超热电子产生与输运中两体碰撞的计算机模拟研究

【摘要】：在激光与等离子体互作用的粒子模拟(PIC)研究中,常采用有限大小粒子模型。该模型能精确地描述等离子体的集体运动行为,但却忽略了网格内带电粒子间的相互作用,从而会导致两方面的问题：首先在超热电子的产生阶段,网格内的带电粒子很难在短时间内达到平衡；其次在模拟高密度的等离子体时,网格内带电粒子间的相互作用力非常强,若不加以计算,其模拟结果和实际结果会存在一定的偏差。因此为了弥补和改善PIC方法的不足,我们需要在激光与等离子体互作用的模拟中加入网格内的库仑碰撞过程。但由于直接模拟网格内带电粒子间的库仑碰撞过程将会产生巨大的计算量,所以一般采用两体碰撞模型来模拟库仑碰撞过程,从而有效降低模拟负担。 本论文以两体碰撞的理论及其数值模拟方法为中心,对其相关理论进行了详细的分析及讨论,主要包括以下几个方面的工作： 首先简单介绍了惯性约束核聚变的概念以及目前惯性约束核聚变的主要实施方案,并对方案中激光与等离子体相互作用的物理过程以及模拟这些物理过程的方法进行了详细的分析及总结； 其次建立了两体碰撞的物理模型,对两体碰撞的物理过程进行了理论及数值模拟分析,给出了模拟该物理过程的流程图。本文在传统TA模型的基础上提出了一种间接随机排序的方案,该方案有效避免了粒子顺序的还原,并优化了两体碰撞的模拟流程,提高了两体碰撞的模拟效率。 最后使用C++语言在现有的LPICMCC++代码中添加了两体碰撞模块,并利用该改进程序模拟了超热电子产生与输运过程中两体碰撞的物理过程,详细地分析了激光与等离子体相互作用的能量、电场、磁场以及等离子体的密度及粒子速度等随时间和空间的演化过程。