碰撞效应对相对论性束流等离子体作用中全k空间不稳定性的影响——应用于快点火

【摘要】：激光产生的大通量超热电子在未磁化致密背景等离子体中输运时,会在全k空间诱发成丝不稳定性、双流不稳定性以及成丝-双流混合不稳定性。这些不稳定性对电子的输运和沉积起着关键作用,研究碰撞效应对这些不稳定性的影响是激光惯性约束核聚变快点火方案中的一个重要问题。本文利用线性分析,对电子分布函数采用漂移麦克斯韦分布,采用坐标旋转的方法,将二维问题化为准一维问题,得到动理学框架下的色散方程。由于这一色散方程没有简单的解析解,本文主要立足于数值求解,为了得到精确的数值解,我们对等离子体色散函数采用了误差小于5%的pade四极点近似。研究表明,在不考虑空间电荷效应情况下,当背景等离子体密度和入射束流电子密度接近时,碰撞效应会衰减成丝不稳定性;当背景等离子体密度远大于入射束流电子密度时,碰撞效应可以增强成丝不稳定性。如果包括空间电荷效应,则碰撞效应在背景等离子体密度较小时也可以通过阻尼空间电荷效应而促进成丝不稳定,这是一种以前并未发现过的新机制。此外,碰撞效应可以将最不稳定模向长波区显著地移动,以形成更大的细丝。与此不同,碰撞效应总是衰减主要呈静电性的双流不稳定性和成丝-双流混合不稳定性,并且基本不移动最不稳定模。从而,在密度较大的等离子体中,与无碰撞情况不同的是,成丝模的增长率可能超过成丝-双流混合模的增长率,成为主导的不稳定模。本文最后给出与快点火方案参数接近的不稳定性增长率,数值解表明在背景等离子体密度达到固体密度附近时(～10~(23)cm~(-3)),呈静电性的双流模和成丝-双流混合模将完全被碰撞效应抑制。相反,在固体密度以上区域(10~(23)cm~(-3)),呈电磁性的成丝不稳定模的增长率被提高一到两个数量级,成为主要的不稳定性。这意味着在靶心区,成丝不稳定性仍将起着主要的作用,反常加热极机制仍很有可能存在。