Interakce laserového impulsu s plazmatem v souvislosti s inerciální fúzí zapálenou rázovou vlnou

Transkript

1 Interakce laserového impulsu s plazmatem v souvislosti s inerciální fúzí zapálenou rázovou vlnou Autor práce: Petr Valenta Vedoucí práce: Ing. Ondřej Klimo, Ph.D. Konzultanti: prof. Ing. Jiří Limpouch, CSc., Ing. Milan Holec, Dr. Stefan Weber České vysoké učení technické v Praze Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská Katedra fyzikální elektroniky 6. září 214

2 Zadání bakalářské práce Obsah prezentace 1 Zadání bakalářské práce 2 Dosažené výsledky 3 Otázky 4 Inerciální fúze 5 Numerické simulace 2 / 24

3 Zadání bakalářské práce Pokyny k vypracování 1 Prostudujte teorii interakce laserového záření s plazmatem. Zaměřte se na srážkovou absorpci a na parametrické nestability (zejména stimulovaný Ramanův a Brillouinův rozptyl). 2 Prostudujte poskytnutý Particle-in-Cell (PIC) kód LPIC++ a implementujte okrajovou podmínku pro efektivní absorpci horkých elektronů a otestujte na modelových příkladech. 3 Dále použijte PIC kód k simulaci interakce laserového záření s plazmatem. Profily hustoty, teploty a rychlosti expanze plazmatu získáte z hydrodynamických simulací Ing. Holce. Tyto profily aproximujte a použijte v PIC simulacích. Studujte absorpci a rozptyl záření, spektrum rozptýleného záření a vznik rychlých elektronů v závislosti na parametrech laserového svazku. Výsledky porovnejte a zasaďte do kontextu současného výzkumu zapálení inerciální fúze pomocí silné rázové vlny. 3 / 24

4 Zadání bakalářské práce Pokyny k vypracování 1 Prostudujte teorii interakce laserového záření s plazmatem. Zaměřte se na srážkovou absorpci a na parametrické nestability (zejména stimulovaný Ramanův a Brillouinův rozptyl). 2 Prostudujte poskytnutý Particle-in-Cell (PIC) kód LPIC++ a implementujte okrajovou podmínku pro efektivní absorpci horkých elektronů a otestujte na modelových příkladech. 3 Dále použijte PIC kód k simulaci interakce laserového záření s plazmatem. Profily hustoty, teploty a rychlosti expanze plazmatu získáte z hydrodynamických simulací Ing. Holce. Tyto profily aproximujte a použijte v PIC simulacích. Studujte absorpci a rozptyl záření, spektrum rozptýleného záření a vznik rychlých elektronů v závislosti na parametrech laserového svazku. Výsledky porovnejte a zasaďte do kontextu současného výzkumu zapálení inerciální fúze pomocí silné rázové vlny. 3 / 24

5 Zadání bakalářské práce Pokyny k vypracování 1 Prostudujte teorii interakce laserového záření s plazmatem. Zaměřte se na srážkovou absorpci a na parametrické nestability (zejména stimulovaný Ramanův a Brillouinův rozptyl). 2 Prostudujte poskytnutý Particle-in-Cell (PIC) kód LPIC++ a implementujte okrajovou podmínku pro efektivní absorpci horkých elektronů a otestujte na modelových příkladech. 3 Dále použijte PIC kód k simulaci interakce laserového záření s plazmatem. Profily hustoty, teploty a rychlosti expanze plazmatu získáte z hydrodynamických simulací Ing. Holce. Tyto profily aproximujte a použijte v PIC simulacích. Studujte absorpci a rozptyl záření, spektrum rozptýleného záření a vznik rychlých elektronů v závislosti na parametrech laserového svazku. Výsledky porovnejte a zasaďte do kontextu současného výzkumu zapálení inerciální fúze pomocí silné rázové vlny. 3 / 24

6 Dosažené výsledky Obsah prezentace 1 Zadání bakalářské práce 2 Dosažené výsledky 3 Otázky 4 Inerciální fúze 5 Numerické simulace 4 / 24

7 Dosažené výsledky Implementace okrajové podmínky Modelová simulace bez okrajové podmínky: ni/nc ( ) ni Ex x E (V/m) 1 pocet elektronu ( ) do terce zpet x (µm) E (kev) Obr. 1: Profil iontové hustoty a podélné elektrické pole. Obr. 2: Energetické spektrum elektronů směřujících do terče a zpět na konci simulační oblasti. 5 / 24

8 Dosažené výsledky Implementace okrajové podmínky Modelová simulace s okrajovou podmínkou: f(x) f(x) = 1/2 1/2cos(πx/3) pocet elektronu ( ) do terce zpet pocet bunek ( ) Obr. 3: Graf funkce pro okrajovou podmínku E (kev) Obr. 4: Energetické spektrum elektronů směřujících do terče a zpět na konci simulační oblasti. 6 / 24

9 Dosažené výsledky Výsledky simulací Parametry laserového svazku: 1 λ = 1,315 μm E = 4 J I = W/cm 2 t = 1 ps 2 λ =,438 μm E = 2 J I = W/cm 2 t = 1 ps Parametry plazmatu: 1 T e = T i = 4,5 kev exponenciální profil s charakteristickou délkou 9 μm 2 T e = T i = 3 kev exponenciální profil s charakteristickou délkou 5 μm 7 / 24

10 Dosažené výsledky Výsledky simulací Parametry laserového svazku: 1 λ = 1,315 μm E = 4 J I = W/cm 2 t = 1 ps 2 λ =,438 μm E = 2 J I = W/cm 2 t = 1 ps Parametry plazmatu: 1 T e = T i = 4,5 kev exponenciální profil s charakteristickou délkou 9 μm 2 T e = T i = 3 kev exponenciální profil s charakteristickou délkou 5 μm 7 / 24

11 Dosažené výsledky Výsledky simulací Časová závislost spektra rozptýleného záření v logaritmickém měřítku: t (ps) t (ps) ω/ω ( ) ω/ω ( ) 8 Obr. 5: 1. harmonická. Obr. 6: 3. harmonická. 8 / 24

12 Dosažené výsledky Výsledky simulací Závislost intenzity vstupujícího laserového impulsu na čase a jeho celková reflektivita resp. reflektivita způsobená stimulovaným Ramanovým rozptylem: normovaná intenzita ( ) incident total 1ω SRS 1ω normovaná intenzita ( ) incident total 3ω SRS 3ω t (ps) Obr. 7: 1. harmonická t (ps) Obr. 8: 3. harmonická. 9 / 24

13 Dosažené výsledky Výsledky simulací Profil iontové hustoty v čase 5 ps: ni 1 ni ne/nc ( ) ne/nc ( ) x (µm) x (µm) Obr. 9: 1. harmonická. Obr. 1: 3. harmonická. 1 / 24

14 Dosažené výsledky Výsledky simulací Hustota elektromagnetického pole v logaritmickém měřítku v závislosti na čase a prostoru: x t (ps) t (ps) x (µm) x (µm) Obr. 11: 1. harmonická. Obr. 12: 3. harmonická. 11 / 24

15 Dosažené výsledky Výsledky simulací Energetické spektrum všech elektronů na začátku simulace a v čase 5 ps (naměřené hodnoty jsou aproximovány pomocí Maxwell-Boltzmannovy distribuční funkce): pocet elektronu ( ) x t = ps T = 4.5 kev t = 5 ps T = 5.1 kev pocet elektronu ( ) x t = ps T = 3 kev t = 5 ps T = 4.2 kev E (kev) Obr. 13: 1. harmonická E (kev) Obr. 14: 3. harmonická. 12 / 24

16 Dosažené výsledky Výsledky simulací Rozdělovací funkce hybnosti ve směru osy x všech elektronů na počátku simulace a v čase 5 ps: pocet elektronu ( ) ps 5 ps pocet elektronu ( ) ps 5 ps p x / (m e c) ( ) p x / (m e c) ( ) Obr. 15: 1. harmonická. Obr. 16: 3. harmonická. 13 / 24

17 Dosažené výsledky Shrnutí 1 Simulace první harmonické: Celková absorpce: 57 % (vetšina energie byla absorbována hustotními kavitami a parametrickými nestabilitami) Teplota rychlých elektronů: 17 kev 2 Simulace třetí harmonické: Celková absorpce: 41 % (dominantním mechanismem absorpce byly coulombické srážky mezi elektrony a ionty) Teplota rychlých elektronů: 25 kev 14 / 24

18 Dosažené výsledky Shrnutí 1 Simulace první harmonické: Celková absorpce: 57 % (vetšina energie byla absorbována hustotními kavitami a parametrickými nestabilitami) Teplota rychlých elektronů: 17 kev 2 Simulace třetí harmonické: Celková absorpce: 41 % (dominantním mechanismem absorpce byly coulombické srážky mezi elektrony a ionty) Teplota rychlých elektronů: 25 kev 14 / 24

19 Otázky Obsah prezentace 1 Zadání bakalářské práce 2 Dosažené výsledky 3 Otázky 4 Inerciální fúze 5 Numerické simulace 15 / 24

20 Otázky Otázky 1 Jaký terčík v prováděných simulacích uvažujete (materiál, tloušťka)? 2 Můžete popsat omezení 1D modelu pro studovanou interakci a krátce okomentovat náročnost jeho rozšíření do více dimenzí? 16 / 24

21 Otázky Otázky 1 Jaký terčík v prováděných simulacích uvažujete (materiál, tloušťka)? 2 Můžete popsat omezení 1D modelu pro studovanou interakci a krátce okomentovat náročnost jeho rozšíření do více dimenzí? 16 / 24

22 Inerciální fúze Obsah prezentace 1 Zadání bakalářské práce 2 Dosažené výsledky 3 Otázky 4 Inerciální fúze 5 Numerické simulace 17 / 24

23 Inerciální fúze Princip jaderné syntézy D + T n (14, 6 MeV) + α (3, 52 MeV). (1) Obr. 17: Schematické zobrazení DT reakce. [převzato z: 18 / 24

24 Inerciální fúze Inerciální udržení plazmatu Standardní schéma laserové fúze: Obr. 18: Sférická imploze a zapálení z centrálního hot spotu. [převzato z: McKenna, P., Neely, D., Bingham, R., Jaroszynski, D: Laser-Plasma Interactions and Applications. Springer. 213.] 19 / 24

25 Inerciální fúze Nové metody Rychlé zapálení Zapálení rázovou vlnou Obr. 19: Typické tvarování laserových impulsů pro (a) rychlé zapálení a (b) zapálení rázovou vlnou. [převzato z: McKenna, P., Neely, D., Bingham, R., Jaroszynski, D: Laser-Plasma Interactions and Applications. Springer. 213.] 2 / 24

26 Numerické simulace Obsah prezentace 1 Zadání bakalářské práce 2 Dosažené výsledky 3 Otázky 4 Inerciální fúze 5 Numerické simulace 21 / 24

27 Numerické simulace Metoda Particle-in-Cell Cyklus metody: 1 Váhování částic 2 Integrátor polí 3 Váhování polí 4 Integrátor částic Obr. 2: Základní cyklus metody Particle-in-Cell. 22 / 24

28 Numerické simulace kód LPIC++ Elektromagnetický relativistický 1D3V Particle-in-Cell kód Vyvinutý v Max-Planck-Institut für Quantenoptik Napsaný v jazyce C++, paralelizován pomocí knihovny MPI Simulace srážek pomocí metody Monte Carlo 23 / 24

29 Numerické simulace Závěr Děkuji za pozornost. 24 / 24