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强激光与高密度中性气体相互作用的数值模拟

凌华亮  
【摘要】:随着人类对资源利用的需求不断增长,地球上的不可再生资源快速递减,研究获取可持续再生资源的理论和方法是当前人类重要而迫切的任务。核聚变由于释放能量大、对环境污染小且海水中富含大量用于核聚变的材料氘和氚,从而成为众多学者研究的重点。惯性约束聚变中的快点火方式具有驱动能低和流体稳定性好等特点,而产生超热电子是快点火方式中的重要环节,因此,产生超热电子是快点火研究的重要领域。 在国内外学者对超短超强激光脉冲与高密度等离子体相互作用过程研究的丰硕成果中,对激光与高密度中性气体相互作用中同时包含光电离、电子碰撞电离和两体碰撞过程的研究很少,而这些过程对超热电子的产生和输运都有重要的影响。如果在数值模拟中综合考虑这些过程,深入研究强激光与高密度中性气体相互作用产生超热电子的特性,将对实际应用提供很大的指导作用。 本论文对光电离、电子碰撞电离和两体碰撞过程进行了理论分析和数值模拟建模讨论,同时实现了包含这三个模块的激光与高密度中性气体相互作用的数值模拟,并以此为基础开发了1D3V的数值模拟软件LPICMCC++。主要内容有: 1.介绍了快点火方式的基本原理,对模拟产生超热电子过程的数值方法进行对比,指出光电离、电子碰撞电离和两体碰撞过程对研究分析粒子的离化和输运过程具有重要意义; 2.对激光与等离子体互作用的数值模拟方法进行概述,分别分析它们在物理过程模拟研究中的适用性,并讨论了各自的优缺点; 3.分别建立了光电离、电子碰撞电离和两体碰撞的数理模型,详细分析了LPICMCC++模拟软件(包含光电离、电子碰撞电离、两体碰撞及激光与等离子体互作用过程)的模拟思路和流程,同时给出了该软件的框架、模块及使用说明; 4.运用LPICMCC++软件模拟强激光与高密度中性气体的相互作用,详细分析了激光和高密度中性气体相互作用中不同时刻电磁场的分布状态、各种粒子的密度分布以及能量随空间的演化过程。


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