激光等离子体相互作用的数值模拟
激光等离子体相互作用产生X射线
激光等离子体相互作用产生X射线X射线是核外电子产生的短波电磁辐射，波长范围一般在0.001nm 到1nm或者更长一点。
比0.1nm短的叫硬X射线，长的叫软X射线。
X射线源在许多研究方面是非常重要的，在包括X射线显微镜和光谱学、全息技术和纳米技术、生物成像和探测超快过程等工业和医疗方面的应用尤其如此。
现在同步辐射光源是最强烈的X射线源。
在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射[1]。
在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射。
这些源是宽带相干和长脉冲。
我们也可以利用高能激光脉冲去Thomson散射这些被传统方式加速的电子[2-5]。
另一方面，需要有超高亮度，连贯和短脉冲（飞秒或更短）的X 射线源来研究瞬态过程。
在加速器的家族中，几个大的自由电子激光器在未来10年内取得里程碑式的进展，并提供最亮的X射线源。
相对论性激光等离子体提供了一个飞秒级X射线产生的潜在补充渠道。
甚至在紧凑的项目中，x射线波长桌面自由电子（TT-XFEL）也存在[6]。
然而，人们必须显著提高被激光加速电子束的品质以使TT-XFEL成为现实。
本世纪起，相对论超强超短激光入射等离子体可产生X射线已经被广泛证实。
当一束短的相对论下的强激光脉冲在稀薄等离子体中传播。
其有质动力可以排开电子，形成电子空泡（Bubble）。
通过波破或其他注入方式，一些等离子体电子可以被限制并且被腔中的纵向场加速，这就是所谓的空泡电子加速模式。
由于它的固定的三维空间结构，该气泡具有横向场。
加速的相对论下的电子这些场中做横向的振动并且发射出短波射线（可到X 射线量级）。
另外一种方法是激光作用于固体靶产生的相对论高次谐波。
激光可以瞬间将固体物质转换成等离子体，激光与固体的相互作用是高度非线性的，导致谐波产生。
在高密度等离子体的表面，人们可以区别产生谐波的两个主要的不同机理。
当激光强度呈弱相对论性2182210/I W m cm λμ<时，谐波是由于所谓的相干弱辐射（CWE ）产生的。
以梦为马探核路 飞燕凌云逐金乌——记国防科技大学前沿交叉学科学院教授马燕云
封底人物Backcover Characters氢弹的爆炸。
除了重要的国防用途，核聚变更为重要的作用，在于为人类真正解决能源危机提供可能。
数十年来，全球科学家一直梦想着在实验室里实现太阳的聚变反应，以期获得取之不尽的清洁能源，而科学家实现聚变目标的装置也被称为“人造太阳”。
由于核聚变燃料可直接取自海水中富含的氘，如果每升海水中所蕴含的氘发生完全的聚变反应，就能产生相当于300升汽油燃烧时释放的能量。
以此推算，根据目前世界能源消耗水平和海水存量，聚变能可供人类使用100亿年。
“已知地球的寿命大约是50亿年，从这个角度来说的话，这种资源可以说是取之不尽、用之不竭的。
”马燕云解释道。
随之而来的问题便是，如何实现可彭先觉院士（中）与课题组合影控的核聚变，使之成为稳定的能源提供方式？关于可控核聚变的实现，苏联科学家N.巴索夫和中国科学家王淦昌先后独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，并开辟了实现受控热核聚变反应的新途径——激光核聚变。
所谓激光核聚变，就是使用高功率激光作为驱动器去照射一个直径为毫米量级的聚变燃料小球（即靶丸），在十几纳秒的时间里把聚变燃料加热到上亿摄氏度的高温，达到聚变点火条件并在燃料飞散之前依靠燃料的惯性使它们能够在高温高密的状态维持一段时间，使得聚变燃料发生充分的核反应，从而释放聚变能量的一种聚变方式。
在激光核聚变中，激光首先照射靶丸表面并使其迅速电离形成等离子体，激光的能量从等离子体临界密度层通过电子热传导向烧蚀层内传递并使烧蚀层不断产生等离子体，这些等离子体向外高速飞散并产生反作用力压缩靶丸，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度迅速增加并最终达到点火条件实现核聚变。
马燕云的博士论文主要研究当时激光核聚变过程中的一种新的点火方案——“快点火”方案，这也是国内第一篇系统研究“快点火”方案可行性的博士学位论文。
鉴于等离子体的复杂性，马燕云意识到，想要揭开等离子体的“神秘面纱”，得力的研究工具必不可少。
等离子体模拟
等离子体模拟等离子体模拟是一种对等离子体行为进行研究的方法。
等离子体是一种带正电荷和负电荷的气体，主要由离子和电子组成。
由于等离子体在高温、高能量环境下产生，对其进行模拟和研究有助于我们更好地理解太阳、核融合和等离子体应用等领域的问题。
等离子体模拟可以通过各种数值方法来实现，其中比较常见的方法包括粒子模拟和流体模拟。
粒子模拟是一种将粒子的运动和相互作用通过数值计算进行模拟的方法。
这种方法可以用来研究等离子体中的离子和电子的运动轨迹以及它们之间的相互作用。
流体模拟则是一种将等离子体看作连续介质，通过求解流体力学方程来模拟等离子体的行为。
这种方法更适用于研究宏观尺度上的等离子体现象，比如等离子体湍流和等离子体的稳定性等问题。
等离子体模拟在物理学、空间科学、核能等领域都有重要的应用。
在物理学中，等离子体模拟可以用来研究等离子体在强磁场中的行为，对于理解以太阳、恒星等等离子体为基础的天体现象具有重要意义。
在空间科学中，等离子体模拟被广泛应用于对太阳风、磁层等等离子体环境的研究。
在核能领域，等离子体模拟可以用来模拟和优化核聚变实验，对于实现可控核聚变提供了重要的理论和数值支持。
在等离子体模拟的研究中，除了数值方法的选择外，还需要考虑初始条件、边界条件、等离子体参数的选择等问题。
这些参数的选取直接影响到模拟结果的准确性和可靠性。
因此，在进行等离子体模拟时，需要综合考虑实际情况并进行合理的参数选择。
总结起来，等离子体模拟是一种研究等离子体行为的重要方法，通过数值模拟可以更好地理解等离子体的行为特性以及其在太阳、核能等领域中的应用。
不断改进和发展等离子体模拟方法，将为相关领域的研究提供重要的理论和数值支持，推动相关科学技术的发展和应用。
Particle-In-Cell模拟的发展 - 物理考虑和计算技术
48 50 54 55 55 57 59 61 63
I.
概述 A. 基本概念
数值模拟是研究等离子体演化问题的重要手段[1][2][3][4][5][6][7]。通常的等离子体数值 模拟技术可以按照其数学模型分成两类，一类是基于等离子体的流体模型，通过等离子体 的密度，流速，温度等局部平均量的演化方程进行的数值研究，这种模拟称为流体模拟。 另一类是基于动理学模型，即直接在相空间中研究等离子体分布函数的演化。对于等离子 体来说，流体力学方程基本上是Vlasov方程的头几阶矩方程，是Vlasov方程对于速度空间 做平均的结果，因此必须适当地假定速度空间分布函数以及局域输运系数才能建立。这使 得流体力学模拟中不能包含各种动理学和非局域效应。动理学研究是严格和自洽的，然而 由于Vlasov方程是(3+3)维度的，其直接数值求解远远超出现阶段计算机的能力。 此外，无论是流体力学模拟还是直接处理Vlasov方程，还存在一些和数值方法相关的 困难。其中之一和所谓数值耗散效应有关。非线性双曲型方程的数值求解很容易带来数值 振荡，在间断面附近尤其明显；而为了消除这种振荡，维持计算的稳定性，通常需要在求 解中引入人为阻尼，而这种阻尼常常会影响到一些小尺度过程的正确建模。 作为Vlasov问题的一种折衷处理手段，等离子体的Particle-In-Cell(PIC)模拟[1][2]是较 为成熟的手段之一。PIC模拟本身基于简单的“宏粒子”概念，即用一些宏粒子（云）的 运动来代替实际等离子体带电粒子的运动，每个宏粒子可以看成一堆一起运动的等离子体 粒子，其荷质比等于真实粒子的荷质比，同时具有一个权重参数，表明每个宏粒子代表多
程基本可以忽略（因为几乎是在真空背景中），于是，可以用PIC进行相当有效的分析模 拟[10][11][12]。直线加速器等设备也属于这一类[13]。 低气压下的放电过程，例如在微电子制造工艺中经常碰到的射频等离子体源[14]。当背 景气压非常低时，电子自由程接近甚至大于整个放电器件的尺寸；同时电子具有一些和轨 道相关的能量获取机制（例如费米加热），因此电子分布会显著偏离麦克斯韦分布；最 后，鞘层行为常常很重要，于是必须考虑局部电荷分离效应。这时，流体力学模拟难以跟 踪其中发生的各种物理过程，而传统的扩散近似FPE模拟方法由于电子自由程太长也无法 使用，通常都需要用PIC方法建模。 极强外场（激光）和晕区等离子体的相互作用[8][15][16]。由于外场极强，电子具有很 高的颤动能量，并且会被有质动力以及尾场加速到极高的能量，电子的能量分布是高度非 各向同性的，甚至难以使用球谐函数展开；由于能量非常高，碰撞截面很低，以至于可以 完全忽略电子-电子碰撞效应；最后，极少数被加速粒子是物理上主要关心的目标，大部 分背景粒子甚至可以当成冷等离子体描述。这样的问题也非常适合用PIC方法处理。 在另一个方面，也存在传统上不适合用PIC方法研究的过程，这主要发生在等离子体密 度非常高，和/或碰撞截面非常大的情况下。这类情况下，一方面PIC 模拟的计算量会成 数量级地上升，另一方面由于固有的噪声问题，模拟结果会变得相当不可靠。应该指出的 是密度和碰撞截面参数都是相对于系统的实际尺度的，在激光加速问题的数十微米尺寸 内，1019 cm−3 的电子密度仍然可以认为相当稀薄，而在放电问题中，由于特征长度达到几 个厘米，即使1011 cm−3 的电子密度就可以看做非常高了。 无论如何，理论上只要空间网格够细，每个网格内的粒子数够多，那么PIC模拟完全等 同于直接求解Vlasov方程。换句话说，PIC模拟能考虑的物理效应等价于能写进Vlasov方 程中的项目。而Vlasov方程包含了弱碰撞（或者无碰撞）区几乎所有重要的等离子体物 理。因此，只要克服了PIC方法的巨大计算量困难，PIC方法原则上可以解决我们关心的 绝大部分等离子体问题。但在实际中，如同前述的情况，多维的PIC模拟，其计算量过于 庞大，基本不可能有效地处理。因此，几十年来，很多人都致力于对PIC方法的改进：对 于那些适合PIC方法处理的问题，希望能得到更准确和适应更复杂环境的模拟程序；而对 传统上不适合PIC方法的问题，则致力于绕过PIC方法处理这类问题的困难。这种改进分 为几种不同的类型。 第一种是通过修改PIC的基本框架和物理原理，使得PIC方法可以研究其它物理效应。 这方面的代表性工作就是利用附加的Monte-Carlo过程来引入粒子-粒子短程耦合[9][17]， 从而使得PIC方法可以处理碰撞和电离、合并等等过程。这种方法已经被大量应用在低 温等离子体物理研究中，特别是关于放电过程的模拟。通过引入库仑碰撞模型或者直接 6
等离子体计算
等离子体计算等离子体计算是一种基于物理理论和数值模拟的方法，用于研究等离子体的性质和行为。
等离子体是物理学中的第四态，它由离子和自由电子构成，具有复杂的动力学行为。
等离子体广泛存在于自然界中，例如太阳、恒星、闪电和等离子体体积已经存在的气体等。
通过等离子体计算，科学家可以模拟和分析等离子体在不同条件下的行为。
这种模拟方法基于计算机模型和物理方程，可以预测等离子体的温度、密度、电荷分布、离子动力学、磁场和能量转输等关键参数。
等离子体计算在空间科学、核融合研究、等离子体加工和放电等领域广泛应用。
以核融合研究为例，等离子体计算在设计和优化核聚变反应堆中起着重要作用。
核聚变是模仿太阳主要能源来源的过程，它在高温和高压下将重氢同位素结合成轻氦同位素，释放出巨大的能量。
在核聚变反应堆中，等离子体达到数千万度的高温，密度很低并且受到复杂的磁场控制。
只有通过等离子体计算，才能模拟和理解在这种极端条件下等离子体的行为，并进行反应堆设计和性能优化。
但是，等离子体计算也面临着一些挑战。
首先，等离子体计算模型本身非常复杂，需要考虑多个物理过程和尺度之间的相互作用。
这些物理过程包括电子动力学、电磁场、粒子输运、辐射和能量转输等。
同时，等离子体通常是非均匀和非线性的，因此需要采用高性能计算和先进的数值模拟方法来解决这些问题。
其次，等离子体计算需要大量的计算资源和算法优化。
等离子体模拟通常涉及大规模并行计算，需要使用高性能计算机和高效的算法来进行模拟和分析。
同时，等离子体计算需要进行数值误差分析和稳定性分析，以确保模拟结果的可靠性和准确性。
最后，等离子体计算需要与实验和观测相结合。
尽管等离子体计算提供了模拟和预测等离子体行为的方法，但实验和观测仍然是验证和验证模拟结果的重要手段。
只有通过实验和观测，可以提供关于等离子体性质和行为的实际数据，从而改进和验证等离子体计算模型。
综上所述，等离子体计算是一种重要的物理模拟方法，用于研究和理解等离子体的性质和行为。
在相对论性激光-等离子体系统中模拟激光参数对等离子弧柱形态的影响
第 ７卷 第 ６期
２０ ０７年 ３月
科 学 技 术 与 工 程
Ｓ ｉ ｎ ｅ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｎ ｉ ｅ ｒｎ ｃｅ ｃ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ Ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ
Ｖｏ ． Ｎｏ ６ １７ ．
Ｍａ ．２ ０ ｒ Ｏ７
２ ３ 激 光模 型 ．
１ 等 离 子 弧 仅 由 电子 和 离 子 组 成 ， 略 中 性 ） 忽
粒子 ；
将激光看作左边界条件 ， 激光从左边界垂直入 射， 其强度呈高斯分布 ，
，＝］ｅｐ 一 （ ０ｘ ［ Ｙ—Ｙ ）／０ ］ ｏ ２－ 射 点 与 中线 距 离 的参数 ， 为 脉冲 半宽度 。 － ０ （） ７ （ ） 中 ， 为激 光 峰值 强 度 ，。为控 制 激 光 入 ７ 式 ｏ Ｙ
平均功率 、 脉冲宽度 ， 以更深地压缩等 离子 弧； 可 但是 ， 重复频 率的影 响则会 出现 波动现 象。 激光等 离子 复合 加工 更适合 于精
细加工。
关键词 相对论性激光
弧柱形态
脉 冲宽度
重复频率
中图法分类号
Ｔ ２９ Ｎ４ ；
文献标识码
业 已开 发 的 快 速 金 属 原 型 技 术 主 要 有 激 光 近
１７ — ８９ ２０ ） —９ ００ ６ １ １１ （０ ７ ６０ ８ —４
⑤
２０ ＳｉＴ ｃ．ｎｎ． ０７ ｃ ｅｈＥ ｇｇ ．
通信技术
在相对论性激光 一 等离子体 系统中模拟 激光参 数对 等离子弧柱 形态的影响
王 琨 王桂 兰 张海鸥
（ 中科技大学塑性成形模拟与模具国家重点实验室 ，武汉 ４３０ ４ 华 ０７ ）
作 用 。 适 用 于 工 业 领 域 的 激 光 与 等 离 子 弧 相 互 在
脉冲等离子射流与液体工质相互作用特性实验研究及数值模拟
２０ １２年 ５月
兵
工
学
报
Ｖ０． ３ １ ３ Ｎｏ． ５
Ｍａ ｖ ２ ２ ０１
ＡＣＴＡ ＡＲＭ ＡＭ ＥＮＴＡＲＩ Ｉ
脉 冲等 离子 射 流 与液 体 工 质 相 互 作 用特 性 实验研 究及数值模拟
张琦 ， 永 刚 ，刘 东尧 ，陆欣 余
（ 京 理工 大 学 能 源 与 动 力工 程 学 院 ，江 苏 南 京 ２ ０９ ） 南 １ ０４
摘 要 ：为 了解等 离子 射流 与液体介 质 间的相 互作 用特 性 ， 用 高速 录像 系统 记 录 了等 离 子射 采
射流在 液体 介质 中轴 向、 向扩展 位 移及扩 展速 径
度 随时 间的变 化特性 。在 实验基 础上 ， 立 了等 离子 射流 在 液体 介 质 中扩 展 时 的二 维 轴对 称 非稳 建 态数 学模 型 ， 并进 行 了数值模 拟 ， 获得 了等 离子体 和 液体 两相 体 积分 数 时空分 布 特 性 ， 由两相体 积 分数 时 空分布 图计算 得到 的 Ｔ ｙｏ 空腔 轴 向扩展位 移 与实测值 吻合 较好 。 同时获得 了射 流场 中的 ａｌ ｒ 压 力、 速度 和 温度分布 ， 分析 了 Ｔ ｙ ｒ 并 ａｌ 空腔 的 间断机理 。 ｏ 关键 词 ：工程 热物理 ；等 离子射 流 ；液体介 质 ； ａｌｒ Ｔ ｙ 空腔 ；电热 化学 发射 ｏ
ｍ ｅ ｈ ｎｓ ｏ ｙ ｏ ａ ｉｙ ｗａ ｎ ｌｚ ｄ． ｃ ａ ｉｍ ｆＴａ ｌｒ ｃ ｖｔ ｓａ ａｙ ｅ
Ａｂ ｔａ ｔ ｎ ｏｄ ｒｔ ｎ ｅｓ ｎ ｈ ｌｓ ｅ—ｑ ｉ ｄａ ｉｔｒｃｉｎ ｃ ａａ ｔｒ ｔ ｓ ｉｈ ｓｅ ｄ ｓｒｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｕ ｄ ｒｔ ｄ ｔｅ ｐａｍａｊｔｌ ｕｄ ｍｅ ｉ ｎｅａ ｔ ｈ ｒｃｅｉ ｉ ，ａ ｈｇ ｐ ｅ ａ ｉ ｏ ｓｃ ｄｇｔｌｃ ｍｅａｓｓｅ ｗ ｓｕ ｅ ｏｒｃ ｒ ｈ ｒｐ ｇ ｔ ｎｐ ｏ ｅｓｏ ｌｓ ｔ ｎｌ ｕｄｍｅ ｉ ｎｃ ｌ ｄｉ ｉｉ ａ ｒ ｙｔｍ ａ ｓｄ ｔ ｅ ｏｄｔｅｐｏ ａ ａｉ ｒｃ ｓ ｆ ａｍａｊ ｉ ｉ ｄａｉ ｙｉ ｒ ａ ｏ ｐ ｅｉ ｑ ｎ —
等离子体物理学中的等离子体通道问题
等离子体物理学中的等离子体通道问题
等离子体通道是一个极为重要的问题，特别是在等离子体加工、等离子体医学、等离子体发动机等方面的应用中。
在等离子体物理学中，等离子体通道的形成、演化、稳定性等问题一直是一个研究的焦点和难点。
等离子体通道是指在等离子体中形成的高密度、高温度的区域，通常会在强电
场下形成，比如在高压电场、激光场、等离子体束场等环境下。
等离子体通道存在着很多重要的物理过程，比如电离反应、再结合反应、辐射传输、多体物理过程等。
这些物理过程对等离子体通道的形成、演化、稳定性都有着重要的影响。
在等离子体物理学中，等离子体通道的研究有着非常重要的意义，一方面可以
帮助人们更好地理解等离子体中的物理现象，另一方面还可以为等离子体应用提供理论支撑和技术基础。
一般来说，等离子体通道的形成和演化可以通过数值模拟和实验研究来进行。
数值模拟可以模拟等离子体通道的形成、演化和稳定性等过程，为实验提供理论指导和解释；实验研究可以直接观测等离子体通道的形成和演化过程，并对等离子体通道的特性和性质进行实验验证。
在实际应用中，等离子体通道有着广泛的应用前景。
比如，在等离子体加工中，等离子体通道可以用于精密的切割、刻蚀、医学治疗等方面；在等离子体发动机中，等离子体通道可以用于实现高效的燃烧和推进系统；在等离子体医学中，等离子体通道可以用于癌细胞的治疗和细胞修复等方面。
总之，等离子体通道是等离子体物理学中一个研究的焦点和难点，也是等离子
体应用中一个非常重要的问题。
对等离子体通道问题的研究，不仅有助于人们更好地理解等离子体中的物理现象，还可以为等离子体应用提供理论支撑和技术基础。
由强激光产生的烧蚀等离子体随时间演化的数值模拟
维普资讯
计
算
物
理
第 ２ ４卷
对于非 电离 区采 用理想 气体状 态方程
Ｅ ＝ ｐ（ 一１ ｌ７ ）＋ ｐ “ ）２ （ ＋ ／， ｐ ＝ ＲＴ， ｖ （） ３
Ｅ为单位体 积 的总 能量 ， 尺为理想 气体 常数 ． 对于等 离子体 区采用上 述 的等 离子体 状 态方 程 ， 光 与等 离 子体 的 能量 耦 合通 过控 制 方 程 中的 ａ ／ 激 ，ａ 项计 入方程 组的计算 （ 这里假 定 方 向是激光 入射方 向 ， 激光斜 入射 时有分别 沿 和 Ｙ方 向的能量 吸收项 ） ， ， 是入射 后被等 离子体 吸收 的光 强 ．
约 为 理 想 Ｌ Ｄ波 速 度 的 一 半 ． ｓ
［ 关键 词 ］ 有 限 差 分 ； 值 模拟 ； 光 支持 等 离 子体 数 激 ［ 图分 类号 ］ 中 ０ ８ ；０ ３ ． ３ １ ４２ １ ２ ［ 献标识码］ 文 Ａ
Ｏ 引 言
高功 率密度 （０ Ｗ・ｍ 以上 ） １ ｅ 激光与 固体靶相 互作 用 的 动态 物理 过 程 十分 复杂 ， 直是 该领 域 学者 们 一 研 究 的热 点问题 Ｊ 自 Ｋ ｎ ｏ ｉ …首 次提 出利用 高功 率 激光 发 射微 小 卫星 的设 想 以来 ， 光推 进 已经 成 ． ａ ｔ ｗｔ ｒ ｚ 激
［ 摘
— —
要 ］ 采 用 单 流 体 模 型 描 述 由强 激 光 产 生 的 烧 蚀 等 离 子 体 ，并 用 具 有 五 阶 精 度 的 广 义 Ｇ ｄｎｖ差 分 格 式 ｏｕｏ 加 权 本 质 无 振 荡 格式 对 该 模 型 进 行 离 散 化 ，考 虑 激 光 与 等 离 子 体 相 互 作 用 和 能 量 耦 合 ，数 值 模 拟 强 激 光 与
激光等离子体相互作用的能量吸收机制
５ １ ８８ Ａ 处形成 了两个 明显 的正 向 速度 峰 值． ． ７ ８ 。 这 是 因为 Ｊ ×Ｂ加 热几 乎在 同一位 置处加 热 电子 ， 电子 几乎被 加热至 光 速 ， 半个 激 光 周期 加 速 一 次． 因此 ， 电子在 空 间中沿 ｚ方 向每 半个激 光波 长就有 一个高
机制 ［ 的概 念 ， 括 Ｊ ３ 包 ×Ｂ加 热 、 振 吸 收 、 空 加 共 真 热等 ． 本文结合 二维 、 三维模拟 结果来 对 比分析研 究
２ 模 拟 结 果 及 分 析
２１ Ｊ ． Ｂ加 热 ｘ
激光 等离子体 相互作 用过程 中不 同阶段 的三种加 热
பைடு நூலகம்
机制 ， 以期找 出最适 合 于 等离 子 激光 复 合直 接 熔 积
波长变 长所致 ｌ ． 对 论 效应 导 致 电磁 波 更 深地 进 ６相 ］
４ Ｏ。 ． 为真 空 ， ｚ一４ ０。 ｌ ． 处 是均匀 分 在 ．Ａ ～ Ｏ Ｏ 。
布 ， 密度为 ４ ０ ７ｍ一 ， 其 Ｘ１ ２ 含有 ６ ４ ０个 模拟粒 ． ×１ 子． ｚ方向左边 场边界 为吸收 边界 ， 边界 为 良导 体 右 边界 ， 方 向为周 期性 边界 条件 ． Ｐ极 化激 光从 左 边 界（ ：Ｏ 处垂 直入 射 ， 强度 在 Ｙ方 向 ， ） 其 呈高 斯 分
为 了研 究 超强 激光 在 稠密 等 离子 体 中 的传播 ， 所要求 的计算 区域 必须 比较 长 ， 要揭 示 二维 效 应 在 这些 过程 中的影 响 ， 须 在垂 直 激 光入 射 的方 向也 必 有较 大 的宽度 ， 因此计 算所取 的二 维 （ ｙ）系统 尺 ｘ，
脉冲激光烧蚀Ge产生等离子体特性的数值模拟
从２ ０世 纪 ８ 年 代 Ｐ Ａ和 Ｐ Ｄ在制 备 高 温超 导薄 膜材 料 上 成 功应 用 之后 ［ ， 快 地 被应 用 于 其 他 薄 膜 ０ Ｌ Ｌ １很 ］
材 料 的制 备 ， 铁 电材料 、 如 巨磁 电阻材 料 和 复杂 氧化 物 等薄 膜 的制 备 ， 取 得 了一定 的成 果 。因为 这 种 薄 膜 制 并
膜技 术 的广 泛应 用相 比 ， 其理 论 和数 值模 拟 研究 显得 较 为滞 后 ［ ］ 且 大 部 分 研 究 都 是 针 对 制备 金 属 薄 膜 或 合 ３，
金薄 膜 ， 制 备 非金 属 和半 导体 薄膜 的深 入 研究 比较 少 ［ ］ 对 ６ 。 。 激光 烧 蚀 产生 的等 离子 体在 膨胀 的初 期 ， 近似 可看 作处 于 局 域热 力 学 平 衡 下 的连 续 性 介 质 。考 虑 到 激 光 光 斑 条件 以及所 研究 的 时 间尺度 和空 间 尺 度 ， １维 模 型 是 比较 好 的 近 似 。本 文 综 合 考 虑 了靶 的传 热 以及 伴 随 烧 蚀 发 生的 电 离过程 、 光 和等 离子 体相 互 作 用过程 、 散和 靶 面蒸发 凝 结过 程 等物 理 过程 ， 立 了 １ 模 型 。 激 扩 建 维 对 这 个模 型 进行 了数 值模 拟 ， 拟对 象 为脉 冲激 光 沉 积锗 （ ） ［ ， 究 在 １ ３ ３ ａ的 氦气 环 境 下 ， 波 长 模 Ｇｅ 膜 ８ 研 ］ ３ ．２Ｐ 用 ２ ８ａ 脉宽 １ ｓ峰值 功 率密 度 ４ ０ ／ ｍ。 高斯 型 Ｋｒ ４ ｍ、 ７ａ 、 ×１ Ｗ ｃ 的 Ｆ脉 冲激 光 来 烧蚀 晶体 锗 。对 产 生 等 离 子体 的 速度 、 度 和 电离度 的 时空分 布 等给 出 了模 拟结 果 ， 温 并对 这些 结果 进行 了分析 讨 论 。
低温等离子体物理特性以及相关数值模拟算法
低温等离子体物理特性以及相关数值模拟算法低温等离子体是一种在相对较低温度下保持了一定离子化程度并且具有激发态的气体。
它具有许多特殊的物理特性，对于研究等离子体的行为以及开发等离子体应用具有重要意义。
同时，为了更好地理解和掌握低温等离子体的物理特性，科学家们开发了一些数值模拟算法，用于模拟和预测低温等离子体的行为。
低温等离子体的物理特性包括电子能级分布、多种离子的存在、碰撞与散射、辐射过程等。
这些物理特性决定了低温等离子体的电导率、热导率、辐射发射率等重要参数。
了解这些物理特性对于设计等离子体器件、理解等离子体在自然界中的现象以及应用等离子体技术都具有重要意义。
首先，低温等离子体的电子能级分布是其中重要的特性之一。
由于低温下的等离子体中大部分粒子都处于基态，而只有少量电子处于激发态或离化态，因此低温等离子体的电子能级分布呈现出非常特殊的形式。
对于系统中电子能级分布的模拟，可以利用玻尔兹曼方程和电子能级的简并性原理进行数值模拟。
其次，低温等离子体中存在多种离子，如正离子（阳离子）和负离子（阴离子）。
这些离子对等离子体的整体行为和性质有着重要的影响。
通过数值模拟算法，可以模拟低温等离子体中离子的行为，包括离子的动力学过程、离子的浓度分布以及离子与其他粒子之间的相互作用。
这些模拟算法可以帮助我们更好地理解和预测等离子体的行为。
另外，碰撞与散射是低温等离子体中重要的物理过程。
在低温下，等离子体中的粒子之间会发生碰撞，这些碰撞会导致能量的转移和散射。
数值模拟算法可以用来模拟和计算等离子体中碰撞和散射过程的概率和速率。
这些模拟算法可以帮助我们理解碰撞与散射对等离子体能量传输和输运过程的影响。
此外，辐射过程也是低温等离子体中的重要现象。
在等离子体中，粒子的激发态会衰减并发生辐射。
这些辐射过程对于等离子体的能量平衡和辐射特性具有重要影响。
数值模拟算法可以用来模拟和计算等离子体中的辐射过程，包括辐射的能谱、辐射发射率以及辐射传输等。
等离子体对电路影响数值模拟
等离子体对电路影响数值模拟一、引言等离子体是一种高温、高能量的物质状态，它在半导体工业、核聚变等领域有着广泛的应用。
然而，等离子体与电路之间的相互作用会对电路性能产生影响，因此需要对其进行数值模拟研究。
二、等离子体对电路影响的原理1. 等离子体与电场作用当等离子体中的电荷粒子受到外加电场作用时，会发生加速运动并产生电流。
这些电流会在电路中形成感应电势和感应磁场，从而影响电路性能。
2. 等离子体与介质层作用当等离子体与介质层接触时，会发生界面反应和化学反应，从而改变介质层的性质。
这些改变可能会导致介质层失效或降低其性能。
三、数值模拟方法为了研究等离子体对电路的影响，可以采用数值模拟方法。
下面介绍几种常见的数值模拟方法。
1. 有限元法有限元法是一种基于微分方程求解的数值计算方法。
它将求解区域分割成有限个小区域，然后在每个小区域内近似求解微分方程。
通过将所有小区域的解组合起来，可以得到整个求解区域的解。
2. 有限差分法有限差分法是一种基于差分方程求解的数值计算方法。
它将求解区域离散化为网格，并在每个网格内近似求解差分方程。
通过迭代计算每个网格的近似解，可以得到整个求解区域的近似解。
3. 蒙特卡罗模拟法蒙特卡罗模拟法是一种基于随机抽样和统计学原理的数值计算方法。
它通过随机抽样生成等离子体中电荷粒子的运动轨迹，并统计这些轨迹对电路性能产生的影响。
四、数值模拟案例下面以等离子体对MOSFET管的影响为例，介绍数值模拟方法和结果。
1. 模型建立首先建立MOSFET管和等离子体之间的耦合模型，包括电路模型、介质层模型和等离子体模型。
2. 数值模拟采用有限元法对耦合模型进行数值模拟，得到MOSFET管在等离子体作用下的电流和电压分布情况。
结果显示，等离子体会导致MOSFET管内部电压分布不均匀，从而影响其性能。
3. 结果分析通过对数值模拟结果进行分析，可以发现等离子体会导致MOSFET管内部电场强度增大，从而加速载流子的漂移运动。
等离子体射流的数值模拟的开题报告
等离子体射流的数值模拟的开题报告一、选题背景等离子体射流是一种高速气体流动过程，常用于空气动力学实验和航空航天领域。
在航空航天领域，等离子体射流被广泛地应用于空气动力学实验和滑行辅助等方面。
在这些应用中，研究不同工况下等离子体射流性质的变化特别重要。
然而，等离子体射流的高速、高温、高能量特性，增加了其实验研究的困难度。
因此，使用数值模拟技术来模拟等离子体射流是一种方便、快捷且有效的方法。
二、研究内容本课题将利用数值模拟方法对等离子体射流进行研究，主要包括以下内容：1. 建立等离子体射流数学模型：建立等离子体射流的数学模型，考虑等离子体射流与各个物理量之间的相互作用。
2. 开发数值模拟方法：根据等离子体射流数学模型，设计数值模拟算法，用于模拟等离子体射流的运动和传热特性。
3. 进行数值模拟：使用开发的数值模拟方法对不同工况下的等离子体射流进行模拟，并研究其传热特性和流动特性的变化。
4. 数据分析和结果展示：分析模拟数据，研究等离子体射流特性的变化规律，并通过图表等方式对研究结果进行展示。
三、研究意义本研究的主要意义在于：1. 提高等离子体射流模拟技术：通过模拟研究，可以提高等离子体射流模拟技术，为实际应用提供基础研究和技术支撑。
2. 深入研究等离子体射流特性：通过模拟不同工况下等离子体射流的传热特性和流动特性，可以更深入地研究等离子体射流特性的变化规律。
3. 推动等离子体射流在实际应用中的推广：研究等离子体射流的传热特性和流动特性，可以推动等离子体射流在实际应用中的推广和应用。
四、研究方法本研究将采用数值模拟方法进行研究。
主要包括以下步骤：1. 建立等离子体射流的数学模型，包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和等离子体特性方程等。
2. 开发数值模拟算法，采用高分辨率的计算方法和剖分技术，将三维等离子体射流模型分为多个网格单元进行计算，获得等离子体射流的传热特性和流动特性等相关数据。
3. 进行数值模拟，模拟不同工况下等离子体射流的传热特性和流动特性，包括射流速度、温度梯度、压力分布等。
激光等离子体相互作用的数值模拟
图、 电子 速度分 布图的基础 上 ， 采用 ３ 图像 ， 维 分析 了激光 等离子 体相 互作 用时产生 的典型 物理现 象 。
１ 物 理 模 型
激光 入射等离子 体 区域模 型 如图 １ 示 。激 光 脉 冲从 所 模 拟 区域 的左边界 沿 ｚ轴方 向入 射 ， 首先 进入 真空 区 ， 当激 光 脉 冲稳定 后入射 等离子 体 区 。２维 计 算 区域 为 图 １中阴 影 的等离子 体 区域及 空 白的 真 空 区域 ， 等离 子 体 区域 由电 子 和 Ａｒ 离子组 成 ， 左边 界采 用高 斯激 光入 射边界 ， 右边 界 采 用理 想导体边 界 ， 上下 边界 采用 溢 出吸 收边界 。 激光 入射 等离子体 物理过 程 复杂 ， 响 因素众 多 ， 了 影 为 建 立适合 描述激 光 等离 子 体 相互 作 用 的数 学模 型 ， 如 下 作 假 设 ： 激光脉 冲沿边界 的空 间横 向剖 面 为高斯 型 ， 时间 ① 随 变化 为梯 形 ； 等离子体 区 内仅有 电子 和 离子 具 有初 始速 度 ； 为 了避 免 激光 在空 气 中传播 时 复 杂 的 电离 过 ② ③ 程 ， 设激光 在到达等 离子体 表 面前 首先 穿过真 空区域 ； 粒子 在 Ｙ方 向取 周期性 边界 条 件 ， 假 ④ 系统左 端 与 等离 子体 之间 的真 空区域 足够大 ， 允许 等离 子 体 自由膨胀 。
真空 中的 ３ 传 播 形 貌 。 由 ３维 密 度 分 布 图发 现 ： 光 产 生 的 巨 大 的 有 质 动 力 向两 侧推 动 粒 子 ， 成 等 离 子体 维 激 形
密 度通 道 ； 当激 光 脉 冲 入 射 等 离 子 体 区域 后 ， 向加 速 的 电子 速 度 峰 值 出现 在 电 流 峰 值处 。 纵 关 键 词 ： 激 光 等 离 子 体 ； 数 值 模 拟 ； 激 光 脉 冲 形貌 ； 脉 冲 宽 度
脉冲co2激光烧蚀锡靶等离子体的数值模拟研究
摘 要13.5 nm极紫外辐射被认为是最有前景的下一代半导体光刻光源，13.5 nm极紫外辐射产生于激光烧蚀锡等离子体，提高激光的转换效率、降低等离子体碎屑是光源的关键技术。
等离子体的电子温度、电子密度决定了其辐射特性，离子温度、离子密度决定了碎屑特性，因此研究激光烧蚀锡靶的具体过程具有非常重要的参考价值。
本文使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲激光照射期间，激光等离子体电子温度、电子密度、离子温度、离子密度、膨胀速度等参数的分布情况，讨论了靶材的种类、密度，激光脉冲的波长、能量、脉宽、拖尾等对等离子体辐射与碎屑特性的影响。
首先，介绍了辐射流体力学程序MULTI，随后模拟了脉冲CO2与Nd：YAG两种激光器烧蚀锡靶的具体过程，比较了两种等离子体的辐射与碎屑特性，发现靶材吸收激光的主要机制为逆韧致吸收，激光能量大部分沉淀在等离子体临界密度点附近，CO2与Nd：YAG激光器的临界电子密度分别约为1019 cm-3和1021 cm-3，因此Nd：YAG激光器形成了一种高温、高密等离子体，这加剧了极紫外再吸收与电子-离子复合过程，所以脉冲CO2激光器的转换效率与光谱纯度更高，更有利于极紫外辐射的产生。
由于脉冲CO2激光在激光等离子体极紫外光源应用上的优势，论文主要研究了脉冲CO2激光等离子体的特性，首先对脉冲CO2激光烧蚀锡靶与氙靶等离子体进行了模拟，发现氙等离子体电子温度更高，辐射中心波长更短。
再次，模拟了脉冲CO2激光烧蚀不同密度锡靶的过程，发现降低靶材初始密度不会改变激光的吸收机制与等离子体的主要参数，因此不会改变EUV辐射与碎屑特性。
最后，研究了CO2激光的功率密度、脉宽、拖尾等对锡等离子体特性的影响。
高功率CO2激光器能提高电子温度，从而提高极紫外辐射的强度，并且不降低辐射谱纯度；长脉宽CO2激光器能延长极紫外辐射时间，从而提高紫外辐射的强度，并且不降低转换效率。
虽然高功率、长脉宽的CO2激光器会增加碎屑的产量，但是碎屑可以通过电磁场、缓冲气体、降低靶材尺寸等方法有效除去，因此高功率、长脉宽的CO2激光器更有利于极紫外辐射，峰值功率的参考值为1010 W/cm2，脉宽的参考值为300 ns。
微波电子回旋共振等离子体数值模拟的开题报告
微波电子回旋共振等离子体数值模拟的开题报告1.研究背景与意义微波电子回旋共振（MECR）是一种重要的等离子体生成技术。
在诸如气体放电和等离子体加速器等领域中，MECR经常被用来产生高频电子和等离子体。
作为一种重要的非热等离子体体系，MECR已经被广泛应用于许多领域。
而对于复杂的实际问题，进行MECR等离子体的数值模拟是非常必要的。
完成MECR等离子体的数值模拟可以帮助我们更好地理解其物理过程，探索其许多未知性质，并促进MECR技术在更广泛的应用领域中的进一步发展，因此有着广阔的应用前景。
2.研究现状及不足目前，MECR等离子体的研究主要集中在实验方面，通过实验手段研究其物理过程和特性；但是在数值模拟方面，尤其是3D数值模拟方面，尚未有深入的研究。
因此，了解和探索MECR等离子体的数值模拟方法和技术具有重要的理论和实践意义。
3.研究内容和步骤本课题的主要研究内容为：(1) MECR等离子体数值模拟的基本理论和方法(2) 建立MECR等离子体数值模拟模型，包括电子动力学方程和Maxwell方程等模型，以及模型中需要关注的物理量。
(3) 使用COMSOL Multiphysics等数值模拟软件，对MECR等离子体进行数值模拟，探究MECR等离子体的动力学特性。
(4) 通过数值模拟，探究MECR等离子体中等离子体密度、电子温度、电场、磁场分布等特性，并分析这些参数对等离子体的稳定性和可控性的影响，为进一步优化MECR等离子体提供理论依据。
4.研究预期成果通过对MECR等离子体的数值模拟，我们可以模拟MECR等离子体中的复杂物理过程、优化等离子体的参数、提高等离子体的产生效率和稳定性。
这将有助于促进MECR技术更快地发展，进一步拓展其应用领域，为新型等离子体技术的研究提供理论基础。
等离子体物理学中的数值模拟方法研究
等离子体物理学中的数值模拟方法研究在现代科学研究中，计算机模拟方法越来越受到人们的关注，因为它能够模拟物理过程和解决实际问题，一些难以在实验室中进行的研究，比如等离子体物理学，数值模拟方法特别有价值。
等离子体物理学是研究等离子体力学和电磁学的学科，包括热力学，动力学，辐射和干扰等方面。
等离子体是一种高温和高密度的离子体，主要存在于星际空间，太阳和地球的等离子体层，核反应堆，核聚变装置中，因此等离子体物理在能源，材料科学，空间科学和核聚变等领域具有重要应用价值。
在等离子体物理学中，数值模拟方法可以模拟复杂的等离子体动力学行为和电磁现象，以及在实验室内不易观测和测量的等离子体过程。
此外，计算机模拟方法还可以为实验提供指导，预测实验结果等。
数值模拟方法在等离子体物理研究中被广泛应用。
数值模拟方法主要包括两种方法：一种是基于蒙特卡洛方法的粒子模拟，另一种是基于流体力学的连续介质模拟。
粒子模拟是一种确定性计算方法，通过模拟粒子的轨迹来预测等离子体的演变。
在粒子模拟中，等离子体被视为由大量粒子组成的离散系统。
这种方法适用于模拟稀薄等离子体，如星际等离子体，低密度（小于10的13次方/cm^3）的等离子体。
连续介质模拟是一种基于流体力学的数值模拟方法。
在这种模拟中，等离子体被视为连续的介质。
通过求解连续介质的运动和热力学方程来预测等离子体的行为。
这种方法适用于高密度（大于10的13次方/cm^3）的等离子体，如核聚变等离子体。
在数值模拟中，要建立一个合适的模型和计算方法，模型要考虑等离子体的性质，如等离子体的密度，温度，速度和化学反应等因素，以及等离子体的边界条件。
计算方法要选用适合的算法，求解模型的方程，计算边界条件。
目前，常用的数值模拟软件有PIC（粒子- 离子碰撞），MHD (磁流体力学)，DSMC（直接稀疏蒙特卡洛方法），FDTD （有限差分时间域）等。
这些软件使用的模型和算法不一样，所适用的场景也不一样。
COMSOLMultiphysics等离子体数值模拟
COMSOLMultiphysics等离子体数值模拟仿真智领创新Simulating inspires innovation中仿科技May 12COMSOL Multiphysics等离子体数值模拟安琳博士 Dr. Lynn An中仿科技创新汇系列专题研讨会?仿真智领创新Simulating inspires innovation内容提要关于中仿科技与COMSOL等离子体基本知识等离子体物理的数值模拟技术成功案例分享仿真智领创新Simulating inspires innovationWho are weFounded?in?Stockholm,?Sweden,?1986Gloabal?R&D?Center:USA,?Sweden,FinlandCOMSOLGlobalkick-o,2008仿真智领创新Simulating inspires innovationCnTech for China:中仿科技亚太总部:上海?分支机构:北京,武汉,深圳?仿真智领创新Simulating inspires innovationMul%physics?is?the?name?of?the?game,?while?PDEs?set?the?rules ?-? --Dr ?Svante?Li?marck,?CEO?of?COMSOL?IncCOMSOL Multiphysics v4.2a 仿真智领创新Simulating inspires innovation等离子体物质的第四态? 高度电离的气体电场粒子碰撞仿真智领创新Simulating inspires innovation等离子体分类? 粒子密度(个/m3)致密(电弧,1025)稀疏(星际,106)? 温度低温等离子体高温等离子体,仿真智领创新Simulating inspires innovation等离子体的分类? 热平衡等离子体电子的温度=粒子的温度电子温度?一般小于104K常压下的电弧放电、感应放电? 非热平衡等离子体电子的温度粒子的温度电子温度?一般在104K以上低压条件下的DC辉光放电、感应放电常压下的介质阻挡放电仿真智领创新Simulating inspires innovation高温与低温等离子体??高温等离子体温度为108?~109 K,完全电离的等离子体热平衡等离子体热核聚变、太阳和恒星发射的等离子体??低温等离子体热等离子体 thermal plasma? 稠密气压(大气压以上),温度103?~105 K? 短脉冲放电(电晕放电)、电弧滑动喷射式放电? 电弧、高频、燃烧等离子体冷等离子体? 电子温度103?~104 K,气体温度低? 电子与离子或者中性粒子的碰撞过程中几乎不损失能量? 稀薄气压辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电仿真智领创新Simulating inspires innovation描述等离子体的物理量? 密度电子密度离子密度中性粒子密度? 温度电子温度离子温度中性粒子温度(气体温度)1 eV = 11600 K仿真智领创新Simulating inspires innovation低温等离子体的产生和常见应用? 辉光放电? 电晕放电? 介质阻挡放电? 射频低温等离子体放电? 滑动电弧放电? 射流低温等离子体放电? 大气压或次大气压下的辉光放电仿真智领创新Simulating inspires innovation辉光放电? 辉光放电(Glow Discharge)工作压力?一般低于10 mbar封闭容器内两个平行电极板直流或交流电源气体放电颜色有规律维持低压,成本高实验室:化学等离子体实验灯光照明、半导体工业仿真智领创新Simulating inspires innovation电晕放电? 电晕放电(Corona Discharge) 气体介质在不均匀电场中的自持放电典型如:曲率半径很大的尖端电极有光亮,有“滋滋”声可以在大气压下发生,需要高电压高压高电场条件,易局部放电静电除尘、污水处理、空气净化大气电平衡(树木、避雷针)海洋表面溅射水滴电晕形成有机物仿真智领创新Simulating inspires innovation介质阻挡放电(DBD)? 介质阻挡放电(DBD) 无声放电或介质阻挡电晕绝缘介质插入放电空间通常在高气压下工作104 ?~ 106 Pa电源频率50 Hz ?~ 1 MHz极板间充有工作气体,电极被绝缘介质覆盖或绝缘颗粒悬浮填充在极板之间化学反应器高分子和金属薄膜及板材的表面改性和清洗仿真智领创新Simulating inspires innovation射频低温等离子体放电? 射频低温等离子体放电(Radio Frequency Plasma Discharge)高频电压使电极周围的空气电离有毒废物的清除和裂解线形放电或者喷射放电仿真智领创新Simulating inspires innovation滑动电弧放电? 滑动电弧放电(Glide Arc Discharge) 弧形电极,高压下中心击穿中等电压维系放电电流并向外膨胀灭弧后自动重新起弧,呈脉冲喷射如火焰?一般跳动但温度很低材料的表面处理有毒废物的清除和裂解低温等离子体炬仿真智领创新Simulating inspires innovation射流低温等离子体放电? 射流低温等离子体放电(Jet Discharge) 等离子体炬等离子中心温度数千度,属于热等离子体氩弧焊空气等离子体切割机等离子体喷涂仿真智领创新Simulating inspires innovation大气压下的辉光放电? 大气压下辉光放电(APGD)激励源频率在1 kHz以上双介质阻挡必须使用氦气获得比较均匀的雾状放电? 次大气压下辉光放电(HAPGD)表面聚合、表面接枝金属渗氮冶金表面催化、化学合成各种粉、粒、片材料的表面改性和纺织品的表面处理。
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第１９卷第１２期２００７年１２月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖ０１．１９。
Ｎｏ．１２
Ｄｅｃ．。
２００７
文章编号：ｌＯＯｌ一４３２２（２００７）１２—２０３９一０４
激光等离子体相互作用的数值模拟‘
张海鸥１，王琨２，王桂兰２
（１．华中科技大学数字装备制造与技术国家重点实验室，武汉４３００７４；
２．华中科技大学塑性成形模拟与模具国家重点实验室，武汉４３００７４）
摘要：基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型，采用Ｐ１Ｃ方法分别研究了Ｐ极化和Ｓ极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象。
模拟了激光脉冲在
真空中的３维传播形貌。
由３维密度分布图发现：激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子，形成等离子体
密度通道；当激光脉冲入射等离子体区域后，纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处。
关键词：激光等离子体；数值模拟；激光脉冲形貌；脉冲宽度
中图分类号：ＴＮ２４８．７；０２４２．１文献标识码：Ａ
激光等离子体相互作用物理是随着激光技术、激光聚变以及激光与等离子体相互作用研究的刺激而发展起来的新兴学科［１］。
由于相对论激光等离子体相互作用过程具有强的非线性，波一粒子相互作用复杂且难以测试，解析求解十分困难，因此粒子模拟成为了其重要的研究手段之一［２］。
在等离子体数值模拟方面和Ｅ１ｄｒｉｄｇｅ等人［３３创立了一种在微型计算机上易于实现的粒子模拟方法，Ｓ．Ｍａｈａｌｉｎｇａｍ等［４１采用此方法模拟了离子引擎内的放电腔内的
２０４２强激光与粒子柬第１９卷
３结论
本文通过对激光等离子体相互作用的数值模拟，研究了Ｐ极化，Ｓ极化强激光入射稠密等离子体的典型物理过程以及脉冲变化情况。
结果表明当激光脉冲入射等离子体区域后，纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处，这是激光与等离子体相互作用后进人等离子体中的激光波长会变长的物理现象以及局域振荡电子加热机制基本吻合。
Ｐ极化和Ｓ极化激光分别与等离子体相互作用的电子在纵向速度峰值的出现位置相同，但ｓ极化激光产生了成丝效应、空泡等不同现象。
参考文献：
［１］ＹｉｎＹ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｐａｒｔｉｃｌｅ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａ－ｓｈｏｒｔｕｌｔｒａ—ｉｎｔｅｎｓｅｌａｓｅｒｐｕｌｓｅｓｗｉｔｈ－ｏｖｅｒｄｅｎｓｅｐｌａｓｍａ［Ｄ］．ｃｈａｎｇｓｈａ：ＮａｔｉｏｎａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎ０１０９ｙ，２００３：３—４．
［２］曹莉华，常铁强，常文蔚，等．超强激光等离子体中Ｊ×口加热的２维粒子模拟［Ｊ］．强激光与粒子束，１９９８，ｌｏ（１）；８０一８３．（ｃａｏＬＨ，ＣｈａｎｇＴＱ，ＣｈａｎｇＷＷ，ｅｔａ１．ＰａｒｔｉｃｌｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＪ×ＢｈｅａｔｉｎｇｉｎｐｌａｓｍａｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙａｎｕＩｔｒａｐｏｗｅｒｆｕｌｌａｓｅｒｐｕｌｓｅ．Ｈｉｇ＾ＰｏｔｗｒＬｎｓＰｒ口”ｄＰ口竹站比Ｂ阳仇ｓ，１９９８，１０（１）：８０一８３）
［３］ＥｌｄｒｉｄｇｅＯＣ，ＦｅｊｘＭ．Ｏｎｅ＿ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｐｌａｓｍａｍｏｄｅｌａｔｔｂｅ珊ｏｄｙｎａｍｉｃｅｑｕⅢｂｒｉｕｍ口］．Ｐ五ｙｊｊｆ５∥Ｒ“ｆ出，１９６３，５（９）；１０７６．
［４］ＭａｈａｌｉｎｇａｍＳ，ＭｅｎａｒｔＪＡ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｔｒａｃｋｉｎｇｐｒｉｍａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，ｓｅｃｏｎｄａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｓ，ａｎｄｉｏｎｓｉｎｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｈａｍｂｅｒｏｆａｎｉｏｎｅｎｇｉｎｅ［ｃ］／／４１３‘ＡＩＡＡ．２００５．
［５］陆全明，钟方川，徐至展，等．超短超强激光和稠密等离子体相互作用的数值研究［Ｊ］．光学学报，１９９８，１８（１０）：１３５９—１３６１．（ＬｕＱＭ，ｚｈｏｎｇＦＣ，ｘｕｚｚ，ｅｔａ１．Ａｎｕｍｅ“ｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｈｉｇｈ—ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒａｎｄｏＶｅｒｄｅｎｓｅｐｌａｓｍａ．Ａｃ抛（功￡ｉｃｎｓ抽ｉ—ｃ口，１９９８，１８（１０）：１３５９—１３６１）
［６］ｘｕＨ，ｃｈａｎｇｗｗ，ＺｈｕｏＨＢ，ｅｔａ１．Ｐａｒａｌｌｅｌｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｏｆ２（１／２）一ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＰ１Ｃｕｎｄｅｒｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ出ｍｅｔｈｏｄｐａｒａｌｌｅｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ［Ｊ］．Ｃ＾ｉ竹Ｐ卵Ｊｏ“Ｍ“ｏ，ＣＤｍｐ“缸￡ｉｏ月以Ｐ＾ｙｓｉｃｓ，２００２，１９（４）：４７—５１．
［７］ＵｍｅｄａＴ，ＯｍｕｒａＹ，ＴｏｍｉｎａｇａＴ，ｅｔａ１．Ａｎｅｗｃｈａｒｇｅｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｎｄｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒｔｉｃｌｅ＿ｉｎ—ｃｅｌｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ｃＤ仇ｐ“￡ＰｒＰ＾，ｓｉｃｓＣｏ，雄，＂“柙ｉｃ口ｆｉｏ卵ｓ，２００３，ｌＳ６（１）：７３—８５．
［８］ｚｅｐｆＭ，ＣａｓｔｒｏＣＭ，ＣｈａｍｂｅｒｓＤ，ｅｔａ１．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｈｏｌｅｂｏｒｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙｆｒｏｍｄｏｐｐｌｅｒｓｈｉｆｔｅｄｈａｒｍｏｎｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｆｒｏｍｓｏｌｉｄｔａｒｇｅｔｓ［刀．Ｐ＾ｙｓＰ缸ｓｍ口５，１９９６，３（９）ｌ３３４２．
［９］ＹｏｕｎｇＰＥ，Ｆ００ｒｄＭＥ，ＨｏｒｍｍｅｒＪＨ，ｅｔａ１．Ｔｉｍｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｈａｎｎｅｌｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎａｌａ８ｅｒ＿ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａ［Ｊ］．Ｐ＾ｙｓＲＰ口ＬＰ越，１９９５，７５（６）：１０８３．
［１０］马燕云，常文蔚，银燕，等．超强激光钻孔机制的粒子模拟研究［Ｊ］．强激光与粒子束，２０００，１２（５）：５８９—５９３．（ＭａＹＹ，ｃｈａｎｇｗｗ，ＹｉｎＹ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｐａｒｔｉｄｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆ１ａｓｅｒｂｏｒｉｎｇｉｎｏｖｅｒｄｅｎｓｅｐｌａｓｍａ．Ｈｉｇ＾Ｐｏｔ‘懈ｒＬ口ｓｅｒ口”ｄＰ口竹ｉｃ如ＢＰｎｍｓ，２０００，１２（５）：５８９—５９３）
［１１］马燕云，常文蔚，黄卫，等．激光等离相互作用的局域振荡电子加热机制口］．强激光与粒子束，２００５，１７（１）：８３—８７．（ＭａＹＹ，ＣｈａｎｇｗＷ，ＨｕａｎｇＷ，ｅｔａ１．Ｌｏｃａｌｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｈｅａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｄｕｒｉｎｇｌａｓｅｒｐｌａｓｍａｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｈｉｇ＾Ｐｏ伽ｒＬｎｓＰｒ４打ｄＰｎ仃纠ＰＢ∞ｍｓ，Ｚ００５，１７（１）：８３—８７）
ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｐｌａｓｍａｉｎｔｅｒａｃｔｉＯｎ
ＺＨＡＮＧＨａｉ－ｏｕｌ，ＷＡＮＧＫｕｎ２，ＷＡＮＧＧｕｉ－ｌａｎ２
（１．Ｓ￡口￡８Ｋ８ｙＬｎ６Ｄｒ口￡ｏｒｙｏ，Ｄｉｇｉ￡口ＺＭ口，ｌ础．厂ｎｃ￡“ｒｉ行ｇＥ白“ｉｐ，ｎｅ行￡口竹ｄＴ＿ｃ＾行ＤＺＤｇｙ，Ｈ“ｎ２＾ｏ咒ｇＬｋｉ℃世ｒｓｎ３，ｏ，
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２．Ｓ￡口ｆＰＫＰｙＬｎ６曰，－口ｔｏｒｙｏ，Ｐｚ口５￡ｉｃ．ｆ砀门＂ｉ行ｇＳｉ，ｎ“Ｚ口ｆｉＤ，ｚＤ，ＳｃｉＰ，２ｃＰｎ咒ｄ：ｎｃ＾恕ｏｚｏｇｙ，
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Ｋ￡ｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｐｌａｓｍａｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；３Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｌａｓｅｒｐｕｌｓｅａｐｐｅａｒａｎｃｅ；Ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ。