质子束与固体靶相互作用的粒子/量子流体力学模拟研究

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强流质子束与固体靶相互作用是产生温稠密等离子体的手段之一。该过程的研究不仅是重要的基础物理问题之一，也有助于质子束辅助快点火、离子束驱动惯性约束聚变以及天体物理等过程的理解。人们特别感兴趣的基础物理问题是质子束在固体靶中产生的尾流场分布和能量损失的描述与测量，以及产生温稠密物质的性质和过程。本文主要研究质子束与固体靶相互作用过程中，不同密度、速度的质子束在靶材中的传输过程，靶电子的集体激发过程以及尾流场分布。
　　质子束可以以等容加热的方式将常温的固体靶加热到温稠密状态，此状态是介于强耦合的量子凝聚态和弱耦合的经典等离子体之间的一个体系，即不能完全采用通常的凝聚态理论描述，也不能完全采用经典等离子体理论描述。固体铝靶中自由电子气密度高、温度低，存在一定程度的简并，必须考虑量子效应，且大量粒子自由度被激发，常常表现出很明显的非线性效应以及极强的集体效应。此前已经发表的理论研究中，质子束与铝靶中的电子气都被视为量子流体。虽然量子流体力学模型对于电子气是较好的描述方法，但并不适用于质子束，经典的粒子模型更适合描述质子束，本研究采用粒子–量子流体力学耦合模型对此过程进行进一步研究。
　　第一章先简单介绍了质子束与固体靶相互作用的研究背景和意义，以及目前的研究现状，并阐述了束靶相互作用涉及到的主要物理问题，最后给出本文的研究内容及编排。
　　第二章详细阐述粒子–量子流体力学(Particle-in-cell/ Quantum Hydrodynamics,PIC-QHD)耦合模型，分别推导了量子流体力学模型(Quantum Hydrodynamics,QHD)、粒子模型(Particle-in-cell,PIC)的基本方程及其各自的数值求解方法。非线性量子流体力学方程组是由通量传输修正格式(Flux-correction-transport，FCT)数值求解，描述质子束的PIC方法选用一维静电显格式。最后给出本文的物理模型以及数值计算方法，即一维非线性PIC-QHD模型。
　　第三章为验证首次使用PIC-QHD模型描述束靶相互作用的可靠性以及优越性，给出QHD流体方法与PIC粒子方法分别描述质子束密度、铝靶电子密度及电场的对比结果。表明PIC粒子方法与QHD流体方法显示出定性上十分接近的结果，由于QHD流体方法已经经过解析模型和实验的验证，因此证明PIC方法是能可靠描述质子束的。其次，PIC能给出QHD无法给出的效应：随着时间的增加，当在表面附近质子束积累到一定程度之后，由于空间电荷排斥，质子束将无法再进入靶中等，这些体现了PIC-QHD耦合模型的优越性。
　　第四章采用一维非线性PIC-QHD耦合模型研究了不同束密度、速度(能量)、靶电子密度下，质子束与固体铝靶相互作用的过程，给出了质子束密度和靶电子密度的扰动，以及尾流场的分布受上述参数的影响。模拟结果说明，由于扰动场的影响，连续入射的质子束会逐渐分裂为多个空间上连续的脉冲，靶电子的密度和尾流场随着入射束密度增大而增大，随着速度增大而减小。通过对比有无量子效应的结果可以说明，量子效应在此过程中是不能忽略的重要因素，量子效应的存在会减小扰动的幅度，扰动场的空间分布与经典情形也有较大区别。

著录项

作者
李莲;
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作者单位

华中科技大学;

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授予单位华中科技大学;
学科等离子体物理
授予学位硕士
导师姓名姜巍;
年度 2015
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类等离子体物理学;
关键词
质子束; 固体靶; 相互作用; 流体力学; 温稠密等离子体;

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