激光聚变中超热电子的产生和输运研究

In the central ignition ICF concept, the hot electrons (>100keV) can penetrate through the ablator and preheat the fuel, and degrade the compressibility. The generation and transport of hot electrons in real fusion plasmas are hot topic recently. We study the threshold and the competition between stimulated Raman scattering and two Plasmon decay instability and the particle trapping, breaking and decay of Langmuir wave by multi-scale modeling tools. For the situation of strong Langmuir turbulence (cavitation, collapse, decay cascade), we derive the physics model to describe the nonlinear evolution of electron distribution, and study the generation of very energetic electrons by the excited Langmuir turbulence. Through the project, we hope to obtain the scaling laws of fraction and spectrum of hot electrons as a function of laser intensity, beam number and plasma conditions. The effects of the target material, magnetic field to the transport of hot electrons are also evaluated.

激光聚变中心点火中，超过100keV的超热电子有可能穿过烧蚀层预热燃料，降低内爆压缩效率,因此真实聚变等离子体条件下超热电子的产生和输运问题是目前热点之一。我们通过改进和建立多种时空尺度的模拟手段,研究受激拉曼散射、双等离子体衰变的激发阈值、相互间的耦合竞争特征，电子在激发的Langmuir波中的俘获行为以及Langmuir波破、次级过程。针对不稳定性非线性演化后期强Langmuir湍流的形成（局域坑子、塌缩、波的级联衰变等），建立能反映电子分布函数非线性演化的物理模型，研究电子与Langmuir 湍流场作用中高能超热电子尾部的形成机制。通过该项目的研究，获得超热电子份额、能谱结构与激光强度、束数，等离子体状态的变化关系。评估靶材料、磁场等对超热电子输运的影响。

激光聚变中较高能量超热电子对靶丸有预热可作用，影响内爆压缩效率，因此超热电子产生机理和输运的认识和控制是目前热点难题之一。项目针对真实聚变等离子体参数，改进和建立多种时空尺度的模拟手段。通过理论分析和动理学模拟揭示受激拉曼散射（SRS）和双等离子体衰变不稳定性（TPD）的耦合竞争过程，观察到非线性阶段对流受激拉曼散射的激发能抑制电子被TPD的级联加速从而减少超热电子产生。给出超热电子能谱结构与Langmuir波次级衰变、散射波重散等过程的关系，发现改变离子组分和份额可控制Langmuir波衰变和anti衰变过程显著降低超热电子份额。观察到等离子体密度调制引起的Langmuir波能量局部堆积导致的SRS周期性阵发、及电子在Langmuir波及多级谐波中的级联加速，数目多、能量高的超热电子产生。提出粒子在Langmuir波中的俘获导致的对流到绝对SRS转化的非线性机制，可以解释SRS暴涨行为。提出利用磁场、交替偏振和多频多色激光抑制激光等离子体不稳定性的新方式，并验证了物理可行性。在项目执行期间，发表SCI论文32篇。获得的成果在激光聚变理论和实验中激光散射和超热电子预热危害性的预测和评估中发挥重要作用。