温热稠密氢的电子离子耦合动力学研究

发布时间：2020-04-15 20:48

【摘要】：温热稠密物质结构和性质问题是高能量密度物理研究的前沿和热点课题,是研究天体物理、行星内部、惯性约束聚变的物理基础,对极端条件下材料的设计有重要的意义。温稠密物质是指密度在固体密度附近,温度在几个电子伏到几十个电子伏之间(费米温度附近)。同样,热稠密物质是指密度在固体密度附近,温度在几百个电子伏到几千个电子伏之间。随着实验技术的发展,人们可以在实验室产生温热稠密物质。这些实验平台,主要包括以美国国家点火装置为代表的大型激光设备,X射线自由激光器,以及氢气炮冲击压缩平台等,实验室产生温热稠密物质的技术日渐成熟。由于物质温度较高,动力学过程快,传统的光学诊断方法不能很好地诊断出物质的状态及动力学性质,当前,发展最快的是利用X射线汤姆孙散射技术诊断温热稠密物质状态。理论上,由于温热稠密物质密度较高,跨越了弱耦合和强耦合区间,现有很多理论模型的适用性需要验证,同时,电子也包含了部分简并和强简并区域,因此量子效应的影响也需要考虑。特别是电子离子温度弛豫过程,现有的理论模型跟实验结果相差很大。这给研究温热稠密物质性质带来了重大的挑战。首先,本文利用经典分子动力学方法研究了稠密氢中电子离子能量弛豫过程,离子温度固定在10 eV,电子温度从20 eV到200 eV,电子数密度从1.0×10~(22)cm~(-3)到1.0×10~244 cm~(-3),在此条件下,电子处于全电离情况下。为了解决分子动力学中“库仑灾难”问题,我们引入了两种势函数,一种是HM势函数,一种是截断的库仑势函数。通过与现有理论模型的对比显示,经典分子动力学结果能够很好地与现有的理论模型符合,同时,我们研究了电子的交换效应对弛豫过程的影响,结果显示电子的交换作用使电子离子弛豫过程变慢,并且只有当耦合参数Γ0.6时,电子的交换效应才明显。接着,为了深入理解温度弛豫过程中电子的量子效应和离子的强耦合作用的影响,我们引入了电子力场方法(electron force field method)。本质上,电子力场方法是一种波包动力学方法,离子用点电荷表示,电子用高斯波包表示,其中包含电子质心的平动和径向的振动。另外,动力学方程是通过把高斯波包带入薛定谔方程中得到的。这样就可以自洽地考虑分子的解离、电离、以及电子的激发和复合,而不需要人为地定义哪些电子是自由的,哪些电子是束缚的。本文利用电子力场方法继续研究了稠密氢中能量弛豫问题,结果显示,电子离子能量弛豫速率远小于现有的理论模型以及经典分子动力学方法,这跟现有的实验结论一致。本文对比了电子力场方法和经典分子动力学方法的平衡态结构、扩散系数以及平均自由程,深入分析了导致弛豫速率变慢的原因。结果表明,电子的简并、非局域化、量子散射以及与稠密环境的耦合共同导致电子离子温度弛豫速率变慢。最后,本文利用电子力场方法对温热稠密氢的输运性质进行计算,通过Green-Kubo公式计算电子的电导和热导。对于热稠密区域,由于温度比较高,电子波包会弥散,并且电子温度在费米温度以上,体系处于非简并区域,我们利用控制波包的方法,不让电子波包振荡,并且通过选取合适的波包大小,结果能够很好地与经典模型符合。同时我们考虑了离子间的碰撞对电子输运性质的影响。结果显示,离子的碰撞使电子的电导变小。
【学位授予单位】：国防科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL632

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