动理学研究磁场对激光能量沉积和电子能量输运的影响

Laser energy deposition and electron energy transport are very important in the laser fusion and high energy density physics. The laser energy is transferred to the electrons mainly through the inverse bresstrahlung process near the critical surface during its propagation in the plasmas. Therefore, a stongly nonuniform electron energy distribution and a magnetic field as large as several mega-Gauss are also generated. The effect of the self-generated magnetic field on the laser energy deposition and electron energy transport, and the modeling of the nonlocal electron energy transport always draw a lot of attention but are not completely understood. In this project, the kinetic simulation code will be developed using the particle-in-cell method to self-consistently describe the laser propagation, energy deposition and electron energy transport process. The effect of the magnetic field on the laser energy deposition and electron energy transport will be intensively investigated. This project will improve the modeling of the laser energy deposition and electron energy transport, and also the understanding of the key issues in the laser fusion.

激光能量沉积和电子能量输运在激光聚变和高能量密度物理中十分重要。激光在等离子体中传播时主要通过逆轫致吸收过程在临界面附近将能量传递给电子，形成一个空间急剧变化的电子能量分布并产生兆高斯量级的自生磁场。自生磁场对激光能量沉积和电子能量输运的影响，非局域电子的能量输运建模，一直是激光聚变极为关心但未完全认识的问题。本项目拟采用粒子模拟的方法，发展动理学模拟程序自洽地描述激光在等离子体中传播，能量沉积和电子能量输运的过程，重点研究磁场对激光能量沉积和电子能量输运的影响。该研究将促进激光能量沉积和电子能量输运问题物理建模的改进，有助于提高对激光聚变关键物理问题的认识。

激光能量沉积和电子能量输运在惯性聚变和高能量密度物理中的十分重要。在强激光与等离子体相互作用的过程中，往往会产生兆高斯量级的磁场。磁场不但能强烈的改变电子热传导的大小和方向，还能影响等离子体状态分布和激光能量沉积的行为。在本课题中，我们使用动理学模拟的方法围绕激光聚变中激光等离子体相互作用（Laser plasma interaction 或者LPI）过程中的激光能量沉积和电子能量输运问题展开研究。通过优化和发展粒子模拟(particle-in-cell 或者 PIC)程序ASCENT，自洽的耦合逆韧致吸收、共振吸收、受激拉曼散射等多个LPI 过程，建立了动理学方法研究大尺度激光等离子体相互作用的数值模拟能力。对激光烧蚀等离子体在临界面附近的电子热传导行为进行了细致研究，特别研究了兆高斯磁场对激光能量沉积和电子热传导的影响。研究发现激光通道上的低密度区电子热传导在兆高斯磁场存在时表现出反常输运的特点。电子能量反常输运与离子运动有关。将模拟结果与聚变实验相结合，研究了激光能量沉积和电子热传导对黑腔中激光-x光能量耦合，辐射场空间分布等物理过程的影响，确定了适用于现有实验参数的电子热传导经验因子。发展了包含一定动理学效应的非局域电子热传导流体模型。通过本项目的开展，加深了我们对激光聚变实验相关物理过程的认识，促进了物理建模的发展，对我国激光聚变研究有积极的推进作用。