相对论Vlasov模拟强激光与高密度等离子体相互作用

由于能量转换效率高、无废料、燃料充足等优点，受控核聚变成为人们理想的能源获取方式。目前，"快点火"成为极具吸引力的核聚变点火方式，而实现"快点火"核聚变最大困难之一是如何利用强激光产生一束方向性好的高能粒子流，其能顺利穿过稠密等离子体、把能量有效传输到预压缩靶丸中实现点火。这类问题，流体力学模拟不能描述高能粒子产生和输运的动理学过程；粒子模拟因有较大噪声不能描述高能电子与稠密压缩材料的相互作用；因碰撞可忽略，数值求解相对论Vlasov方程模拟是最好的方法。本项希望通过相对论Vlasov数值模拟探讨：等离子体自由膨胀时对粒子的加速；行波条件下等离子体振荡的阈值振幅及相对论效应对其影响；强激光与稠密等离子体相互作用过程及其产生的快电子对等离子体波的激发、对质子的加热、不稳定性的产生与非线性演化、湍流的产生、束流和背景等离子体温度的影响等效应。这些研究对实现激光快点火核聚变有非常重要的指导意义。

随着超短超强脉冲激光技术的发展，强激光与等离子体之间的相互作用，特别是等离子体在激光的作用下产生的各种非线性现象成为研究的热点。在各种理论研究方法中，动理学方法因能描述粒子分布远偏离热平衡状态（Maxwell分布）的情况而对研究非线性现象具有独特的优势。本项目立足动理学方法，利用粒子分布函数满足的Vlasov（Fokker-Planck）方程和电磁场满足的Poisson（Maxwell）方程（组），研究了激光与等离子体相互作用过程中的几个重要的非线性问题。首先完善了静电等离子体波的阈值振幅问题，研究了离子运动和相对论效应对于该阈值的影响，发现周期性边界条件对于研究含相对论效应的等离子体振荡是不合适的。我们自己开发了1D3V Vlasov-Maxwell数值模拟程序，已利用该程序得到了一些有意义的结果，得到的结论与经典理论基本吻合，程序仍在继续完善中。为了解决非周期性边界条件的问题，研究了有限体积等离子体膨胀过程中对电子和离子的加速问题。还模拟了Vlasov系统中特有的电子等离子体回波问题，发现热速度对高次谐波的产生具有一定的影响。通过与翁苏明等人合作，开发了1D2V的Vlasov-Fokker-Planck（VFP）数值模拟程序，我们主要负责了其中的Vlasov部分的工作，利用该程序还模拟了两种离子成分组成的混合靶中，钻孔辐射压加速的快离子能量发散度的减小。我们还参与了激光光源和微纳结构靶方面的一些研究，通过这些合作，验证和改进了程序，也为程序的进一步完善打下良好基础。这些都是本项目的深入和拓展内容，能够为我们发展起来的数值模拟程序寻找最新研究热点。过去三年，已发表与本项目相关的SCI论文4篇，还有2篇合作的论文已经被SCI刊物接收，另有2篇论文正在审稿中。