惯性约束聚变中受激拉曼散射不稳定性的动理学模拟研究

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激光等离子体相互作用(Laser Plasma Interaction,LPI)中的参量不稳定性是制约惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)点火的重要因素。其中受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)和受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)产生的散射光能够降低光强的耦合效率,破坏辐射场均匀性,前者产生的穿透力极强的超热电子会降低靶丸的聚变增益。在过去的几十年中,人们对于LPI的研究工作取得了显著成果,然而在美国国家点火装置上的失败意味着人们对于该物理过程的认识仍存在不足,同时对其也缺乏足够的控制手段。这体现出目前对LPI,尤其是SRS物理机制及抑制方法进行更深入研究的必要性和紧迫性。ICF点火的特征时间为纳秒量级,此前对于LPI的模拟研究大多采用辐射流体程序,其能较好的反映不稳定性在长时间内的饱和过程,然而该模拟方法忽略了粒子动理学行为对演化过程的反向作用,不足以真实的描述LPI的物理过程。针对以上问题,本文采用流体理论和粒子模拟(Particle-in-cell,PIC)程序,对三种抑制SRS的方法进行了细致的动理学研究,并对神光Ⅱ装置上皮秒LPI实验结果进行了粒子模拟研究。本论文取得的主要成果如下:第一、研究了宽带激光驱动SRS的演化过程。宽带入射激光与等离子体波的非共振耦合机制在线性阶段占据主导地位,导致SRS的线性阶段发展受到抑制,并改变等离子体波及散射光的演化特征。由电子能谱分布和等离子体波非线性频移量定义的弛豫时间将宽带激光驱动SRS的过程分为抑制和增益两个阶段。弛豫时间之后,宽带激光将会增益SRS的增长,产生更高能的等离子体波、更宽的非线性频移量以及更多的超热电子。以上效应在宽带为(0.02250,0.030)范围内均有效。第二、研究了旋转线极化激光驱动SRS的演化过程。旋转线极化激光对SRS线性阶段具有明显的抑制效果,抑制因子为2/π。非线性阶段,饱和阈值的不同导致背散率随旋转频率的升高先大体保持稳定然后下降直至再次稳定。旋转极化效应破坏等离子体波的周期性增长结构、改变增益模式、降低瞬时背散率并减缓超热电子的产生速率,使该激光在非线性阶段对SRS仍具有一定的抑制效果。理论和模拟结果均表明随着旋转频率的增大,受激拉曼背向散射(Stimulated Raman Backscattering,SRBS)被有效抑制的同时受激拉曼前向散射(Stimulated Raman Forward Scattering,SRFS)在一定程度被增益。第三、研究了弱磁场条件下纵向磁化等离子体中线极化激光驱动SRS的演化过程。纵向磁场使激光极化方向发生法拉第旋转效应,使SRS线性阶段的发展受到抑制。在近截止密度等离子体中,磁场改变左右旋波折射率使等离子体波频谱在200 T以上时出现四波共存现象,各波模间的拍频导致等离子体波包络发生高频振荡,并在空间中呈现出周期性的绝对增益特征。纵向磁场在非线性阶段对SRS的抑制效果消失,背散光及等离子体波均维持低于饱和值的稳定发展。第四、针对神光Ⅱ装置上皮秒LPI实验结果进行了数值模拟研究。在模拟参数空间中,非均匀等离子体导致SRS中等离子体波频谱呈现拱形分布,SRS进入深度非线性饱和阶段,产生强烈的非线性频移及二次不稳定性。同时SBS也被强烈激发,SBS与SRS的竞争关系导致在模拟光强范围内,SBS背散率随光强的增大先减小后增大,模拟结果与实验结果符合较好。
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