强激光-靶作用激励电磁脉冲粒子模拟研究

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在高功率激光打靶过程会产生强电磁脉冲(electromagnetic pulse,EMP)。EMP的电场强度可能达几百kV/m,频率范围很宽,从低频到GHz范围,会对激光装置中的测试设备和信号带来严重干扰,甚至能引起数据丢失和设备损坏。随着激光装置(SG-III,,NIF,LMJ/PETAL等)的发展和功率的提升,EMP带来的问题将更加严峻。研究认为激光打靶产生的、并逃出靶的超热电子是电磁脉冲的主要来源。EMP的产生涉及到许多复杂的物理机制,目前仍没有明确的物理解释,它既可能来源于逃逸电子在空间运动辐射,也可能与电子出射引起的靶支架中和电流有关本文研究了高功率激光打靶产生超热电子并激发电磁脉冲的过程。利用粒子模拟方法(particl-in-cell,PIC)和时域有限差分方法(finite domain time domain,FDTD)进行数值仿真。详细介绍了PIC方法,包括电磁场计算,粒子推动和带电粒子与场耦合三部分,其中电磁场计算采用FDTD方法求解。同时引入时偏FDTD方法,有效地解决了高频数值噪声的问题。激光打靶激励EMP的过程,时间尺度从fs量级到ns级,空间尺度从um量级到m量级,全过程模拟是难以实现的。本文研究了激光打靶产生逃逸电子进而激励电磁脉冲的过程,考虑其中主要的物理现象,将整个过程分为三个阶段进行分析和模拟。首先激光入射,激光等离子体作用产生超热电子,开发了二维粒子模拟程序LPIC-2D进行计算;其次,超热电子产生后,少部分能量足够高的电子能够逃脱靶表面电势,向真空靶室中运动,我们称之为逃逸电子,采用Poye物理模型计算得到逃逸电荷量;最后,逃逸电子在真空靶室中运动,并撞击靶室壁,激励强电磁脉冲,开发了二维粒子模拟程序EMPIC-2D进行仿真计算。本文实现了激光打靶产生电磁脉冲的全过程模拟计算,并研究了激光打靶不同物理条件对产生EMP的影响,为激光装置内的电磁防护提供了依据和支撑技术。
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