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分子离子和离子团簇在稠密等离子体中能量损失和库仑爆炸的理论研究

王桂秋  
【摘要】:载能分子离子、离子团簇与稠密等离子体相互作用一直是非常重要的研究领域。特别是,关于分子离子、离子团簇在稠密等离子体中的库仑爆炸和能量损失以及分子离子之间的相互干扰效应等相关问题的研究已经成为这一领域的研究热点,它不仅揭示了一些基本的物理问题,同时也与离子束驱动惯性约束聚变、离子束材料表面改性、分子离子结构分析以及薄膜沉积等技术的应用紧密相关。尤其是,近些年来由于加速器技术的发展,产生分子离子以及大的离子团簇已经成为可能,为研究不同种类的离子以及离子团簇与物质相互作用提供了有利条件,大大促进了离子束技术在材料科学和惯性约束聚变等领域中的应用。特别是,在惯性约束聚变领域,由于离子团簇与单个的原子离子相比会有更高的能量转化率和功率沉积,因此离子团簇已经成为重离子惯性约束聚变中一种有发展潜力的替代方式驱动氘氚等离子体靶达到快点火条件。本文主要研究快速分子离子和离子团簇与稠密等离子体的相互作用机理,包括分子离子和离子团的能量损失和库仑爆炸过程。采用线性化的伏拉索夫-泊松理论,建立了一套描述分子离子和离子团簇与稠密等离子体相互作用的自洽理论模型,同时利用流体力学理论和线性化的伏拉索夫-泊松理论分别研究了激光场对分子离子和关联离子团簇在不同状态靶中的库仑爆炸和能量损失的影响。 首先,本文研究了单个原子离子在稠密等离子体中的能量损失,推导了单个原子离子在等离子体中的感应电势的表达式,分别以质子和碳原子离子为例,得到由于入射离子的能量损失。数值模拟结果发现,由于等离子体的集体激发使能量损失随着入射速度的增加呈现出先增大后减小的趋势,在入射速度接近等离子体的热速度时,能量损失出现了一个峰值,这是由于入射离子引起的等离子体激发在此速度附近产生了共振吸收,使入射离子的能量损失最大。 基于单个原子离子与等离子体的相互作用过程的研究,本文进一步对双原子分子离子与等离子体的相互作用过程进行了研究。与单个原子离子相比,分子离子与等离子体的相互作用有很大的不同。当一个快速的分子离子进入等离子体时,由于它不断地与等离子体中的电子、离子和中性原子发生碰撞,其外层的价电子将被迅速剥离掉。当该分子离子进一步穿行时,由于内部的库仑力的排斥作用,分子离子之间的距离将逐渐拉大,即所谓的“库仑爆炸”(Coulomb explosion)过程。由于分子离子的能量损失是离子之间相对距离的函数,所以分子离子的库仑爆炸过程将直接影响其能量损失。此外,由于等离子体中电子受到扰动而产生的动力学极化效 分子离子和离子团簇在稠密等离子体中的能量损失和库仑爆炸的理论研究 应在分子离子的运动方向上的分布呈现了很强的非对称性,即形成“尾流效应” (Wake effect)。这种尾流效应使分子离子中单个离子之间产生很强的干扰作用, 这种作用使分子离子的能量损失不等于相同数量的孤立的原子离子的能量损失之 和。分子离子之间的相互干扰效应被称为临近效应(vicinage effeCt)。通过氢分 子离子在等离子体中的库仑爆炸和能量损失过程的研究发现,分子离子的库仑爆炸 过程随着入射深度的增加呈现了明显的非对称性,这种非对称性是由于等离子体的 极化产生的尾流效应引起的,这种尾流效应直接导致分子轴在库仑爆炸过程中逐渐 向分子离子的入射方向发生偏转。 接着本文将研究对象从小的双原子分子离子扩展到大的重离子团簇,并以C60 离子团簇为研究对象。在线性化的伏拉索夫一泊松理论框架下,分别采用球壳层模型 和分子动力学模拟两种方法研究C6。与稠密等离子体的相互作用。在球壳层模型中 发现,当入射离子的速度较大、等离子体温度较高或等离子体的密度很低的时候, 分子离子的自能和能量损失增大,同时库仑爆炸进程加快。值得注意的是:在低 速、高密或低温情况下,分子离子的自能出现了负值,这一结果说明在库仑爆炸过 程中,离子之间除了排斥力外还存在着相互吸引力,这种吸引力能够减慢库仑爆炸 进程,稳定分子离子的结构。分子动力学模拟结果表明,C6。团簇随着入射时间的增 加,在运动方向上形状由对称的球形不断演化成非对称的花篮形状。这表明非对称 的尾流效应阻碍了库仑爆炸进程,稳定了团的结构。通过这两种模型比较,可以发 现阻止本领比率在分子动力学模拟中比球壳层模型得到的结果要小,这表明在相同 的参数下,分子动力学模拟中离子团的平均尺寸要比球壳层模型得到的结果大。 最后,本文分别采用流体力学模型和线性化的伏拉索夫一泊松模型研究了激光场 对分子离子与等离子体相互作用过程的影响。在初始阶段,靶表面的温度比较低, 可以将靶看成简并的量子电子气(电子等离子体),分别采用了只与频率有关的局 域介电函数和包括色散效应的等离子体极点近似介电函数研究了激光场对氢分子离 子与靶相互作用的影响。随着靶温度的上升,靶表面最后会被烧蚀成等离子体状 态,本文以由两个关联的氮离子组成的离子团为例研究了激光场对氮团的库仑爆炸 和能量损失的影响。数值结果表明,激光场强度是影响离子间相互作用过程的一个 非常重要的参量。随着激光场强度的增加,动力学相互作用势中的尾流效应变弱, 由此导致分


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