激光等离子体物理中的Fokker-Planck模拟

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在激光等离子体物理领域中涉及许多电子分布函数高度偏离Maxwellian分布的重要的非平衡态物理过程,比如强直流电场产生等离子体电流的过程、强激光场中的逆轫致吸收过程以及陡峭的等离子体温度分布产生的非局域电子热输运过程。因为利用经典的流体力学理论无法描述这些电子分布函数高度偏离Maxwellian分布的非平衡系统,所以关于这类物理过程的描述需要借助Fokker-Planck方程这样的热力学方程。本论文着重论述Fokker-Planck模拟在激光等离子体物理领域的各种应用,论文主要内容包括以下几个部分:   首先,在绪论部分我们将简单地介绍等离子体的概念及其基本的性质;接着介绍激光等离子体物理的主要研究内容以及常用的数值模拟方法。在第二章将推导等离子体物理中的Fokker-Planck方程,以及各种碰撞算子。   第二,介绍了独立开发的一系列Fokker-Planck模拟程序的数值求解方案。根据有限体积法,作者开发了速度空间一维的、速度空间二维的、坐标空间一维速度空间二维的一系列Fokker-Planck数值模拟程序用于研究激光等离子体物理中的一些过程。作者在这些程序中对电子-电子碰撞进行了自恰的处理从而可以描述电子分布函数高度各向异性的系统。此外,作者的程序可以完全保证粒子数的守恒性,具有良好的能量守恒性和高效性。   第三,利用速度空间二维的Fokker-Planck模拟程序对任意强度的直流电场所产生的等离子体电流及其电子分布函数的演化过程进行了研究。作者系统地比较了各种不同强度的电场中电子分布函数的演化过程,分析了其中电子—电子、电子—离子碰撞所发挥的不同作用。在中等强度的直流电场中,电子分布函数可以看作是静止的Maxwellian分布和漂移的Maxwellian分布的混合体。根据数值模拟程序得到的电子分布函数形态,作者推导了一组类流体力学方程用于计算任意强度的直流电场所产生的等离子体电流,这组方程可以看作是Spitzer-Harm电导理论在任意强度的直流电场中的推广。对快点火方案中高能电子向靶心输运时产生回流这一具体过程的模拟,显示这组类流体力学方程比Spitzer-Harm理论更适合应用到混合模拟中,并且有可能在不依靠热力学描述的情况下将等离子体输运理论推广到非线性领域。   第四,利用速度空间二维的Fokker-Planck模拟程序对激光场中的逆轫致吸收过程以及电子分布函数的演化进行了系统研究。根据模拟得到的电子分布函数的变化规律,作者推导了同时包含强激光对吸收率的非线性效应和非Maxwellian电子分布函数对吸收率的非线性效应的逆轫致吸收算子。此吸收算子适用于任意强度的激光场中的逆轫致吸收并且与Langdon形式的吸收算子一样可方便地集成到各种大型的等离子体模拟程序中,从而具有很高的实用价值。另外在考虑了完整的电子-电子碰撞之后,计算得到的电子分布函数不再是一个简单的超高斯分布,而是一个低能部分为超高斯分布和高能部分为Maxwellian分布的混合体。同时我们发现电子-电子碰撞将增强逆轫致吸收率,并且在激光频率较大时电子-电子碰撞对逆轫致吸收率的贡献将随电离度Zi的增大而增大,这表明在Zi较大的情况下就忽略电子-电子碰撞这一常用的近似是不够精确的。   最后,作者利用坐标空间一维速度空间二维的Fokker-Planck程序对激光产生的等离子体中的电子输运过程进行了系统研究。当温度梯度较小时,作者模拟得到的热流在整个空间中都与Spitzer-Harm热传导理论的预测值符合的很好;而当温度梯度较大时,在热流最大的热阵面处计算得到的热流明显小于Spitzer-Harm的预测值而表现为热流受限效应;在热阵面前沿计算得到的热流反而大于Spitzer-Harm公式的预测值而表现为预热效应:并且作者发现当温度梯度比较大时,f2《fi《fo将不再满足,自然此时我们的程序将比基于扩散近似的Fokker-Planck程序具有更高的可靠性。接着作者还对Thomson散射实验中的电子热输运过程进行了模拟,计算得到的临界面附近的热流与根据试验得到的热流符合的很好,而当采用基于Spitzer-Harm热传导理论的流体力学模拟程序Medusa时则必须人为地加上一个限流因子才能得到合理的热流。这证明Thomson散射试验中在临界面附近温度分布已经很陡峭,此时的电子热输运过程必须采用基于热力学描述的Fokker-Planck模拟来处理。
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