超热电子束在高密度等离子体中的准直传输及其发散角诊断研究

Collimated propagation and divergence measurements of fast-electron beams in high-density plasmas are crucial to the Fast Ignition (FI) scheme for inertial confinement fusion. Considering the realistic requirements of FI, the transport of the fast-electron beams in high-density plasmas would be studied by using Particle-in-Cell (PIC) simulations that includes the collisional model of the charged particles and PIC/Fluid hybrid simulations. The collisionl algorithm of the charged particles proposed by Sentoku and high-order interpolation methods for particles and electromagnetic fields would be added in our PIC code firstly. Then we are going to study the relevant factors that affect the fast-electron collilated propagation in the high-density plasmas and explore some new schemes to enhance the collimated propagation of the fast-electron beams. The diagnostic limitation of fast-electron divergence in recent experiments would also be studied. The aim is that to design some schemes to improve the fast-electron measurements and understand the fast-electron divergence exactly in experiments. The results should be useful in the design of future FI experiments.

超热电子在高密度等离子体中的准直传输及其发散角诊断是惯性约束聚变"快点火"的重要研究内容，是决定"快点火"能否实现的关键。本项目拟针对"快点火"的现实需求，采用含碰撞的PIC程序和PIC/Fluid混合模拟程序，结合理论分析，研究超热电子在高密度等离子体中的输运过程。研究内容包括在现有PIC程序中实现Sentoku的带电粒子碰撞算法以及高阶粒子云和电磁场的插值算法、研究高密度等离子体中影响超热电子准直传输的各种相关因素并探索提高超热电子准直传输的方案，研究目前实验中诊断超热电子束的发散角时存在的问题并设计合理的实验方案，提高超热电子束诊断的准确性，为"快点火"的实验设计提供理论参考和技术支持。

超热电子在高密度等离子体中的传输及其发散角诊断是惯性约束聚变“快点火”的重要研究内容。本项目针对超热电子在高密度等离子体中的传输及其发散角诊断和影响因素等物理问题开展了细致研究。首先，完善了课题组粒子模拟程序功能，包括实现了带电粒子碰撞算法、高阶粒子云和电磁场的插值算法等功能。其次，基于改进版本程序开展了一系列针对性研究，研究表明：实验中利用Kα X射线方法诊断超热电子发散角时，由于诊断层和靶间存在电阻率梯度，在交界面上会产生很强自生磁场，可以磁化超热电子，引起后者的横向传输，导致实验中诊断到的超热电子发散角偏大；超热电子在固体靶密度等离子体中传输时，粒子间碰撞效应会促使成丝不稳定性的持续增长，进而使超热电子发散角大于无碰撞等离子体中的发散角；左旋圆偏振激光在强磁化等离子体中传输时存在截止密度，而右旋圆偏振激光在其中传输时则不会被截止，会持续往里传输，并通过激发的扰动波来有效的加热电子；建立了关于超短超强激光与过稠密等离子体相互作用中激光能量吸收的理论模型，能自洽的包含电子密度压缩和电子表面的振荡效应的影响。此外，我们还取得了一系列关于离子加速及其能量沉积、激光-X射线能量转换、超强激光驱动的正电子产生等方面的研究成果。本项目的研究结果将会对超热电子在惯性约束聚变“快点火”等应用领域的研究提供理论指导和借鉴。