计算物理 ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (2): 136-146.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8569
所属专题: 贺贤土院士从事科学研究工作60周年暨激光聚变相关研究进展专刊
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周远志1(), 郑春阳2,*(
), 刘占军2, 曹莉华2, 程瑞锦2, 贺贤土2
收稿日期:
2022-05-30
出版日期:
2023-03-25
发布日期:
2023-07-05
通讯作者:
郑春阳
作者简介:
周远志, 男, 博士, 研究方向为激光等离子体相互作用, E-mail: zhouyuanzhi@pku.edu.cn
基金资助:
Yuanzhi ZHOU1(), Chunyang ZHENG2,*(
), Zhanjun LIU2, Lihua CAO2, Ruijin CHENG2, Xiantu HE2
Received:
2022-05-30
Online:
2023-03-25
Published:
2023-07-05
Contact:
Chunyang ZHENG
摘要:
本文针对典型激光聚变等离子体参数条件, 利用动理学粒子模拟程序研究横向磁场和激光带宽在抑制受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)中的作用。模拟发现横向磁场对非均匀等离子体中SRS的非线性自共振增强有显著抑制作用, 分析认为横向磁场作用于SRS激发的电子等离子体波(EPW)势阱中的俘获电子, 使它们在横向上加速, 对EPW造成非线性阻尼, 同时减小EPW的非线性频移量, 从而缩窄非均匀等离子体中SRS的自共振空间, 极大降低SRS反射率。在此基础上利用横向磁场抑制SRS的特性, 以及SBS增长对激光带宽的敏感性, 提出了利用横向磁场和宽带激光将SRS和SBS同时抑制在低反射率水平的方案。在采用数十特斯拉横向磁场和实验中易于达到的千分之一量级的激光带宽时以及慢性约束聚变(ICF)相关参数下, SBS和SRS的反射率都得到了有效抑制。
周远志, 郑春阳, 刘占军, 曹莉华, 程瑞锦, 贺贤土. 弱磁化等离子体中受激拉曼散射和受激布里渊散射抑制研究[J]. 计算物理, 2023, 40(2): 136-146.
Yuanzhi ZHOU, Chunyang ZHENG, Zhanjun LIU, Lihua CAO, Ruijin CHENG, Xiantu HE. Suppression of Stimulated Raman Scattering and Stimulated Brillouin Scattering in Weakly Magnetized Plasmas[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2023, 40(2): 136-146.
图2 (a) 在左边界测量得到的SRS反射率的包络线,模拟中的激光强度为I0=5×1015 W ·cm-2。绿色虚线和黑色点线分别代表了初始的种子光水平和理论预测的动理学增益后的反射水平。T0是泵浦光的周期。(b)和(c)在左边界测量得到的散射光的频率分布,测量的是磁场条件为Bext=0或Bext=90 T时的情况。
Fig.2 (a) Reflectivity of the scattered light at the left boundary when I0 = 5 × 1015 W ·cm-2. The green dash-dot line and black dotted line represent the initial seed level and the level expected by kinetic amplification respectively. T0 is the period of pump light. Frequency distributions of the scattered light waves at the left boundary when (b) Bext=0 or (c) Bext=90 T.
图3 不同外加磁场和不同入射光条件下时间平均的SRS反射率(种子光强度为泵浦光的1/500,模拟时间为3.5 ps。)
Fig.3 Time averaged SRS reflectivity under different magnetic fields and different pump lights (The seed light intensity is 1/500 of the pump light, and the simulation time is 3.5 ps.)
图4 在粒子模拟中追踪得到的电子运动轨迹(ωL/ωc=87.4,ωB/ωc=15.7, vpL/c=0.15。)
Fig.4 Orbit of an electron in the particle-in-cell (PIC) (ωL/ωc=87.4, ωB/ωc=15.7, vpL/c=0.15.)
散射机制 | kλDe | ω/ω0 | γ0/ω0 | νLD | G |
SBS | 0.367 | 0.997 | 5.63 × 10-4 | -0.104ωa | 3.65 |
SRS | 0.313 | 0.276 | 2.25 × 10-3 | -0.0144ωL | 4.46 |
表1 SBS和SRS的主要参数
Table 1 Main parameters of SBS and SRS
散射机制 | kλDe | ω/ω0 | γ0/ω0 | νLD | G |
SBS | 0.367 | 0.997 | 5.63 × 10-4 | -0.104ωa | 3.65 |
SRS | 0.313 | 0.276 | 2.25 × 10-3 | -0.0144ωL | 4.46 |
图6 (a) 无外加磁场时,反射率随入射激光带宽的变化; (b) 单色光入射时,反射率随横向磁场强度的变化
Fig.6 (a) The reflectivity changes with the bandwidth of the pump light when Bext= 0; (b) The reflectivity changes with the intensity of transverse magnetic field when the incident light is monochromatic
图7 固定带宽为2 × 10-3ω0时,SRS和SBS的反射率随横向磁场强度的变化
Fig.7 When the fixed bandwidth is 2 × 10-3ω0, the reflectivity of SRS and SBS changes with the intensity of transverse magnetic field
无抑制方案 | 2 × 10-3带宽 | 20 T横向磁场 | 带宽+磁场 |
0.788 | 0.837 | 0.850 | 0.941 |
表2 不同方案下的激光透射率
Table 2 Transmittivity in different schemes
无抑制方案 | 2 × 10-3带宽 | 20 T横向磁场 | 带宽+磁场 |
0.788 | 0.837 | 0.850 | 0.941 |
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