强流超热电子束产生与输运的理论及其相关隐式PIC模拟技术研究

In the case of rational coordinates and spatio-temporal scales, to carry on the researches of theory and related implicit PIC simulation technology of the generation and transport of high-current ultra-thermal electron beam, and to provide the theoretical foundation for the physics research of fast ignition. The main research contents of this project include as follows: 1) by taking into account the collision effect between charged particles and the inflerence of background fluid, to write the 2D cylindrical coordinate explicit and implicit PIC particle simulation codes. 2) to study the influence of laser pulse parameters, preplasma profile and cone target materials, etc., on the energy spectrum and quality of high-current ultra-thermal electron beam, and then to provide theoretical foundation for the optimizing design of fast ignition target. 3) by carrying on the physics research of the transport of high-current ultra-thermal electron beam in ultrahigh density plasma, to study the influence of electromagnetic field, collision effect and Ohmic heating on the transport and energy deposition of electron beam, and furthermore to investigate the coupling and competition between the various influence factors. 4) to write the 3D Cartesian coordinate implicit PIC particle simulation code, and by means of preliminary simulations to obtain the three-dimensional physics picture of the transport of high-current ultra-thermal electron beam in ultrahigh density plasma. 5) to investigate the physics law of the influence of charged particle transport and its energy deposition on DT fusion ignition and the following burning process. This project is based on the research of fast ignition physics, however, the key technologies used in this project can be applied to the related researches, such as high-energy density physics, accelerator physics and astrophysics, and so on.

在合适坐标框架和时空尺度下，开展强流超热电子束的产生与输运的理论及其相关隐式PIC模拟技术研究，为快点火物理研究提供理论支撑。本项目主要研究内容包括：1)、考虑带电粒子间碰撞效应和背景流体的影响，研制二维柱坐标显式和隐式PIC程序。2)、研究激光脉冲参数、预等离子体分布、锥靶材料等因素对强流超热电子束能谱及其品质的影响，为快点火靶优化设计提供理论依据。3)、开展强流超热电子束在稠密等离子体中的输运研究，研究电磁场、碰撞效应及欧姆加热等对电子束输运、能量沉积的影响，探讨各种影响因素的耦合与竞争关系。4)、三维直角坐标隐式PIC程序的研制及其初步数值模拟，给出强流超热电子束在稠密等离子体中输运的三维物理图像。5)、揭示带电粒子输运、能量沉积对氘氚聚变点火及其燃烧过程的影响规律。 虽然本项目是基于快点火物理的研究需求，但是其关键技术也可用于高能量密度物理、加速器物理及天体物理等相关领域的研究中。

本项目开展强流超热电子束的产生与输运的理论及其相关隐式PIC模拟技术研究。项目研究进展顺利，在完成主要研究内容的同时，增加了部分相关研究工作，项目取得了预期研究成果，执行期间在Physics of Plasmas、物理学报等国内外期刊上发表论文22篇。本项目主要开展的研究工作包括：完成了二维柱坐标显式/隐式、三维直角坐标隐式PIC程序的物理建模和程序研制，考察了显式/隐式两种方案的适应性；完成了带电粒子间MC碰撞模块研制和二维电子束输运程序的改进，开展了碰撞效应、背景流体对电子束产生与输运的影响研究；开展了不同结构靶设计及激光参数等对激光传输、超热电子束产生、能谱与时空分布的影响研究，获得了不同靶设计下的影响规律和优化方案；开展了超热电子束在稠密等离子体中的输运研究，获得了电磁场、碰撞效应及欧姆加热等对电子束输运、能量沉积的影响规律及竞争关系；开展了带电粒子输运、能量沉积对氘氚聚变点火燃烧过程的影响研究，获得了规律性的认识；通过理论分析和PIC模拟揭示了锥靶内壁不光滑有效提高激光吸收和快电子产生、激光与不同结构靶作用下粒子加速、热电子-纳米刷靶作用下Kα光子源产生的物理机制，获得了喷气Z箍缩的动力学演化过程及物理图像；开展了激光聚变冲击波点火的热斑形成机制及靶设计参数不确定性指标的线性近似研究；通过理论解析和Vlasov模拟开展了SRBS中密度调制效应及不同效应导致SRBS不稳定性在对流与绝对间转变、SBS级联的反Stokes和Stokes散射及SBS中运动非线性频移和流梯度的相互影响，以及碳氢等离子体中IBk波的谐波效应和受激IBk波散射等问题的物理机制和模拟研究；最后，开展了多尺度等离子体动力学模拟中p-EFPI模拟技术研究。.虽然本项目是基于快点火物理研究需求，但是相关研究成果及关键技术也可用于高能量密度物理、中子发生器及其武器物理等相关领域研究中。