高温高密度等离子体中全时间相关细致组态原子物理的研究

The study and solving of the Couple Rate Equations (CRE) in the Detailed Configuration Atomic Physics (DCA) has an important application background in many fields, such as astrophysics, energy research and the construction of national defence. The physical results from DCA is relatively real and accurate, but the numberous and stiff CRE is very difficult to solve because of the large number ionic charge states and the huge different rates between the slow and fast atomic processes in the high temperature and high density plasmas. In addition to that, the atomic physics are usually coupled with hydrodynamics and radiation in the study of the high temperature and high density plasmas, and therefore the CRE is needed to be solved together with the hydrodynamic equations and the radiation equation. However, the multi time scale and the strong coupling between matter and radiation make it even hard to solve the coupled equations of CRE with the radiation hydrodynamic equations. The purpose of this project is to study the non-LTE atmoic physics in high temperature and high density plasmas, give a physical and pratical method which can solve CRE rapidly, and also give an effective solution of the coupled CRE with the radiation hydrodynamic equations. Furthermore, this project will study the influence of DCA on plasma status, movement and radiation. The research of this project hopefully provides equation solutions and physical basis related to atomic model and provides support of algorithm code for the calculation of practical engineering problems, which has creativity and application values.

细致组态原子物理中速率方程组的研究与求解在天体物理、能源研究和国防建设中具有重要的理论和实际应用背景。由细致组态原子模型给出的物理图像比较真实细致，但在高温高密度等离子体环境中，离子与能级类型复杂且快、慢原子过程时间尺度差异巨大，使得速率方程组数目庞大、具有强刚性而难以求解。另外，原子模型还往往需要与流体力学方程组和光子方程耦合求解，这就更存在着多时间尺度和强耦合等难题。本项目拟开展高温高密度等离子体环境下非平衡原子物理的研究，在理解和掌握离子、组态的布居与跃迁特性基础上，建立全时间相关细致组态模型，给出合乎物理、实用的速率方程组计算方法，给出细致组态模型与流体力学、光子方程耦合的求解方法；并进一步研究细致组态原子模型对等离子体状态、运动以及辐射场的影响。本项目的研究成果可以为实际工程问题中有关非平衡原子物理的研究提供耦合方程求解方法、程序支撑和物理研究基础，具有创新性和较高的应用价值。

本项目的研究工作按照原定计划进行，很好地完成了预期目标。.细致组态原子物理(DCA)中速率方程组的研究与求解在天体物理、能源研究和国防建设中具有重要的理论和实际应用背景。在高温高密度高Z等离子体环境中，离子与能级类型复杂且快、慢原子过程时间尺度差异巨大，使得速率方程组数目庞大、具有强刚性而难以求解。另外，原子模型还往往需要与流体力学方程组和光子方程耦合求解，这就更存在着多时间尺度和强耦合等难题。.主要研究内容：(1) 建立高温高密度高Z等离子体中的细致组态原子物理模型，研究高Z等离子体全时间相关速率方程组的求解方法并编制计算模块MBDCA；(2) 研究DCA模型下原子物理、流体力学方程组以及光子方程的耦合求解方法和相关计算公式；(3) 将MBDCA模块与一维辐射流体力学程序RDMG相耦合；(4) RDMG-MBDCA程序的应用：设计激光驱动金平面靶的准一维实验并开展实验模拟与物理研究，开展激光聚变直接驱动镀金点火靶的物理设计与理论研究工作。.重要结果：(1) 给出合乎物理的、可快速求解高Z等离子体中数目庞大而具强刚性的全时间相关速率方程组的矩阵分块法，并编制完成程序模块MBDCA；(2) 给出DCA模型下原子物理、流体力学方程组以及光子方程的耦合求解方法，给出了相关发射和吸收系数计算公式；(3) 将DCA模块与RDMG程序成功耦合，给出RDMG-MBDCA版本，这是我国激光聚变领域第一个与DCA原子物理模块相耦合的辐射流体力学程序；(4)合作设计了神光II装置上激光驱动金平面靶准一维实验，并利用RDMG-MBDCA程序对该实验开展了模拟，研究了不同限流因子和原子物理建模对模拟结果的影响并分析了物理原因；(5 ) 给出了激光聚变直接驱动镀金点火靶的理论设计。主要物理创新：(1) 首次指出高流模型中需采用高限流因子的原因在于DCA模型与AA模型电离度的差异；(2)首次指出直接驱动镀金点火靶的金壳层可以降低熵增、提高中子产额。 .本项目的研究成果可以为实际工程问题中有关非平衡原子物理的研究提供耦合方程求解方法、程序支撑和物理研究基础，具有创新性和较高的应用价值。