激光等离子体相互作用以及惯性聚变中的流体动力学

发布时间: 2017-04-20 10:21:06   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

等离子体物理中,大振幅波与其他波动在等离子体中的相互作用无处不在。空间等离子体中存在波与粒子相互作用,利用雷达发射机的离子层的修正实验也表明存在能量衰减为朗缪尔波(LWs)的反常吸收。惯性约束核聚变(ICF)需要压缩热核燃料(即氘氚)至1000g/cm3密度以及约10keV温度。大多数的研究利用激光直接驱动的方式或者通过加热高Z的圆柱形黑腔产生X射线(间接驱动)来内爆一个低Z的靶丸。除开其在能源方面的应用前景,ICF还为基础科学研究提供了极端条件下的聚变产物,黑腔也可以用于材料性质的研究。黑腔实验从2009年至今在国家点火装置(NIF)上开展。其激光脉宽≥10ns,采用高密度气体≥0.9mg/cm3填充黑腔,通常为氦气,用来捣固高Z黑腔壁的膨胀。

激光等离子体相互作用是这些实验的一个关键因素。控制内爆的对称性需要考虑从外路激光束(与黑腔轴夹角)到内路激光束的交叉束能量转移(CBET)。CBET属于布里渊散射的一种,当两束光波作用驱使形成离子声波(IAW)时,离子声波将一部分能量传递给在等离子体中频率更低的光波。此外,高填充密度也将伴随高内路激光束的后向受激拉曼散射(SRS)或激光能量部分衰减为散射光以及朗缪尔波。这些过程是有害的,因为散射光不能产生X射线,另一方面朗缪尔波将衰减成为超热电子预热燃料从而降低压缩程度。此外,朗缪尔波的能量进入靶丸还将改变X射线驱动以及内爆对称性。

激光等离子体相互作用(LPI)过程的时间增长率(1-10ps)和空间增益长度(约等于光滑光束的散斑长度,对NIF约为160μm)远小于流体动力学标长。因此完整的LPI建模相比辐射流体动力学代码,例如傍轴传输或PIC代码,需要借助更加精细和昂贵的工具。尽管目前已经能够耦合傍轴与辐射流体动力学的模型,现有计算机仍然无法运行这样的模型,这也使得将LPI效应包含到辐射流体动力学代码中十分的困难。CBET的计算常通过对不计CBET进行流体动力学模拟后的等离子体状态计算进行,或者直接在包含激光追迹或傍轴复几何光学的模拟中进行。

本文利用精简的LPI模型内嵌在辐射流体动力学模拟中研究LPI与流体动力学间的相互作用。其对等离子体的动力学过程以及黑腔的辐射对称性都有显著的影响。具体而言,LPI驱动的等离子体波改变了等离子体的状态以及NIF实验中具有高填充密度的CBETCBETNIF实验中能将内路光束的功率提高约2倍,同时内路光束的SRS功率将超过入射光的一半。与之前工作不同的地方是,CBETSRS在整个靶体积中被同时建模,也未作其在何处发生的假设。本文的结果表明朗缪尔波加热能减少CBET至内路激光,因此,CBETSRS需要一并考虑。SRS在光束传播过程中持续增大,而朗缪尔波主要产生在激光入射孔内。相比于之前直接将逃离的SRS从入射光中减去的模型,这个内嵌模型在内外路激光交叠的地方将增加电子温度,这导致X射线从两极处发射而不是从赤道处。本文的研究结果也帮助解释了许多NIF数据与黑腔模型之间的差异,也即之前的模型预测几乎全部的外路激光束能量都转移到了内路激光中。

NIF192路激光被分成了48组的4束偏振光滑的光束(两束线性偏振并与其它两束正交)。对其中一组(下标X=0)传播至+z处时的内嵌模型,

,            (1)

  ,           (2)

,             (3)

,             (4)

其中,是光波X的逆韧致辐射吸收率,X=R是第0组的SRS光。对于朗缪尔波(X=L),为功率沉积密度。第i组(X=AiCBET的离子声波也可作相似表达,LAiRi,以及表示离子声波的电子密度波动幅度。CBET的耦合率为

 (5)

  (6)

,其中是光波X的临界密度,为流速,fm为电子经典半径。

1 Lasnex模拟的能量动力学过程对比

公式(1)-(6)也被运用在辐射流体动力学代码Lasnex中。它将激光描述为能够瞬间(c→∞)携带能量的射线。本文对NIF实验N121130进行模拟来研究LPI效应对黑腔动力学过程的影响。这是一发早期进行的高绝热值的实验。1.27MJ三倍频激光能量(峰值功率350TW)驱动一个填充1.45 g/cm3氦气的金质黑体腔,塑料靶丸填充D-He3气体。锥波长被选择能够为内束激光束(尤其是23.5°)提供足够的CBET(对。为了凸显内嵌SRS模型的作用,比较两组内嵌了CBETLasnex模拟结果。其中一个使用了内嵌SRS模型,另一个则将SRS光从入射光中直接移除,而不沉淀到朗缪尔波中。这个并不实际存在的“SRS透镜”模型可以由公式(1)-(6),以及时得到。第二个条件表示没有能量沉积在零频的朗缪尔波中。图一给出了其动力学过程。

图二所示为CBETSRS之后的空间能量沉积。朗缪尔波加热要远强于SRS的吸收,并且仅主要发生在激光的入射孔内。图(d)给出了内嵌SRS模型的总的热量(图(a)(b)(c)的总和)和SRS透镜模型的热量。内嵌SRS模型在激光入射孔以及外路激光束光斑处有更多的热量,而在内路激光束的路径上的热量较少。图(e)指出SRS的功率在激发黑腔前持续地增长,这意味着该阶段的SRS增长率远大于吸收率SRS来源于图中红圈所围的“种子”区域。加热方式的不同使得内嵌SRS的模型具有更高的入射孔电子温度,从而降低CBET向内路激光的能量传递。LPI同时也影响了X射线驱动的对称性。内嵌SRS模型在赤道处的驱动显著的低于SRS透镜模型,这个减少来源于CBET的降低。

2 12.6ns(逃逸SRS峰值时刻)的Lasnex模拟能量沉积(W/cm3)空间示意图

摘译自: Interplay of Laser-Plasma Interactions and Inertial Fusion Hydrodynamics, Nature Communications. 118 025002 (2017)

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