【摘要】：人類(lèi)對(duì)能源的急迫需求促進(jìn)了新能源——聚變能的飛速發(fā)展,聚變能中的慣性約束聚變由于可控性、無(wú)污染以及原料成本低(海水中的氘氘)等優(yōu)勢(shì)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者極其廣泛的關(guān)注。隨著對(duì)慣性約束聚變研究的深入,脈沖激光的強(qiáng)度也在不斷提高,特別是近年來(lái)激光關(guān)鍵技術(shù)——激光放大器技術(shù)的突破,使得目前最高激光脈沖峰值功率已經(jīng)達(dá)到1022W/cm2,并有望達(dá)到1023～1024W/cm2甚至更高。當(dāng)激光強(qiáng)度達(dá)到1022～1024W/cm2量級(jí)時(shí),激光場(chǎng)強(qiáng)可以與Schwinger場(chǎng)相比擬,激光與等離子體相互作用將進(jìn)入強(qiáng)場(chǎng)量子電動(dòng)力學(xué)(QED)領(lǐng)域。非線(xiàn)性強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)將變得復(fù)雜而且越來(lái)越重要,尤其是其中的Gamma射線(xiàn)和正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生。強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)與激光等離子體相互作用(LPI)的這種結(jié)合,已經(jīng)成為當(dāng)前和未來(lái)的一個(gè)重要發(fā)展方向。強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)可以通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬等研究手段進(jìn)行研究,早期由于受到計(jì)算機(jī)性能的限制,研究主要以理論和實(shí)驗(yàn)為主。近年來(lái),隨著計(jì)算機(jī)性能的高速提升,數(shù)值模擬研究手段成為研究熱點(diǎn),但研究仍處于發(fā)展階段,還有很多問(wèn)題需要進(jìn)一步探索與解決。例如:從物理過(guò)程研究方面,已有數(shù)值模擬通常假設(shè)為固體靶在模擬之初是完全電離且密度均勻分布的,然而強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)、LPI和離化過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行且緊密耦合在一起的,等離子體分布以及離化過(guò)程對(duì)強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)的影響機(jī)制還是未知的;從強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)理論研究方面,由于其還處于發(fā)展階段,理論及模型是否正確還有待探討,但目前英國(guó)華威大學(xué)開(kāi)發(fā)的EPOCH程序是唯一廣泛使用的主流程序,所以非常有必要基于已存在的多種量子QED效應(yīng)理論開(kāi)發(fā)及應(yīng)用相應(yīng)的數(shù)值模擬程序,從而更深入地探討強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)理論及其物理機(jī)制。針對(duì)上述研究背景及研究需求,本文的主要?jiǎng)?chuàng)新為:將強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)與LPI相結(jié)合,修正并引入了離化過(guò)程,開(kāi)發(fā)了 PIC/MCC數(shù)值模擬程序,并主要對(duì)離化特性對(duì)強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)的影響機(jī)制進(jìn)行了研究。本論文的主要工作如下:1、強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)的背景研究。調(diào)研了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域理論、實(shí)驗(yàn)和模擬方面的研究動(dòng)態(tài),確定了數(shù)值模擬是目前此方面研究的必要手段,并總結(jié)了已有模擬工作的不足,進(jìn)而確定本論文的主要工作——研究具有一定密度分布的等離子體及離化過(guò)程對(duì)強(qiáng)場(chǎng)QED效應(yīng)的影響,并開(kāi)發(fā)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模擬程序。2、對(duì)包含離化效應(yīng)的PIC數(shù)值模型的研究。利用經(jīng)典PIC方法建立了激光等離子體相互作用的PIC數(shù)值模型,并對(duì)教研室已有程序BUMBLEBEE-LPI的等離子體形成的相關(guān)模塊進(jìn)行了完善:包括建立了滿(mǎn)足能量守恒的高Z光電離理論與數(shù)值模擬模型,完整的推導(dǎo)了庫(kù)侖碰撞理論,建立了通用的電子碰撞電離數(shù)值模擬模型。3、建立了強(qiáng)場(chǎng)QED數(shù)理模型。將電子輻射的能量看成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“光粒子”,從電子輻射功率的公式出發(fā),推導(dǎo)出光子產(chǎn)生概率的關(guān)鍵量η,得到電子的光學(xué)深度,確立光學(xué)深度與光子產(chǎn)生概率的關(guān)系,進(jìn)而得到光子的產(chǎn)生概率。用同樣的方式得到正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生概率,建立了強(qiáng)場(chǎng)QED的理論模型,基于蒙特卡羅方法建立了 Gamma射線(xiàn)和正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生模型。4、將包含離化效應(yīng)的PIC程序與QED數(shù)理模型相結(jié)合。主要包括QED數(shù)理模型的代碼編寫(xiě),代碼在BUMBLEBEE-LPI程序中的集成,調(diào)試與測(cè)試。利用該程序模擬了一個(gè)超高強(qiáng)度激光與完全電離的鋁箔相互作用,觀察了激光等離子體相互作用中的QED效應(yīng),并與EPOCH1D代碼結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,證明了理論模型及代碼的正確性。5、研究了不同等離子體密度分布對(duì)QED效應(yīng)的影響。觀測(cè)了簡(jiǎn)單解析的等離子體前沿密度分布(線(xiàn)平坦型、線(xiàn)性型、指數(shù)型及對(duì)數(shù)型)對(duì)QED效應(yīng)的強(qiáng)弱的影響。該研究不僅對(duì)后續(xù)設(shè)置合適的等離子體形態(tài)以產(chǎn)生所需的Gamma射線(xiàn)源或正電子源有一定的參考價(jià)值,更重要的是對(duì)等離子體形成對(duì)QED效應(yīng)的影響有一個(gè)初步的判斷,為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。6、研究庫(kù)侖碰撞、等離子體形成對(duì)QED效應(yīng)的影響。首先研究高密度等離子體中庫(kù)侖碰撞對(duì)QED效應(yīng)的影響,然后考慮離化效應(yīng)中的光電離和電子碰撞電離物理過(guò)程對(duì)QED效應(yīng)的影響。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O53
【圖文】：

第一章 緒論第一章 緒 論盡管?chē)?guó)際能源消費(fèi)增長(zhǎng)速度在逐步放緩，但近年來(lái)石油、天然氣和可再生能源消耗均有可觀增長(zhǎng)[1-2]，促使世界各國(guó)相關(guān)研究人員不斷探尋新的能源。新能源中的聚變能由于其原料豐富（海水中的氘）以及利用率高等優(yōu)點(diǎn)受到政府和研究人員的強(qiáng)烈關(guān)注[3-7]。獲取聚變能的兩種最有效方式分別是磁約束聚變和慣性約束聚變（Inertial Confinement Fusion，簡(jiǎn)寫(xiě)為 ICF）[8-9]。ICF 是利用驅(qū)動(dòng)器提供的能量使靶丸中的核聚變?nèi)剂希㈦埃┬纬傻入x子體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還沒(méi)來(lái)得及向四周飛散的極短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。ICF 的驅(qū)動(dòng)器可以有很多種，但是隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光成為一種最常用的驅(qū)動(dòng)方式。激光驅(qū)動(dòng)的 ICF 有兩種實(shí)現(xiàn)方式：直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)[10]，分別如圖 1-1 和圖 1-2 所示。

靶丸中的核聚變?nèi)剂希�、氚）形成等離子體，在這些等離子體粒子由于自身慣性作用還沒(méi)來(lái)得及向四周飛散的極短時(shí)間內(nèi)，通過(guò)向心爆聚被壓縮到高溫、高密度狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變反應(yīng)。ICF 的驅(qū)動(dòng)器可以有很多種，但是隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，激光成為一種最常用的驅(qū)動(dòng)方式。激光驅(qū)動(dòng)的 ICF 有兩種實(shí)現(xiàn)方式：直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)[10]，分別如圖 1-1 和圖 1-2 所示。圖 1-1 直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變[11]

第一章 緒論的動(dòng)力學(xué)變成高度非線(xiàn)性，LPI 進(jìn)入相對(duì)論區(qū)域[17]。相對(duì)論情況下的 LPI 研究十分廣泛，主要包含：超強(qiáng)超短激光與固態(tài)物質(zhì)、原子或團(tuán)族的相互作用及電制，超強(qiáng)超短激光在等離子體中的傳播、吸收，超熱電子產(chǎn)生、輸運(yùn)與能量沉超強(qiáng)超短激光等離子體的其它應(yīng)用研究，如 X 射線(xiàn)激光、離子加速等[18]。

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本文編號(hào)：2804648