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(diǎn)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(yán)格的對(duì)稱壓縮，從而減少了點(diǎn)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(diǎn)火過程分開，其中對(duì)燃料仍采用傳統(tǒng)的長(zhǎng)脈沖激光進(jìn)行壓縮，但是用短脈沖激光束直接對(duì)靶心等離子體進(jìn)行點(diǎn)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(duì)這種等離子體我們稱為“dense plasmas”，即“超臨界密度”等離子體)。幸運(yùn)的是激光束在臨界密度面會(huì)激發(fā)高能量(相對(duì)

2、論)電子，部分激光能量會(huì)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(shí)現(xiàn)壓縮后燃料的點(diǎn)火。攜帶點(diǎn)火所需的最小能量達(dá)到靶心需要(相對(duì)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(duì)于實(shí)現(xiàn)快點(diǎn)火是至關(guān)重要的一步。并且，類似這種相對(duì)論電子束在等離子體中運(yùn)動(dòng)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(huì)遇見。因此，在最近的十到十五年中，人們對(duì)這種在超臨界密度等離子體中傳播的相對(duì)論電子束進(jìn)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(qiáng)的電流及其產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，會(huì)帶來各種發(fā)展很快的不穩(wěn)定性。因此，對(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)理學(xué)效應(yīng)尺度)非相對(duì)論的熱運(yùn)動(dòng)(滿足Tb<<(γb-1)mec2，其中Tb代表

4、束的溫度，在KeV的量級(jí)，γb代表的是質(zhì)量的相對(duì)論因子)，我們所做的雙流體模型的分析不僅研究了(相對(duì)論)快電子束的穩(wěn)定性，同時(shí)也是首次揭示準(zhǔn)靜電(QES)模式的產(chǎn)生及其對(duì)電流“空洞(Hollowing)模的影響。得以提高對(duì)電子束流空洞結(jié)構(gòu)形成的認(rèn)識(shí)。 第一章，簡(jiǎn)要介紹了(相對(duì)論)快電子束及其應(yīng)用，特別是慣性約束聚變的及快點(diǎn)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(duì)論)軸對(duì)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(duì)論溫度即碰撞對(duì)激發(fā)的徑向模式的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)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(zhǎng)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(duì)于束與等離子體密度不對(duì)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(zhǎng)率得到一定的抑制。 第三章，運(yùn)用能譜分析方法，對(duì)在超臨界密度等離子體中傳播的相對(duì)論電子束的非線性演化進(jìn)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(shí)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(duì)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(diǎn)的新模式在第四章中加以研究。 第四章，研究了(相對(duì)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(duì)稱類型的分布剖面，對(duì)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?？斩吹男纬蓹C(jī)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(duì)論)快電子束的空洞和成絲(filame