VSim 专业电磁粒子仿真软件


-- 激光等离子体相互作用

VSim程序可以模拟超快超强激光与等离子体的相互作用,包括激光驱动等离子体加速带电粒子,超强激光在等离子体通道中的传播,超快超强激光和靶面的相互作用等。这可以用于激光加速器,惯性约束聚变中的快点火研究。VSim对激光尾场加速的仿真结果作为2004年9月Nature杂志封面。


1. VSim与快点火模拟

快点火过程中,点火光束需要穿过毫米长度的阈下等离子体进入相对冷和稠密的燃料内核。其中涉及到等离子体通道的形成,点火光束在等离子体通道中的传播以及热电子向燃料内核的传输。这三方面的研究都需要使用Particle-in-Cell方法进行可靠的模拟。


    针对快点火和聚变相关过程,VSim提供了一些专门特性:
    1) 由于模拟的尺寸相当大,需要非常大的计算量(约一万网格/维度),因此模拟程序必须支持大规模并行。VSim支持在cluster和MPI计算机上进行高达104进程的高效率并行处理。
    2) 阈下等离子体层的密度变化幅度很大,相应地产生了很大的计算噪声和计算中的网格加热;网格加热是正统PIC方法的核心困难之一,即在网格宽度大于德拜长度时,等离子体能量会出现虚假的增加。VSim使用高阶的粒子电荷-电流插值方法,可以大大降低网格加热的影响,减慢网格加热的发展。从图中看到,使用5阶以上的粒子插值,网格加热过程被强烈地抑制。
    3) 冷燃料核心的严格PIC建模需要极其稠密的网格和大量的碰撞计算,特别是库仑碰撞的计算量过于庞大,几乎不可能用标准的PIC/MC方法完成。一个变通的解决方案是只对热等离子体部分(无碰撞,n~nc)进行完整的PIC建模,而对冷燃料核心则作为简单的电子制动靶来建模。VSim允许对粒子使用唯像的阻尼力,于是冷燃料核心可以作为一个阻尼层,而热电子在热等离子体部分的输运可以严格建模。此外,VSim允许对场电离(H,D)和碰撞电离(Z=1-100的原子)的碰撞电离,用于研究快速电子诱导的电离。
    

2. VSim与LPA

激光等离子体加速器的模拟研究大量地应用PIC模拟技术。其中,激光尾场加速过程中,相对论激光在稀薄等离子体中传播厘米甚至米量级的长度,对此问题需要进行相对论全电磁三维PIC模拟,由于涉及到的计算量非常庞大,对模拟软件的性能和建模方法都提出了苛刻的要求。强激光和固体靶作用加速离子的研究尺寸虽然较小,但因为等离子体密度很高,同样需要模拟软件的特殊设计。国内外科研机构大量采用VSim软件用于激光等离子体加速研究。

VORPAL仿真结果作为2004年9月Nature杂志封面
    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.

大规模并行:

VSim使用标准的时域FDTD方法对电磁场建模,支持在集群上的大规模并行,在典型应用中可以支持104以上处理器的并行并且仍能获得很高的并行效率。

高阶粒子插值:

在进行长时间和较高密度的等离子体模拟时,数值自加热是影响结果可靠性的重要因素。VSim引入高阶粒子插值过程,可以有效地抑制模拟中的数值自加热。这一方法对于LWFA和激光-固体靶作用都具有很好的效果。

包络(Envelope)近似:

VSim支持激光的包络近似模型,即在模拟中忽略激光的快速振荡过程,只研究包络行为。粒子被设定为响应等离子体自生的慢变电磁场以及激光的有质动力。由于不需要分辨激光的波长和周期,这一模型可以成量级地降低模拟所需要的计算量,同时仍能对激光的传播,演化及等离子体中粒子的俘获、加速过程正确建模。

相对论电磁流体模型:

VSim支持相对论电磁流体模型。这一模型可以作为PIC模拟的补充来对背景电子建模。在激光尾场加速过程中,背景电子能量远远低于加速电子,可以作为冷电磁流体进行模拟。这种电磁流体模拟能够有效地用于大的密度梯度(包括真空-等离子体界面)的场合,消除PIC模拟的固有噪声。


VSim全波PIC模型,包络模型以及电磁流体模型对尾场的建模

    电离模型:

     在某些激光加速和激光等离子体相互作用过程中,电离过程具有重要的物理影响。VSim包含了Z=1-100的原子的碰撞电离和氢、氦、碱金属原子的场电离(隧道电离)模型。


3. VSim典型应用案例

3.1 数值模拟研究空泡加速中的betatron振荡

    在空泡加速中存在束流的不对称性,包括betatron振荡和束流截面的不对称。利用Particle-In-Cell模拟,发现这种束流不对称振荡的原因是它在加速中和驱动激光尾部直接接触的原因。研究中使用了VSim的2维和3维相对论电磁模拟(PRL 100, 095002(2008)):


VSim对加速空泡内电子行为的模拟


3.2 利用VSim研究自引导激光通道中的加速

     利用激光的自引导通道,实现了稳定的200Mev以上能量的加速电子注形成。VSim的三维PIC模拟结果用于和实验比较。(Nature photonics, 2, 571)


VSim对实验过程的三维PIC模拟


3.3 模拟带孔靶上的离子加速过程
    VSim数值模拟表明,通过在薄膜固体靶上开孔,可以提高加速质子的能量。在这个案例中,VSim用于对高密度等离子体进行模拟:(PHYSICS OF PLASMAS 16, 073106)

VSim模拟带孔固体靶的示意图和结果


3.4 强激光和固体靶相互作用的研究案例
    利用极高强度的短脉冲激光照射薄靶可以获得加速质子或者更重的离子。这一过程涉及到激光和密度很高的等离子体相互作用的过程。在这个研究中,利用附加水平贴片的双层靶,大大提高了激光能量的转换效率和质子被加速到的能量(~200Mev)。 这个研究案例使用了VSim描述复杂结构靶和组分分布的能力。(PHYSICS OF PLASMAS 16, 093112)


激光照射后离子的分布,左侧为附加贴片的双层靶,右侧为传统的双层靶

离子能量峰值的演化和最终能谱


3.5 激光和阈上等离子体之间的相互作用模拟

    激光和靶相互作用中,和加热过程相关的主要是从晕密度到大约10^21/cm3(阈上)密度这一段。在等离子体温度为几十电子伏的条件下,需要是使用非常密的网格(空间网格若干个纳米,时间步长10^{-18}秒。在这一条件下,经过大约10^5到10^6时间步的模拟,可以了解许多重要的相互作用物理机制。下面的一个模拟给出了激光和阈上密度等离子体作用时快离子和波的形成过程,在此过程中,a=0.3-1.2的激光被投射到1.5微米厚度的阈上等离子体(密度10^21/cm3,温度90ev)中[AIP Conf. Proc. 737, 621(2004)]。


激光辐照0.6ps和1.95ps后的离子密度分布,压缩波开始向等离子体内部传递

辐照过程中产生的横向电场分布及其功率谱,a=0.6-1.2


3.6 超强激光和凹形靶作用的模拟
    利用专门设计的凹形靶可以聚焦在激光-固体靶相互作用中产生的离子束,获得流强和准直性更好的离子束。下面的模拟显示了一个背面设置凹槽的靶和激光作用产生离子束的过程[Laser & Particle Beams, 28,351(2010)]


靶的形状和结构,靶被设置为10nc密度的等离子体,激光波长为1微米
和激光作用90λ/c后,离子的密度分布,从图中可以看到聚焦离子束的产生(左)和纵向电场分布(右)


3.7 多束激光加速大电量电子束

     增加平行的激光脉冲来增加空泡,可以线性增加电子束的电量,对总的激光脉冲的束数没有限制,用这种方法加速的电子的电量可以无限增多。


3.8 利用空泡加速机制获得GeV质子

    VSim设置多群粒子的能力有利于深入的研究分析。


3.9 空泡内残留电子对电磁场的修正

    超短超强激光脉冲与稀薄等离子体气体相互作用激发的空泡内部未排空电子对空泡内部场和空泡形状的影响。仿真发现进入空泡后的电子削弱了空泡横向场,减小了空泡形状的纵横比。而空泡内部纵向场几乎不变,因为空泡变短导致的增强和未排空电子的削弱两个效应几乎相互抵消。(PHYSICS OF PLASMAS 17, 113103(2010))


3.10 自聚焦和调制仿真

    自聚焦和自调制是超强激光传播中的主要问题。一般在激光强度达到相对论区(a>=0.1)之后,有质动力自聚焦会成为激光传播的主要控制因素。
    有质动力自聚焦是由于激光的有质动力在横向排开等离子体,形成了等离子体密度中间高周围低的横向分布。这个分布对激光进行折射,使得激光传播中逐步聚焦再散焦的过程。
    在激光传播一段时间后,开始使用移动窗口技术,在这之后激光会保持在计算窗口的中部。可以看到激光引起的等离子体密度波动。下面的图形显示了超强激光在等离子体中传播发生的自聚焦-散焦以及自调制-水龙状不稳定性行为。更详细的模拟可以通过引入更接近实验数据的参数和更多的模拟粒子来完成。

 

 

1.VSim软件简介
3.微波源与微波器件研究
4.高电压放电与脉冲功率设备
5.加速器应用
6.放电等离子体与材料处理
7.航天与空间等离子体研究
8.复杂介质中的电磁波
9.雷达与天线设计
10.多物理场仿真