超臨界密度等離子體中快電子束穩(wěn)定性的研究.pdf

1、慣性聚變中的快點火(FI)概念是與傳統(tǒng)的慣性聚變方法不同的方案，它不需要嚴格的對稱壓縮，從而減少了點火所需要的能量并獲得更高的能量增益。它把燃料的壓縮和點火過程分開，其中對燃料仍采用傳統(tǒng)的長脈沖激光進行壓縮，但是用短脈沖激光束直接對靶心等離子體進行點火。但是靶芯部等離子體的密度一般已經(jīng)大大超過激光傳播的臨界密度(對這種等離子體我們稱為“dense plasmas”，即“超臨界密度”等離子體)。幸運的是激光束在臨界密度面會激發(fā)高能量(相對

2、論)電子，部分激光能量會轉(zhuǎn)換成用快電子能量在超臨界密度等離子體中傳播，用來實現(xiàn)壓縮后燃料的點火。攜帶點火所需的最小能量達到靶心需要(相對論)快電子束可以在超臨界密度等離子體中穩(wěn)定傳播。這對于實現(xiàn)快點火是至關(guān)重要的一步。并且，類似這種相對論電子束在等離子體中運動的物理過程，在許多高能量密度天體物理學(xué)現(xiàn)象中也會遇見。因此，在最近的十到十五年中，人們對這種在超臨界密度等離子體中傳播的相對論電子束進行了各種理論和數(shù)值模擬上的研究。然而，由于這種

3、電子束帶有極強的電流及其產(chǎn)生的電磁場，會帶來各種發(fā)展很快的不穩(wěn)定性。因此，對于這種電子束在超臨界密度的等離子體中的傳播過程仍然存在很多待解決的問題。 本論文采用雙電子流體模型假設(shè)來研究(相對論)快電子束在超臨界密度等離子體中的傳播的穩(wěn)定性。在宏觀尺度下，相對論束流條件是束具有很高流速(即ub～C，其中ub和c分別表示束的流速和光速)，而在微觀尺度上(動理學(xué)效應(yīng)尺度)非相對論的熱運動(滿足Tb<<(γb-1)mec2，其中Tb代表

4、束的溫度，在KeV的量級，γb代表的是質(zhì)量的相對論因子)，我們所做的雙流體模型的分析不僅研究了(相對論)快電子束的穩(wěn)定性，同時也是首次揭示準(zhǔn)靜電(QES)模式的產(chǎn)生及其對電流“空洞(Hollowing)模的影響。得以提高對電子束流空洞結(jié)構(gòu)形成的認識。 第一章，簡要介紹了(相對論)快電子束及其應(yīng)用，特別是慣性約束聚變的及快點火研究方面。 第二章，在雙電子流體模型近似下，用初值問題的方法，研究了在超臨界密度等離子體中傳播的(

5、相對論)軸對稱快電子束的徑向模式。通過改變束與等離子體的分布因子α=γ0/R0(其中r0和R0分別代表快電子束和等離子體的半徑)，研究了非相對論溫度即碰撞對激發(fā)的徑向模式的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對于不同的軸向波矢區(qū)間，各種模數(shù)的徑向模式都可能被激發(fā)：在長波區(qū)主要是研究了角向模式m=0及徑向模數(shù)分別為n=2和n=3的hollowing-like模式，而在短波區(qū)即更高的徑向模數(shù)，研究了束與等離子體的電磁不穩(wěn)定性。并發(fā)現(xiàn)，對于束與等離子體密度不對稱的

6、情況，在有限的溫度及碰撞的影響下，不穩(wěn)定性的增長率得到一定的抑制。 第三章，運用能譜分析方法，對在超臨界密度等離子體中傳播的相對論電子束的非線性演化進行了三維研究。分析了在三維空間存在的各種模式。研究表明，線性階段同時具有雙流(two-stream)和成絲(filamentation)模式的“斜傳播”(oblique)模式首先被激發(fā)，與之前用PIC方法研究得到的結(jié)果相符。對于早期非線性階段的能譜分析揭示了更高波數(shù)模式的激發(fā)和發(fā)展

7、。具有靜電箍縮特點的新模式在第四章中加以研究。 第四章，研究了(相對論)快電子束的不同剖面，包括均勻分布、高斯分布和前段較平的軸對稱類型的分布剖面，對電子束的空洞或環(huán)的演化所帶來的影響。研究發(fā)現(xiàn)類似空洞或環(huán)的結(jié)構(gòu)只在分布函數(shù)具有很大梯度的地方發(fā)生。空洞的形成機制可以借助凈電流(束和等離子體疊加在一起)和密度的演化來解釋。該工作是基于能譜分析，研究高波數(shù)的模式的非線性演化，以便更好的理解(相對論)快電子束的空洞和成絲(filame