VSim 專業電磁粒子仿真軟件


-- 激光等離子體相互作用

VSim程序可以模擬超快超強激光與等離子體的相互作用,包括激光驅動等離子體加速帶電粒子,超強激光在等離子體通道中的傳播,超快超強激光和靶麵的相互作用等。這可以用於激光加速器,慣性約束聚變中的快點火研究。VSim對激光尾場加速的仿真結果作為2004年9月Nature雜誌封麵。


1. VSim與快點火模擬

快點火過程中,點火光束需要穿過毫米長度的閾下等離子體進入相對冷和稠密的燃料內核。其中涉及到等離子體通道的形成,點火光束在等離子體通道中的傳播以及熱電子向燃料內核的傳輸。這三方麵的研究都需要使用Particle-in-Cell方法進行可靠的模擬。


    針對快點火和聚變相關過程,VSim提供了一些專門特性:
    1) 由於模擬的尺寸相當大,需要非常大的計算量(約一萬網格/維度),因此模擬程序必須支持大規模並行。VSim支持在cluster和MPI計算機上進行高達104進程的高效率並行處理。
    2) 閾下等離子體層的密度變化幅度很大,相應地產生了很大的計算噪聲和計算中的網格加熱;網格加熱是正統PIC方法的核心困難之一,即在網格寬度大於德拜長度時,等離子體能量會出現虛假的增加。VSim使用高階的粒子電荷-電流插值方法,可以大大降低網格加熱的影響,減慢網格加熱的發展。從圖中看到,使用5階以上的粒子插值,網格加熱過程被強烈地抑製。
    3) 冷燃料核心的嚴格PIC建模需要極其稠密的網格和大量的碰撞計算,特別是庫侖碰撞的計算量過於龐大,幾乎不可能用標準的PIC/MC方法完成。一個變通的解決方案是隻對熱等離子體部分(無碰撞,n~nc)進行完整的PIC建模,而對冷燃料核心則作為簡單的電子製動靶來建模。VSim允許對粒子使用唯像的阻尼力,於是冷燃料核心可以作為一個阻尼層,而熱電子在熱等離子體部分的輸運可以嚴格建模。此外,VSim允許對場電離(H,D)和碰撞電離(Z=1-100的原子)的碰撞電離,用於研究快速電子誘導的電離。
    

2. VSim與LPA

激光等離子體加速器的模擬研究大量地應用PIC模擬技術。其中,激光尾場加速過程中,相對論激光在稀薄等離子體中傳播厘米甚至米量級的長度,對此問題需要進行相對論全電磁三維PIC模擬,由於涉及到的計算量非常龐大,對模擬軟件的性能和建模方法都提出了苛刻的要求。強激光和固體靶作用加速離子的研究尺寸雖然較小,但因為等離子體密度很高,同樣需要模擬軟件的特殊設計。國內外科研機構大量采用VSim軟件用於激光等離子體加速研究。

VORPAL仿真結果作為2004年9月Nature雜誌封麵
    VSim results showing the plasma density variation from a laser pulse guided by a preformed density channel. These results match experiment and show the high-quality electron bunch formed when the acceleration length is matched to the dephasing length.

大規模並行:

VSim使用標準的時域FDTD方法對電磁場建模,支持在集群上的大規模並行,在典型應用中可以支持104以上處理器的並行並且仍能獲得很高的並行效率。

高階粒子插值:

在進行長時間和較高密度的等離子體模擬時,數值自加熱是影響結果可靠性的重要因素。VSim引入高階粒子插值過程,可以有效地抑製模擬中的數值自加熱。這一方法對於LWFA和激光-固體靶作用都具有很好的效果。

包絡(Envelope)近似:

VSim支持激光的包絡近似模型,即在模擬中忽略激光的快速振蕩過程,隻研究包絡行為。粒子被設定為響應等離子體自生的慢變電磁場以及激光的有質動力。由於不需要分辨激光的波長和周期,這一模型可以成量級地降低模擬所需要的計算量,同時仍能對激光的傳播,演化及等離子體中粒子的俘獲、加速過程正確建模。

相對論電磁流體模型:

VSim支持相對論電磁流體模型。這一模型可以作為PIC模擬的補充來對背景電子建模。在激光尾場加速過程中,背景電子能量遠遠低於加速電子,可以作為冷電磁流體進行模擬。這種電磁流體模擬能夠有效地用於大的密度梯度(包括真空-等離子體界麵)的場合,消除PIC模擬的固有噪聲。


VSim全波PIC模型,包絡模型以及電磁流體模型對尾場的建模

    電離模型:

     在某些激光加速和激光等離子體相互作用過程中,電離過程具有重要的物理影響。VSim包含了Z=1-100的原子的碰撞電離和氫、氦、堿金屬原子的場電離(隧道電離)模型。


3. VSim典型應用案例

3.1 數值模擬研究空泡加速中的betatron振蕩

    在空泡加速中存在束流的不對稱性,包括betatron振蕩和束流截麵的不對稱。利用Particle-In-Cell模擬,發現這種束流不對稱振蕩的原因是它在加速中和驅動激光尾部直接接觸的原因。研究中使用了VSim的2維和3維相對論電磁模擬(PRL 100, 095002(2008)):


VSim對加速空泡內電子行為的模擬


3.2 利用VSim研究自引導激光通道中的加速

     利用激光的自引導通道,實現了穩定的200Mev以上能量的加速電子注形成。VSim的三維PIC模擬結果用於和實驗比較。(Nature photonics, 2, 571)


VSim對實驗過程的三維PIC模擬


3.3 模擬帶孔靶上的離子加速過程
    VSim數值模擬表明,通過在薄膜固體靶上開孔,可以提高加速質子的能量。在這個案例中,VSim用於對高密度等離子體進行模擬:(PHYSICS OF PLASMAS 16, 073106)

VSim模擬帶孔固體靶的示意圖和結果


3.4 強激光和固體靶相互作用的研究案例
    利用極高強度的短脈衝激光照射薄靶可以獲得加速質子或者更重的離子。這一過程涉及到激光和密度很高的等離子體相互作用的過程。在這個研究中,利用附加水平貼片的雙層靶,大大提高了激光能量的轉換效率和質子被加速到的能量(~200Mev)。 這個研究案例使用了VSim描述複雜結構靶和組分分布的能力。(PHYSICS OF PLASMAS 16, 093112)


激光照射後離子的分布,左側為附加貼片的雙層靶,右側為傳統的雙層靶

離子能量峰值的演化和最終能譜


3.5 激光和閾上等離子體之間的相互作用模擬

    激光和靶相互作用中,和加熱過程相關的主要是從暈密度到大約10^21/cm3(閾上)密度這一段。在等離子體溫度為幾十電子伏的條件下,需要是使用非常密的網格(空間網格若幹個納米,時間步長10^{-18}秒。在這一條件下,經過大約10^5到10^6時間步的模擬,可以了解許多重要的相互作用物理機製。下麵的一個模擬給出了激光和閾上密度等離子體作用時快離子和波的形成過程,在此過程中,a=0.3-1.2的激光被投射到1.5微米厚度的閾上等離子體(密度10^21/cm3,溫度90ev)中[AIP Conf. Proc. 737, 621(2004)]。


激光輻照0.6ps和1.95ps後的離子密度分布,壓縮波開始向等離子體內部傳遞

輻照過程中產生的橫向電場分布及其功率譜,a=0.6-1.2


3.6 超強激光和凹形靶作用的模擬
    利用專門設計的凹形靶可以聚焦在激光-固體靶相互作用中產生的離子束,獲得流強和準直性更好的離子束。下麵的模擬顯示了一個背麵設置凹槽的靶和激光作用產生離子束的過程[Laser & Particle Beams, 28,351(2010)]


靶的形狀和結構,靶被設置為10nc密度的等離子體,激光波長為1微米
和激光作用90λ/c後,離子的密度分布,從圖中可以看到聚焦離子束的產生(左)和縱向電場分布(右)


3.7 多束激光加速大電量電子束

     增加平行的激光脈衝來增加空泡,可以線性增加電子束的電量,對總的激光脈衝的束數沒有限製,用這種方法加速的電子的電量可以無限增多。


3.8 利用空泡加速機製獲得GeV質子

    VSim設置多群粒子的能力有利於深入的研究分析。


3.9 空泡內殘留電子對電磁場的修正

    超短超強激光脈衝與稀薄等離子體氣體相互作用激發的空泡內部未排空電子對空泡內部場和空泡形狀的影響。仿真發現進入空泡後的電子削弱了空泡橫向場,減小了空泡形狀的縱橫比。而空泡內部縱向場幾乎不變,因為空泡變短導致的增強和未排空電子的削弱兩個效應幾乎相互抵消。(PHYSICS OF PLASMAS 17, 113103(2010))


3.10 自聚焦和調製仿真

    自聚焦和自調製是超強激光傳播中的主要問題。一般在激光強度達到相對論區(a>=0.1)之後,有質動力自聚焦會成為激光傳播的主要控製因素。
    有質動力自聚焦是由於激光的有質動力在橫向排開等離子體,形成了等離子體密度中間高周圍低的橫向分布。這個分布對激光進行折射,使得激光傳播中逐步聚焦再散焦的過程。
    在激光傳播一段時間後,開始使用移動窗口技術,在這之後激光會保持在計算窗口的中部。可以看到激光引起的等離子體密度波動。下麵的圖形顯示了超強激光在等離子體中傳播發生的自聚焦-散焦以及自調製-水龍狀不穩定性行為。更詳細的模擬可以通過引入更接近實驗數據的參數和更多的模擬粒子來完成。

 

 

1.VSim軟件簡介
3.微波源與微波器件研究
4.高電壓放電與脈衝功率設備
5.加速器應用
6.放電等離子體與材料處理
7.航天與空間等離子體研究
8.複雜介質中的電磁波
9.雷達與天線設計
10.多物理場仿真