计算物理杂志

计算物理杂志2023年第2期

• 弱磁化等离子体中受激拉曼散射和受激布里渊散射抑制研究

  周远志, 郑春阳, 刘占军, 曹莉华, 程瑞锦, 贺贤土

  本文针对典型激光聚变等离子体参数条件, 利用动理学粒子模拟程序研究横向磁场和激光带宽在抑制受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)中的作用。模拟发现横向磁场对非均匀等离子体中SRS的非线性自共振增强有显著抑制作用, 分析认为横向磁场作用于SRS激发的电子等离子体波(EPW)势阱中的俘获电子, 使它们在横向上加速, 对EPW造成非线性阻尼, 同时减小EPW的非线性频移量, 从而缩窄非均匀等离子体中SRS的自共振空间, 极大降低SRS反射率。在此基础上利用横向磁场抑制SRS的特性, 以及SBS增长对激光带宽的敏感性, 提出了利用横向磁场和宽带激光将SRS和SBS同时抑制在低反射率水平的方案。在采用数十特斯拉横向磁场和实验中易于达到的千分之一量级的激光带宽时以及慢性约束聚变(ICF)相关参数下, SBS和SRS的反射率都得到了有效抑制。

• 非均匀等离子体对强激光传播及电子束输运的影响

  黄太武, 蒋轲, 李然, 周沧涛

  本文介绍近期针对非均匀等离子体对强激光传播和电子束输运影响取得的研究进展, 首先研究弱无序分布等离子体对强激光传播的影响, 提出强激光在弱无序等离子体中存在非线性分支流传输机制, 并阐明光电离效应及相对论效应对分支流的重要影响。此外, 研究等离子体密度梯度对相对论电子束输运过程的影响, 发现相对论电子束输运所激发的静电波在空间固定点处的波数或相速度随时间变化, 并且不依赖于等离子体密度的上升或下降, 静电波的局域空间波数最终随时间逐渐增大, 这导致在非均匀等离子体中静电波通过朗道阻尼方式将能量耗散转移给背景电子, 表现为一种由背景等离子体密度梯度引起的束流能量耗散新机制。

• 混合流体-PIC物理建模及其在激光聚变中的应用

  蔡洪波, 许育培, 姚沛霖, 张恩浩, 黄翰霄, 朱少平, 贺贤土

  本文探索性地建立混合流体-PIC(particle-in-cell)模拟方法, 电子用无质量的流体描述, 多组分离子用PIC粒子描述; 流体运动通过求解电子磁流体方程组来获得, 电磁场通过求解Ohm定律和Faraday定律来获得。针对激光聚变等离子体条件, 利用混合流体-PIC模拟研究高能量密度条件下冲击波结构及其特性、流体力学界面不稳定性演化的影响等问题。混合流体-PIC物理建模为研究等离子体效应对冲击波和界面不稳定性的影响提供了新的研究手段。

• 三维大尺度激光等离子体相互作用程序LAP3D在集束实验中的应用

  刘占军, 王强, 张文帅, 李斌, 李纪伟, 曹莉华, 郑春阳, 贺贤土

  针对多束激光组成一个集束情况下的受激布里渊散射(SBS)开展数值模拟研究。激光采用多种不同的束匀滑手段, 模拟得到受激布里渊散射中的多种不同现象, 包括散射光的原路返回、共用离子声波和共用散射光波, 并针对这些现象给出物理解释, 部分结果得到了实验验证。

• 混合驱动中直驱激光焦斑尺寸对点火性能的影响

  李志远, 李纪伟, 王立锋, 戴振生, 谷建法, 何民卿, 吴俊峰, 叶文华, 贺贤土

  研究针对混驱点火模型, 保持直驱激光能量不变, 针对1 200, 1 400和1 500 μm直驱光焦斑尺寸, 采用数值模拟, 研究其对点火性能的影响。研究表明: 直驱光焦斑尺寸是影响混驱点火性能的敏感因素。1 500 μm焦斑尺寸可实现近一维点火。1 400 μm焦斑尺寸放能接近一维放能的40%。1 200 μm焦斑尺寸点火失败, 仅仅处于燃烧等离子体状态。分析表明, 1 200 μm焦斑尺寸条件下点火失败的原因是: 其产生的局部强光强和高驱动不对称性, 会导致燃料熵增加及燃料面密度扰动增加。燃料熵的增加将会降低燃料压缩性, 不利于创造高温高压点火条件, 形成的燃烧波较弱。燃料面密度扰动增加会导致燃烧后壳层不稳定性剧烈增长。推断在小焦斑尺寸条件下, 弱燃烧波及高燃料面密度扰动增长, 会导致高密度尖钉难以被有效点燃, 无法形成升温与燃烧的正反馈。同时, 燃料区域内界面不稳定性发展产生的尖钉结构将降低热斑温度, 产生的气泡结构将引起热斑体积迅速变大, 导致热斑快速降温乃至点火失败。

• 马赫数对等离子体碰撞冲击波结构的影响———全动理学模拟研究

  张文帅, 蔡洪波, 张恩浩, 杜报, 邹士阳, 朱少平

  利用全动理学粒子(PIC)模拟研究不同马赫(Mach)数条件下等离子体碰撞冲击波的结构。研究发现: 在低Mach数条件下, 冲击波波阵面位置物理量的分布较为平缓(努森数较小), 等离子体的粘性和热流可由经典输运理论描述, 这种情况下数值求解双流体方程组得到的冲击波结构与PIC模拟一致。随着冲击波Mach数的增加, 冲击波波阵面位置物理量的分布变陡, 努森数增加, 动理学效应对等离子体输运的影响变得显著。高Mach数条件下, 动理学效应主要体现在"先驱离子"对离子粘性和热流的增强以及电子非局域输运对电子热流的影响。通过影响等离子体输运行为, 动理学效应可以显著影响冲击波的结构特征。

• 强流离子束在固体等离子体靶输运的混合粒子模拟方法

  张智猛, 齐伟, 崔波, 张博, 洪伟, 周维民

  针对强流离子束在固体等离子体靶中的输运问题, 详细介绍一种粒子/流体混合模拟方法, 发展了二维数值模拟程序Opic2D-hybrid, 研究强流质子束在聚乙烯和固态铝靶中的集体输运行为。结果表明: 强流质子束在固体靶中输运时产生的自生磁场有利于横向箍缩质子束流。并且靶加热离化产生的大量自由电子, 也有利于减弱固体靶的阻止本领, 从而拉长质子束流射程。但是靶温度升高也会降低电阻率, 抑制自生磁场产生。同时靶离化也会带来更强的离子-离子散射效应, 导致质子束的空间扩散。这些效应彼此间相互竞争, 决定了强流质子束的输运行为。还分析了影响磁场产生的物理因素, 提出多种手段提高自生磁场强度, 从而实现强流质子束在固体靶中的箍缩传输。

• 超热电子能量沉积的Fokker-Planck方程模拟

  张华, 李明强, 彭力, 何民卿, 吴思忠, 周沧涛

  围绕超热电子在高密度等离子体中传输和能量沉积问题, 从相对论粒子碰撞基本物理出发, 综合考虑相对论库伦碰撞和集体效应下等能量损失过程、背景等离子体电子回流和升温过程, 建立超热电子相对论Fokker-Planck混合模型; 构造直角-动量球坐标系下Fokker-Planck方程的有限体积算法, 通过计算单能电子束在高密度等离子体中能量沉积和磁场产生过程, 验证数值模拟程序。针对激光惯性聚变中超热电子的预加热效应, 计算超热电子能量为单能和双麦氏分布情形下在靶丸中的能量沉积占比。

• 辐射流体程序中的非局域电子热传导

  袁文强, 赵忠海, 乔宾

  将考虑非局域效应的电子热传导模型耦合到辐射流体程序中, 通过两种解析情况下的测试, 计算结果与Fokker-Planck程序计算结果基本一致。将该程序应用到纳秒激光与固体靶相互作用上, 发现电子热传导的非局域效应主要体现在相互作用早期等离子体冕区临界密度面先增大后减小的限流作用和后期烧蚀面附近逐渐增大的预热效应。这对理解惯性约束聚变尤其是直接驱动中的激光能量沉积和传输、流体力学不稳定性的产生与发展具有重要意义。

• 激光驱动束靶相互作用产生中子的蒙特卡罗程序

  姚屹林, 巫振波, 乔宾

  概述激光驱动束靶相互作用产生中子的蒙特卡罗程序MCNRC的程序设计和进展。详细阐述MCNRC中的离子输运过程和中子产生过程中应用的物理模型和数据库, 并展示MCNRC的模拟计算和实验数据或与其他模拟数据之间的比较。介绍该程序应用于质子锂反应、氘锂反应和锂质子反应, 三种基于不同核反应中子源的模拟计算, 计算结果表明, MCNRC对上述中子源具有较好的模拟能力。

• 基于流守恒和傅立叶谱分析的混合型Wigner-Poisson方程组求解

  胡天行, 盛正卯, 吴栋

  提出一种基于流守恒和傅立叶分析的混合型离散欧拉网格法来求解Wigner-Poisson方程组。在坐标和速度空间分别采用不同的时间推进算法。与一般的离散欧拉法相比, 可以显著提高非线性模拟结果的可靠性。通过该方法求解一些常见静电动理学不稳定性在量子等离子体中的行为变化; 通过线性的本征解验证代码的可靠性, 然后进行一些非线性现象的模拟, 包含非线性朗道阻尼以及双流不稳定性的非线性饱和等。

• 温稠密物质状态方程的路径积分蒙特卡罗方法研究进展

  颜子翔, 康炜, 张维岩, 贺贤土

  首先对路径积分蒙特卡罗(PIMC)方法的基本原理进行详细介绍, 重点综述该方法处理费米系统的手段。然后对PIMC方法在计算多种体系的状态方程所取得的成果进行总结比较, 分析该方法的优点与不足。最后对PIMC方法未来的发展方向做出展望。