等离子体激波结构与非线性极化率对参量过程的影响

摘要

本论文分两个部分，第一部分讨论的是在理想等离子体中激波层的结构和特性。第二部分讨论的是强激光在部分剥离等离子体中发生的参量过程。第一部分对于稳态的一维非中性等离子体激波波前的特性，结构以及其上下游跃变条件进行了深入研究。在这部分中我们采用Naiver-Stokes双流体方程来描述电子和离子流体。并通过泊松方程来自恰地描述由于电子流体和离子流体的行为不同而产生非中性激波中的电场结构。首先我们利用各种流体量的守恒条件，给出了质量流、动量流和能量流在上、下游的连接条件，或称跃变关系(即雨贡尼奥关系)。其次，我们通过数值解双流体方程和泊松方程的耦合方程组，从宏观特性来看，非中性等离子体激波和中性的等离子体激波有着明显区别。首先，非中性激波下游的流速，温度等物理量除了对上游流速和温度的依赖外，还依赖于通过激波的电流及上下游的电势差，同时在能流跃变条件项里多了一个附加项，该项同样也依赖于通过激波的电流及上下游的电势差。另外非中性等离子体激波存在一个上游临界马赫数，只有当上游流速大于临界马赫数时，等离子体激波才可能存在。这个临界马赫数依赖于激波中的电流和离子的电荷数，一般情况下其都大于1(即中性等离子体激波产生的临界马赫数)。从微观上看，激波中的自生电场起到一个恢复力的作用，其总是趋于阻止离子的扩散。这是因为在激波的开始阶段，离子向下游移动要比电子快[，这就出现了电荷分离，从而就形成了一个方向指向上游的电场.这个电场反过来又阻碍离子向前运动，但却加速电子向前运动，从而最终形成了双极运动。如果没有碰撞耗散的话，这种机制将会产生静电震荡.但如果考虑离子电子粘滞和热导效应，就会发现有如同中性气体和中性等离子体中一样的激波出现. 我们发现，当流体中加较小的负向电流时(方向从下游指向上游)，它会加强激波中由于电荷分离形成电场，使离子运动的受阻增强，从而削弱了激波的强度.反之若加入小的正向电流，则激波的强度会增强.但如果外加电流很大时，相应的扩散效应将变得不重要，这时无论是正向还是反向电流都会大大地削弱激波的形成. 我们还发现上游的德拜长度与马赫数之比λDe/M1，会对波前中自生电场，并通过这个电场对其它的电子、离子物理量的剖面有重大影响。当德拜长度相对于上游的离子平均自由程很小时(λDe/l1＜＜1)，电荷分离受到约束，相应电场对激波的影响也很小。而当德拜长度和离子平均自由程相当量级时，电场对激波的影响将变得很大。 在本文中，我们给出了临界马赫数求解公式。同时还推导出了激波上下游流体的速度，温度及密度的雨贡尼奥关系。并通过数值分析，分别给出了弱激波和中等强度激波的波前在有电流和无电流情况下，其中电子、离子流体速度、温度、密度、空间电荷、电场以及电势等物理变量对于不同的德拜长度、热流模型在激波波前(上下游间的过渡区)的空间分布(或称结构、剖面)。前者可以称为激波的宏观性质，后者可以称为激波的微观性质。 第二部分中所讨论的参量过程主要对泵波产生较大影响的受激拉曼散射(SRS)和受激布里渊散射(SBS)。通过将波动方程与等离子体双流体方程耦合后导出了它们所满足的模耦合方程组。从而可定量地讨论非线性极化率对这两个参量过程非线性演化的影响。首先，本文估算了在各种射激光强度下、非线性极化率的大小以及它们对SRS、SBS线线性增长率的影响。而后，再通过数值分析，计算了入射激光强度、非线性极化率对SRS、SBS非线性增长率的影响。计算的结果发现，非线性的三阶极化率对SRS和SBS都有明显的遏制作用，特别是对SBS过程的遏制作用更为显著。甚至当三阶极化率增大到某一值时，这两种过程都可以基本被完全抑制。同时还发现，在有非线性三阶极化率的作用时，泵波的强度越强，参量过程反而越稳定。二阶极化率则对SRS的影响很小，只起到轻微解稳作用；但它对SBS过程的影响同三阶极化率一样也非常显著，并且是起到遏制作用。由此可见对于激光打靶等离子体过程而言，选择适当的靶材使之产生的等离子体具有适当的非线性极化率，就有可能有效地遏制SRS和SBS这两种不稳定性。这对间接驱动激光聚变物理而言可能具有很重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

第一部分等离子体激波层的结构和特性

第一章引言

§1.1激波概念的引入

§1.2等离子体激波研究的概况和意义

§1.3等离子体激波理论研究方法和发展

§1.4等离子体激波的应用

第二章等离子体激波的双流体描述

§2.1流体动力学方程

§2.2静态激波结构方程

§2.3静态激波结构方程的无量纲化

§2.4等离子体激波的Rankine-Hugoniot(兰金-雨贡尼奥)关系及条件

第三章数值计算方法

§3.1非线性方程组的牛顿法

§3.2对角隐式龙戈库塔(Runge-Kutta)法

§3.3 Navier-Stokes方程组的差分格式的建立

第四章数值计算的结果和讨论

§4.1等离子体激波中电流的影响

§4.2热流对激波中的各物理量的空间分布的影响

§4.3德拜长度(λDe)对激波中的各物理量的空间分布的影响

第五章小结

第二部分强激光在非完全剥离等离子体中的参量过程

第六章引言

§6.1激光和等离子体的相互作用

§6.2强激光在部分剥离等离子体中参量过程

第七章激光参量过程的基本方程

§7.1基本波动方程组

§7.2非线性极化强度

§7.3与电子和离子扰动相耦合的波动方程

第八章受激拉曼散射(SRS)

§8.1模耦合方程

§8.2 SRS的线性不稳定分析

§8.3 SRS的非线性演化行为

第九章受激布里渊散射(SBS)

§9.1模耦合方程

§9.2 SBS过程的线性不稳定性分析

§9.3 SBS的非线性演化行为

第十章小结

第十一章总结

参考文献

附录一SRS中的系数矩阵

附录二SBS中的系数矩阵

论文发表情况

致谢