激光驱动球形汇聚等离子体动力学研究

Laser driven spherical convergent plasma is to abstain convergent high energy density plasmas using laser beams of nanosecond duration and 10^(14~15)W/cm^2 intensity, which are uniformly irradiated at the inner surface of a fuel containing spherical shell target. This program will investigate deeply into the dynamics of the spherical convergent plasma through theoretical analysis and numerical simulations, concerning a few related principle physical processes as below: the nanosecond laser ablation of the inside thermonuclear layer of a spherical shell target, the electron-ion non-equilibrium relaxation of the expanding and converging plasma and fusion neutron production, the outgoing shock propagation after the plasma stagnation and the magnetic effect in the plasma dynamics. Laser driven spherical convergent plasma has high energy coupling efficiency and can be utilized as effective mechanism for yielding stable high mono-energetic neutrons/protons. The investigations of this program have great application potential in inertial confinement fusion (ICF) diagnostics, and would provide valuable insights for the complicated hydrodynamic processes and energy relaxation processes in ICF.

激光驱动球形汇聚等离子体，是指利用10^(14~15)W/cm^2的纳秒激光均匀照射球壳靶的内表面而获得高能量密度聚心等离子体的方式。本项目将通过理论分析和数值模拟深入研究球形汇聚等离子体动力学所涉及的若干重要物理过程：包括纳秒强激光烧蚀加热内表面的聚变材料、加热后等离子体膨胀汇聚中的电子离子非平衡弛豫及聚变中子产生、等离子汇聚后的反向冲击波产生以及等离子动力学中磁场效应。激光驱动球形汇聚等离子体具有较高的能量耦合效率，是获得稳定的高通量单能中子/质子源的有效方式之一。上述研究在惯性激光聚变诊断等方面具有重要的应用前景并有助于理解激光聚变物理中的复杂流体动力学和能量弛豫过程。

激光驱动球形汇聚等离子体是产生稳定热核聚变，获得高通量单能中子/质子源的重要途径之一，在ICF诊断、国防武器物理研究等方面具有广阔的应用前景。本项目围绕这一前沿热点课题，通过综合运用非线性理论分析、辐射流体数值模拟对激光驱动球形汇聚等离子体中的激光烧蚀、非热动平衡等离子体的能量弛豫、聚心等离子体诱导高通量聚变反应等复杂动力学过程进行了深入研究,明确了激光驱动球形汇聚等离子体动力学涉及的物理过程与物理图像；进一步，在神光系列激光装置上设计并开展了多轮实验，获得了该装置上最高的氘氘聚变中子产额，验证了我们的相关理论预测，并提出了进一步提高聚变产额的多种优化方法。我们的系列研究工作引起了美国同行的高度关注，利弗摩尔国家实验室立项并开展了多轮相关实验研究。此外，我们还就课题相关的一系列强场物理过程，如强激光辅助的粒子碰撞、强激光作用下固体材料的高次谐波发射、强激光在磁化电离介质中的非线性传输、以及强激光场调控轻核聚变等非线性动力学过程进行了前沿开拓，为相关领域的进一步深入研究奠定了坚实的基础。在项目执行期间，我们共发表相关SCI论文30篇，含PRL两篇和PRA/E Letters两篇，应德国Springer出版社邀请撰写量子物理英文专著一部。