超强激光等离子体相互作用中QED效应的研究

发布时间：2020-08-26 03:54

【摘要】：人类对能源的急迫需求促进了新能源——聚变能的飞速发展,聚变能中的惯性约束聚变由于可控性、无污染以及原料成本低(海水中的氘氘)等优势受到国内外学者极其广泛的关注。随着对惯性约束聚变研究的深入,脉冲激光的强度也在不断提高,特别是近年来激光关键技术——激光放大器技术的突破,使得目前最高激光脉冲峰值功率已经达到1022W/cm2,并有望达到1023～1024W/cm2甚至更高。当激光强度达到1022～1024W/cm2量级时,激光场强可以与Schwinger场相比拟,激光与等离子体相互作用将进入强场量子电动力学(QED)领域。非线性强场QED效应将变得复杂而且越来越重要,尤其是其中的Gamma射线和正负电子对的产生。强场QED效应与激光等离子体相互作用(LPI)的这种结合,已经成为当前和未来的一个重要发展方向。强场QED效应可以通过理论、实验以及数值模拟等研究手段进行研究,早期由于受到计算机性能的限制,研究主要以理论和实验为主。近年来,随着计算机性能的高速提升,数值模拟研究手段成为研究热点,但研究仍处于发展阶段,还有很多问题需要进一步探索与解决。例如:从物理过程研究方面,已有数值模拟通常假设为固体靶在模拟之初是完全电离且密度均匀分布的,然而强场QED效应、LPI和离化过程是同时进行且紧密耦合在一起的,等离子体分布以及离化过程对强场QED效应的影响机制还是未知的;从强场QED效应理论研究方面,由于其还处于发展阶段,理论及模型是否正确还有待探讨,但目前英国华威大学开发的EPOCH程序是唯一广泛使用的主流程序,所以非常有必要基于已存在的多种量子QED效应理论开发及应用相应的数值模拟程序,从而更深入地探讨强场QED效应理论及其物理机制。针对上述研究背景及研究需求,本文的主要创新为:将强场QED效应与LPI相结合,修正并引入了离化过程,开发了 PIC/MCC数值模拟程序,并主要对离化特性对强场QED效应的影响机制进行了研究。本论文的主要工作如下:1、强场QED效应的背景研究。调研了国内外学者在该领域理论、实验和模拟方面的研究动态,确定了数值模拟是目前此方面研究的必要手段,并总结了已有模拟工作的不足,进而确定本论文的主要工作——研究具有一定密度分布的等离子体及离化过程对强场QED效应的影响,并开发自主知识产权的模拟程序。2、对包含离化效应的PIC数值模型的研究。利用经典PIC方法建立了激光等离子体相互作用的PIC数值模型,并对教研室已有程序BUMBLEBEE-LPI的等离子体形成的相关模块进行了完善:包括建立了满足能量守恒的高Z光电离理论与数值模拟模型,完整的推导了库仑碰撞理论,建立了通用的电子碰撞电离数值模拟模型。3、建立了强场QED数理模型。将电子辐射的能量看成一个个独立的“光粒子”,从电子辐射功率的公式出发,推导出光子产生概率的关键量η,得到电子的光学深度,确立光学深度与光子产生概率的关系,进而得到光子的产生概率。用同样的方式得到正负电子对的产生概率,建立了强场QED的理论模型,基于蒙特卡罗方法建立了 Gamma射线和正负电子对的产生模型。4、将包含离化效应的PIC程序与QED数理模型相结合。主要包括QED数理模型的代码编写,代码在BUMBLEBEE-LPI程序中的集成,调试与测试。利用该程序模拟了一个超高强度激光与完全电离的铝箔相互作用,观察了激光等离子体相互作用中的QED效应,并与EPOCH1D代码结果进行了验证,证明了理论模型及代码的正确性。5、研究了不同等离子体密度分布对QED效应的影响。观测了简单解析的等离子体前沿密度分布(线平坦型、线性型、指数型及对数型)对QED效应的强弱的影响。该研究不仅对后续设置合适的等离子体形态以产生所需的Gamma射线源或正电子源有一定的参考价值,更重要的是对等离子体形成对QED效应的影响有一个初步的判断,为后续研究奠定了基础。6、研究库仑碰撞、等离子体形成对QED效应的影响。首先研究高密度等离子体中库仑碰撞对QED效应的影响,然后考虑离化效应中的光电离和电子碰撞电离物理过程对QED效应的影响。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53
【图文】：

惯性约束聚变,直接驱动

第一章绪论第一章绪论尽管国际能源消费增长速度在逐步放缓，但近年来石油、天然气和可再生能源消耗均有可观增长[1-2]，促使世界各国相关研究人员不断探寻新的能源。新能源中的聚变能由于其原料丰富（海水中的氘）以及利用率高等优点受到政府和研究人员的强烈关注[3-7]。获取聚变能的两种最有效方式分别是磁约束聚变和惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion，简写为 ICF）[8-9]。ICF 是利用驱动器提供的能量使靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还没来得及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。ICF 的驱动器可以有很多种，但是随着激光技术的快速发展，激光成为一种最常用的驱动方式。激光驱动的 ICF 有两种实现方式：直接驱动和间接驱动[10]，分别如图 1-1 和图 1-2 所示。

惯性约束聚变

靶丸中的核聚变燃料（氘、氚）形成等离子体，在这些等离子体粒子由于自身惯性作用还没来得及向四周飞散的极短时间内，通过向心爆聚被压缩到高温、高密度状态，从而发生核聚变反应。ICF 的驱动器可以有很多种，但是随着激光技术的快速发展，激光成为一种最常用的驱动方式。激光驱动的 ICF 有两种实现方式：直接驱动和间接驱动[10]，分别如图 1-1 和图 1-2 所示。图 1-1 直接驱动实现惯性约束聚变[11]

激光强度,超强超短激光,物理,领域

第一章绪论的动力学变成高度非线性，LPI 进入相对论区域[17]。相对论情况下的 LPI 研究十分广泛，主要包含：超强超短激光与固态物质、原子或团族的相互作用及电制，超强超短激光在等离子体中的传播、吸收，超热电子产生、输运与能量沉超强超短激光等离子体的其它应用研究，如 X 射线激光、离子加速等[18]。

【相似文献】