌 破 碎 ， 域 化 的 高 强度 横 等 离激 元 通 过有 质 动 力 排 斥 粒 子 形 成 密 度 空 穴 ， 发 局 同 时诱 发 出高 强 度 的低 频 磁 场 。采 用从 伏 拉 索 夫 方程 和 麦 克斯 韦方 程组 导 出 的非 线 性 控 制 方 程 ， 值 模 拟 了 非 静 态 数 极 限情 况 下 无 碰 撞 等 离 子体 中密 度 空 穴 和低 频 磁 场 的演 化过 程 。 关键词 ： 激光 物理 ； 度 窄 穴 ； 密 自生 磁 场
Particle-In-Cell模拟的发展 - 物理考虑和计算技术
48 50 54 55 55 57 59 61 63
I.
概述 A. 基本概念
数值模拟是研究等离子体演化问题的重要手段[1][2][3][4][5][6][7]。通常的等离子体数值 模拟技术可以按照其数学模型分成两类，一类是基于等离子体的流体模型，通过等离子体 的密度，流速，温度等局部平均量的演化方程进行的数值研究，这种模拟称为流体模拟。 另一类是基于动理学模型，即直接在相空间中研究等离子体分布函数的演化。对于等离子 体来说，流体力学方程基本上是Vlasov方程的头几阶矩方程，是Vlasov方程对于速度空间 做平均的结果，因此必须适当地假定速度空间分布函数以及局域输运系数才能建立。这使 得流体力学模拟中不能包含各种动理学和非局域效应。动理学研究是严格和自洽的，然而 由于Vlasov方程是(3+3)维度的，其直接数值求解远远超出现阶段计算机的能力。 此外，无论是流体力学模拟还是直接处理Vlasov方程，还存在一些和数值方法相关的 困难。其中之一和所谓数值耗散效应有关。非线性双曲型方程的数值求解很容易带来数值 振荡，在间断面附近尤其明显；而为了消除这种振荡，维持计算的稳定性，通常需要在求 解中引入人为阻尼，而这种阻尼常常会影响到一些小尺度过程的正确建模。 作为Vlasov问题的一种折衷处理手段，等离子体的Particle-In-Cell(PIC)模拟[1][2]是较 为成熟的手段之一。PIC模拟本身基于简单的“宏粒子”概念，即用一些宏粒子（云）的 运动来代替实际等离子体带电粒子的运动，每个宏粒子可以看成一堆一起运动的等离子体 粒子，其荷质比等于真实粒子的荷质比，同时具有一个权重参数，表明每个宏粒子代表多
程基本可以忽略（因为几乎是在真空背景中），于是，可以用PIC进行相当有效的分析模 拟[10][11][12]。直线加速器等设备也属于这一类[13]。 低气压下的放电过程，例如在微电子制造工艺中经常碰到的射频等离子体源[14]。当背 景气压非常低时，电子自由程接近甚至大于整个放电器件的尺寸；同时电子具有一些和轨 道相关的能量获取机制（例如费米加热），因此电子分布会显著偏离麦克斯韦分布；最 后，鞘层行为常常很重要，于是必须考虑局部电荷分离效应。这时，流体力学模拟难以跟 踪其中发生的各种物理过程，而传统的扩散近似FPE模拟方法由于电子自由程太长也无法 使用，通常都需要用PIC方法建模。 极强外场（激光）和晕区等离子体的相互作用[8][15][16]。由于外场极强，电子具有很 高的颤动能量，并且会被有质动力以及尾场加速到极高的能量，电子的能量分布是高度非 各向同性的，甚至难以使用球谐函数展开；由于能量非常高，碰撞截面很低，以至于可以 完全忽略电子-电子碰撞效应；最后，极少数被加速粒子是物理上主要关心的目标，大部 分背景粒子甚至可以当成冷等离子体描述。这样的问题也非常适合用PIC方法处理。 在另一个方面，也存在传统上不适合用PIC方法研究的过程，这主要发生在等离子体密 度非常高，和/或碰撞截面非常大的情况下。这类情况下，一方面PIC 模拟的计算量会成 数量级地上升，另一方面由于固有的噪声问题，模拟结果会变得相当不可靠。应该指出的 是密度和碰撞截面参数都是相对于系统的实际尺度的，在激光加速问题的数十微米尺寸 内，1019 cm−3 的电子密度仍然可以认为相当稀薄，而在放电问题中，由于特征长度达到几 个厘米，即使1011 cm−3 的电子密度就可以看做非常高了。 无论如何，理论上只要空间网格够细，每个网格内的粒子数够多，那么PIC模拟完全等 同于直接求解Vlasov方程。换句话说，PIC模拟能考虑的物理效应等价于能写进Vlasov方 程中的项目。而Vlasov方程包含了弱碰撞（或者无碰撞）区几乎所有重要的等离子体物 理。因此，只要克服了PIC方法的巨大计算量困难，PIC方法原则上可以解决我们关心的 绝大部分等离子体问题。但在实际中，如同前述的情况，多维的PIC模拟，其计算量过于 庞大，基本不可能有效地处理。因此，几十年来，很多人都致力于对PIC方法的改进：对 于那些适合PIC方法处理的问题，希望能得到更准确和适应更复杂环境的模拟程序；而对 传统上不适合PIC方法的问题，则致力于绕过PIC方法处理这类问题的困难。这种改进分 为几种不同的类型。 第一种是通过修改PIC的基本框架和物理原理，使得PIC方法可以研究其它物理效应。 这方面的代表性工作就是利用附加的Monte-Carlo过程来引入粒子-粒子短程耦合[9][17]， 从而使得PIC方法可以处理碰撞和电离、合并等等过程。这种方法已经被大量应用在低 温等离子体物理研究中，特别是关于放电过程的模拟。通过引入库仑碰撞模型或者直接 6
激光诱导钛合金等离子体电子温度和电子密度的时间分辨测量
第23 卷第 1 期2024 年 3 月宁夏工程技术Vol.23 No.1 Ningxia Engineering Technology Mar. 2024激光诱导钛合金等离子体电子温度和电子密度的时间分辨测量胡桢麟1，高阳2，林楠1*，郭连波3（1.中国科学院上海光学精密机械研究所，上海201800； 2.华东理工大学机械与动力工程学院，上海200237；3.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北武汉430074）摘要：以波长为532 nm的纳秒脉冲激光器为激发源，使用中阶梯光栅光谱仪和增强电荷耦合器件（ICCD）获得了激光诱导钛合金等离子体的时间分辨发射光谱；基于发射光谱，利用玻尔兹曼图法和萨哈-玻尔兹曼图法计算了等离子体电子温度；采用斯塔克展宽法计算了电子密度。
研究结果表明，相较于玻尔兹曼图法，萨哈-玻尔兹曼图法可提供更为准确的电子温度计算结果。
此外，光谱采集门宽的增大会导致等离子体电子温度和电子密度计算值的减小。
以上研究结果为钛合金的激光诱导击穿光谱（LIBS）分析提供了实验指导。
关键词：钛合金；激光诱导等离子体；电子温度；电子密度；时间分辨测量；激光诱导击穿光谱中图分类号：O433.4 文献标志码：A激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是一种热门的元素成分分析技术，其原理是采用高能量的脉冲激光聚焦烧蚀待测样品表面，诱导产生等离子体，然后通过等离子体的发射光谱对样品中的元素种类及含量进行分析［1-3］。
由于LIBS技术具有无需或简单制样，可实现原位、实时、远程和全元素检测等优点，目前已被应用于冶金［4］、燃煤［5］、核工业［6］、环保［7］、勘探［8］和火星探测［9］等领域。
在冶金领域中，LIBS技术常用于合金样品的元素成分分析，高能量脉冲激光与固体的相互作用会经历加热、熔化、气化和电离等复杂过程，最终诱导产生等离子体。
产生的等离子体在冷却过程中其电子温度与电子密度等特性在微秒尺度上快速变化，进而会影响LIBS光谱的成分、强度与稳定性等特性。
等离子体研究中的数值模拟技术研究
等离子体研究中的数值模拟技术研究第一部分：引言等离子体是一种高度电离气体，常见于太阳、恒星、闪电、等离子体切割和化学研究等领域。
等离子体技术有广泛的应用，包括清洗污染物、生产某些药品和半导体、生产电视、计算机和其他电子设备、稳定核聚变研究等。
理解等离子体物理对于实现上述应用至关重要。
数值模拟技术作为一种有效的研究手段，在等离子体物理领域也得到了广泛的应用。
第二部分：数值模拟技术概述数值模拟技术是指利用计算机模拟物理过程，数值计算获得物理过程相关的实验数据的方法。
它是一种受控的实验技术，可以用来模拟比实验条件更极端的条件。
等离子体物理的复杂性意味着实验难度极大，因此理论模拟成为了重要的工具。
第三部分：等离子体数值模拟中的挑战等离子体物理非常复杂，需要掌握多种交叉学科知识。
它有电磁、场论、量子力学和流体力学等方面的问题，需要通过多尺度的方法进行数值模拟。
同时，计算过程中还需要考虑等离子体物理特性和流体力学效应等影响因素，这使得数值模拟变得异常困难并且需要运用到高端的计算技术。
第四部分：等离子体数值模拟技术的机遇尽管等离子体模拟存在着一些难题，但是近年来涌现出了很多普适且利用度强的模拟技术，如Monte Carlo方法、分子动力学、有限差分/有限元、拉格朗日法等。
这些模拟技术可进一步应用于等离子体模拟，尤其是在核聚变研究和等离子体切割领域。
第五部分：等离子体数值模拟在核聚变领域中的应用核聚变是三大能源替代中的最后一项大难题。
模拟研究能帮助人们更好地理解核聚变过程，改善和加速这一研究领域的进展。
数值模拟技术可用于精确计算融合等离子体的物理实验过程、暗示未来实验设备的设计和模拟和预测各种等离子体问题的出现，以实现核聚变的可控。
第六部分：等离子体数值模拟在等离子体切割领域中的应用等离子体切割是一种实用技术，广泛用于工业和医学领域。
它宜于全面清洗并去除表面粘附污染物，减少沉积处理和表面固化的时间和成本。
等离子体模拟可用于快速评估等离子体切割过程中的各种参数，如平均电子能量、等离子体致密率和等离子体局部感应电压等，以帮助制造商更好地了解等离子体切割的特点和提供精确的控制和测试方法等。
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１ 引 言
粒子 模 拟是 通 过跟 踪 大量 的在外 加 和 自洽 场 中运 动 的带 电粒 子 来 研 究 等离 子体 性 质 的 一 种方 法 ， 随着 人们 对 等离 子 体研 究 的不 断 深人 和 计算 机 技术 的 飞速 发展 ， 子模 拟 方法 已广泛 应 用 于许 多 领域 ， 粒 如激 光等 离 子体 相互 作 用 、 间等 离 子体 、 空 自由电子 激光 等领 域 。在 研究 超 强 激光 与 等离 子 体相 互 作用
摘 要 ：用 二 维半 粒 子模 拟 程 序 Ｐ ＡＳ Ｍ 模 拟研 究 了超 强 的 Ｓ极 化 激 光 束 － 稠 密 等 离 Ｌ Ｉ ９过
子体 的相 互作 用过 程 ， 现 等 离子体 在 其表 面 形成 了波纹 状 结构 （ 离子 体 空 泡） 该 现象 也 称 发 等 ，
为类 瑞 利一 勒 不 稳定 性 ； 现 离子 得 到 很 大 加 速 ， 相 对论 动 能 可 以达 到 ７ Ｍｅ 并 研 究 了 泰 发 其 ２ Ｖ， 高速 离子 的分 布特 点及 其 产 生原 因。 关键 词 ：激光 等离子 体 相 互作 用 ； 钻孔 效 应 ； 离子体 空泡 等 中 图分类 号 ： ３ ０５ 文献 标 识码 ：Ａ
及其 相关 现 象 的研 究就 显 得特 别 重要 。
国内外 用粒 子 模拟 方 法对 Ｐ极化 激 光 与等 离子 体 的相 互作 用 作 了较 多 的研 究 ， 发现 了钻 孔 、 自 生磁 场［ 、 ×Ｂ加 热 等 许 多物 理 现象 ， 对 ｓ极 化 激 光 与 等离 子体 的相 互 作 用 的研 究 较 少 ， 外用 ２Ｊ ］ 但 国 粒 子模 拟 程序 模 拟 了 ｓ极 化 激光 与 等离 子 体 的相互 作 用 ， 发现 了泡 但 国 内 尚未见 有关 报 道 。等离 子 引， 体 空 泡是 一种 不 稳定 性 现 象 ， 过 程 涉及 高速 粒 子 的产 生 ， 且 与钻 孑 过 程 也 密 切 相 关 ， 该 而 Ｌ 因此 值 得 仔 细
维普资讯
第 ｌ ６卷
第 ２期
高 压 物 理 学 报
ＣＨ Ｉ ＮＥＳ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｈ １ Ｅ Ｊ ＧＨ Ｐ ＲＥ Ｕ ＲＥ ＳＳ ＰＨＹＳＩ Ｓ Ｃ
Ｖｏ ． ６．ＮＯ ２ １１ ．
２０ ０ ２年 ６月
Ｊ ｎ ．２ ０ ｕｅ ０２
研究。
２ 计 算 模 型 和 条 件
２ １ 计 算 模 型 ．
收 稿 日期 ：２ ０ — ９２ ；修 回 日期 ： ０ １１ — ０ ０ １０ — ８ ２ ０ －２２
基 金 项 目 ：国 家 ８ ３高技 术 Ｉ Ｆ主 题 资 助 ； 家 自然 科 学 基 金 （０ ８ ０ ２ １ ８ ５ ０ ） ６ Ｃ 国 １０ ５ ０ ． ９８ ０ ８
文 章 编 号 ：１ ０ —７ ３ ２ ０ ） ２ ０ ４ — ５ ０ ０５ ７ （０ ２ ０ — １７０
激 光 导 致 等 离 子体 空泡 及 高 速 离 子 产 生 的 粒 子 模 拟 研 究
马燕云，常文蔚 ， 银 燕， 曹莉华， 岳宗五
（ 防科技 大学理学院应 用物理系 ， 南长沙 国 湖 ４０ ７） １ ０ ３
方面 ， 由于超 强激 光 引 起 的强 相对 论性 和 强 非线性 ， 得解 析 研 究 异 常 困难 ， 时 由于 超快 过 程 的 短 时 使 同
特性 ， 使得 目前 的实验 研 究 也 有一 定 的 困难 ， 因此 在 研究 超 强 激 光 与等 离 子 体 相 互 作 用 方 面 ， 子模 拟 粒 方 法 正在 发挥 越 来越 重 要 的作 用 ， 中 ， 于和“ 点 火 ” 念 有 关 的钻 孔 效 应 及 其 相 关 现 象 的 的研 究 ， 其 对 快 概 已经成 为模 拟 研究 的一个 热 点 。 “ 点 火” 快 概念 是 Ｍ．Ｔａ ａ ｂ ｋ等 人 于 １ ９ ９ ４年 提 出的一 种 新 的聚变 方 案 。这 种 点 火方 案 分 为 以下 ３ 步： 首先 用 中等 强 度 的激 光对 靶 丸进 行 内爆 压 缩形 成 高密 度 芯 ； 后用 脉 宽 为几 百 皮秒 的超强 激 光脉 冲 然 辐照 ， 过靶 丸 的晕 区钻 出一 个 孔直 通 到压 缩燃 料 区 附 近 ； 后 ， 高强 度 的激 光 和 等 离 子 体 相 互 作 用 穿 最 用 产生 的超热 电子使 芯 部点 火 。在 这个 方 案 中 ， 孔 是关 系 到 “ 点 火” 否实 现 的关 键 之一 ， 钻 快 能 因此 对钻 孑 Ｌ
作者 简 介 ：马 燕 云 （ ９ ４ ） 男 ，博 士 研 究 生 ． １７一 ，
维普资讯
ｌ８ ４
高
压
物
理
学
报
第 ｌ ６卷
我们 利用 等 离 子体 粒 子模 拟 方法 （ Ｉ Ｐ Ｃ方 法 ） 来计 算 激光 和 等离 子 体相 互作 用 下 等离 子 体 的 运 动情
ｃ ｄ￡ ｔ
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４ ， Ｉ
ｃ ｆ
Ｂ 一 ０
求 出各 处 的 电场 和磁 场 ， 这样 ， 每个 粒 子所 受 的 电磁力 就 知 道 了 ， 下 一 时 刻 每 个粒 子 的位 置 和速 度 可 而
以通 过 运 动方 程求 出
ｄ 一 ｔ ＋ ）
如此 循环 进 行 ， 跟踪 计 算 大量 带 电粒 子 的运 动 并对 其进 行 细致 的诊 断 ， 而 了解 其 中的物 理过 程 和揭 示 从 等离 子 体 的运 动规 律 。
况 。等离 子 体粒 子模 拟 的基 本 思 路是 这样 的 ： 大 量 的带 电粒 子具 有初 始 位 置和 速度 ， 它们 统计 平 均 设 对 求 出等离 子 体空 间 的 电荷 和 电流 密度 分 布 ， 再通 过求 解 麦 克斯 韦方 程 组
・
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