黑腔等离子体条件下交叉束激光能量转移过程的饱和机制研究

In inertial confinement fusion research, how to use the crossed-beam energy transfer (CBET) process to adjust the energy symmetry in hohlraum is a key problem related to the success of ignition. Previous studies mainly focus on the control of the CBET process by the incident laser conditions. But the potential saturation mechanisms of the CBET process under the hohlraum plasma environment are rarely discussed. However, the latest experimental results show that the existing theory overestimates the energy transferred from outer to inner cones on the National Ignition Facility (NIF), indicating the importance of saturation mechanisms in the actual process. In order to comprehend the inhibition mechanism of the CBET development and grasp the basic characteristics of the CBET process, in this project, we will establish ability to simulate the large scale CBET process, and study the saturation mechanisms thoroughly with theoretical analysis and numerical simulations from several aspects composed of the no-uniformity of plasma parameters, the different ion species and concentrations, the competition of the backward SRS and SBS instabilities with CBET, and the nonlinear kinetic effects. Our study helps to improve the understanding of the basic physical laws in plasma, and provides the realistic references for the experimental study of the laser fusion.

在惯性约束聚变研究中，如何利用交叉束激光能量转移（CBET）过程调整黑腔内能量分布的对称性，是关系到点火能否成功的关键问题。以往的工作主要关注于利用激光入射条件控制CBET过程的技术研究，而对于黑腔等离子体环境内CBET过程的潜在饱和机制问题却鲜有涉及。最新的实验结果显示，现有的理论高估了NIF装置中外环光束向内环光束转移的能量份额，表明了其饱和机制在实际过程中的重要性。为了理解黑腔等离子体条件下抑制CBET发展的物理机制，掌握CBET过程演化的基本特征，本项目将建立大尺度CBET过程的模拟能力，并以理论分析与数值模拟相结合的方式，从等离子体密度、温度、流速的非均匀性，不同离子种类和组分浓度条件，背向SRS、SBS与CBET过程的耦合竞争，以及非线性动理学效应等几个方面，对CBET过程的饱和机制进行深入的研究。这有助于提高对等离子体中基本物理规律的认识，同时也为激光聚变的实验研究提供参考。

交叉光束能量转移（CBET）过程是惯性约束聚变中激光与等离子体相互作用产生的一种不稳定性过程。该过程的显著特征是将一束激光的能量转移到另一束激光中，从而影响点火过程中能量分布的对称性。无论是直接驱动还是间接驱动，CBET过程都不可避免。理解CBET过程的基本物理规律，控制CBET过程来调整束间能量平衡，是关系点火能否实现的重要问题。本项目的研究内容包括CBET过程的基础物理建模、相关程序开发、特征参数分析以及数值模拟研究等几个方面，重点讨论了抑制CBET发展的几种饱和机制。在物理建模和程序开发方面，根据不同的研究需求，分别构建了基于光路追踪的一维模型以及基于光束传播的高维模型。相应地，基于辐射流体程序开发了可用于在线计算束间能量转移份额的程序模块，在专业模拟激光等离子体不稳定性过程的耦合程序中开发了用于计算三维空间中CBET过程的程序模块。在特征参数分析方面，分别从激光特征参数和等离子体特征参数两个方面对CBET过程的空间增长率进行了细致的研究，总结了激光功率密度、波长、光束交叉角、等离子体密度、温度、流速、组分条件以及等离子体参数的非均匀性对CBET过程的影响，分析了CBET过程对不同物理参数的敏感度。在数值模拟研究方面，结合黑腔等离子体中的特征参数条件，对CBET过程分别进行了不同尺度的二维、三维模拟研究。除了单独的CBET过程，本项目还将CBET过程与其它不稳定性过程相耦合，讨论了几种激光等离子体不稳定性过程之间的耦合与竞争。此外，通过对离子加热等非线性动理学效应的维像描述，将CBET过程的发展与离子加热效应相互耦合，研究了该效应对CBET过程的抑制作用。通过本项目的开展，我们对CBET过程的基本规律，参数特征以及潜在的多种饱和机制有了深入的了解。本项目得到的成果也为我国惯性约束聚变的理论设计与实验研究提供有意义的参考。