相对论电子束在温稠密等离子体中的传输与控制

Transport and control of high-current relativistic electron beam (REB) in warm dense plasma are crucial to the fast ignition scheme for inertial confinement fusion. REB propagation in warm dense plasmas of temperature 1-100eV and density 0.1-100g/cm^3 would be studied by hybrid PIC/fluid simulation and theoretical analysis in this project. The ionization process and resistivity of target at low temperature, evolution of target temperature and self-generated fields would be considered accurately in our hybrid code. The effects of resistivity at low temperature on the REB propagation in metallic, insulated materials, and foam targets will be studied. Transport of REB in foam-doped mid/high-Z elements will be investigated in order to control and modulate the REB transport profile. Influence of target compression on the REB transport and energy deposition will be analyzed, and we will design schemes that can enhance the localized energy deposition of the REB in plasmas. Finally, we will investigate the effects of resistivity and external magnetic field on the growth of beam instability during REB propagation in magnetized collisional plasmas, and methods of control the REB by magnetic fields. The results would give theoretical references and numerical simulation supports to experimental designing of the fast ignition.

大电流、相对论电子束（REB）在温稠密等离子体中的传输与控制是惯性约束聚变“快点火”的重要研究内容和关键技术。本项目拟采用粒子/流体混合模拟方法，结合理论分析，研究REB在温度为1-100eV、密度为0.1-100g/cm^3的等离子体中的传输行为。研究内容包括建立功能完善的混合模拟程序，准确表征靶的电离度、低温电阻率等物理量及靶的温度和自生场演化过程；研究金属、绝缘体、低密度泡沫靶等材料的低温电阻率演化对REB传输行为的影响，通过在泡沫靶中掺杂中高Z元素来改变靶的密度和电阻率，探索对REB传输调节和控制的方法；进而分析靶材料被压缩后，对REB传输和能量沉积的影响，设计增强REB定域能量沉积的方案；考察REB在含碰撞的磁化等离子中传输时，等离子体电阻率、外加磁场等对束流不稳定性等的影响及外加磁场对REB的准直能力。研究结果将对“快点火”实验设计提供理论参考和数值模拟的技术支持。

相对论电子束（REB）在温稠密等离子体中的传输与控制是惯性约束聚变“快点火”的重要研究内容和关键技术。本项目建立了功能完善的混合模拟程序，可以准确表征REB在温稠密等离子体中传输时靶的电离度、低温电阻率等物理量及靶的温度和自生场演化过程；研究了铝靶、CH靶和低密度泡沫靶中REB传输行为，通过在CH泡沫靶中掺杂中高Z元素来改变靶的密度和电阻率，实现了对REB传输的控制；通过研究REB在靶中传输时自生磁场的构型和增长方式，建立了自生磁场准直REB的完整判据，并设计了双激光束准直电子束传输的方案；研究了外加磁场下REB在靶中传输和能量沉积机制，揭示了外加磁场对REB能量沉积机制的影响及对REB的准直能力；利用真实的双线圈产生的磁镜场实现了电子束的准直传输，发现存在临界磁镜比，当超过该值时，相对论电子将会被磁镜反射；揭示了相对论电子束在介电材料中传输时靶的电离机制，研究表明电子束传输过程中伴随电离波的传输，且在电离波之前还出现了分布较为广泛的类似喷泉场分布；发现强激光与靶作用时，靶的电离效应会导致Weibel不稳定性的发展，产生自生磁场，使被加热的电子发生散射，增大其初始发散角。研究结果将对“快点火”实验设计提供理论参考和数值模拟的技术支持。