外加强磁场中激光等离子体演化的Hall MHD模拟

The evolution of laser-induced plasma in strong external magnetic field is essential for the study of inertial confined fusion, pulsed laser deposition coating and laboratory astrophysics. Our research group discovered the asymmetrical plasma bubble and the jet structure in the experiment of laser-induced plasma in external magnetic field. The experiment shows that Hall effect play the crucial rule. On the other hand, people find the anomalous stagnation of plasma plume in the pulsed laser deposition coating related experiment. We think this stagnation should also due to the Hall effect. This program will use the two-fluid code NIMROD to simulate the laser-induced plasma evolution in strong external magnetic field for the fist time. This study will contributes to intensively understanding of the asymmetrical plasma bubble and the jet. Moreover, we will simulate the anomalous stagnation of the plasma plume, and study the Hall effect in this process. These simulation results would be helpful for the further study of the basic physics process in inertial confined fusion and magnetic reconnection.

强磁场中的激光等离子体演化过程对于惯性约束聚变、脉冲激光沉积镀膜和实验室天体物理等的研究至关重要。我们研究组在进行激光等离子体在外磁场中演化的实验中首次发现了非对称等离子体泡和射流的现象，实验特征显示Hall效应在其中发挥重要作用。另外，人们在脉冲激光趁机镀膜相关的等离子体羽的研究中发现了等离子体异常停滞的现象，我们分析发现等离子体羽的异常停滞现象也应该是Hall效应所致。本课题将首次利用双流体程序NIMROD对外加强磁场中的激光等离子体演化过程进行Hall MHD模拟，从而深入理解实验中观察到的非对称等离子体泡和射流结构的形成原因。另一方面，我们将开展等离子体羽的异常停滞现象的模拟，研究Hall效应对等离子体羽演化的影响。相关模拟结果将有助于惯性约束聚变、磁重联过程等基本物理过程的进一步研究。

我们实验和模拟研究了激光烧蚀产生的等离子体在外磁场中的膨胀动力学过程，发现激光等离子体被外磁场约束、形成低密度等离子体泡结构。等离子体泡的最大尺寸和达到饱和所需要的时间满足 和 定标率。更高的激光能量或更弱的磁场将增加泡的饱和尺寸和达到饱和所需要的时间。只要磁压等于气体热压，外磁场约束的等离子体具有与低密度气体约束同样的物理特征。外磁场可能用于取代充气腔来约束腔壁等离子体膨胀并抑制受激散射过程。我们在10T外加磁场中激光等离子体膨胀时观察到槽纹不稳定性，它表现出典型的耗散大拉莫尔半径不稳定性LLRI的特征。在线性阶段，不稳定扰动增长率大于离子回旋频率，并与考虑碰撞耗散效应的LLRI增长率一致。在非线性阶段，扰动呈现无旋鱼骨模的动理学不稳定性特征。发生了模式合并现象，最终的扰动波长接近密度梯度标长。我们也观察到槽纹朝着表面剪切流相反的方向倾斜。我们的实验在新的参数区域再现了AMPTE和CRRES空间实验观察到的动理学不稳定性。针对新的实验需求，因此我们发展了一系列新的脉冲强磁场装置。