烧蚀驱动的压缩和加速过程
上节聚焦于等离子体冕区,激光在临界面把能量转化为热电子能量,从而产生烧蚀压。本节聚焦于烧蚀驱动的压缩和加速过程。
激光驱动的电子烧蚀过程
我们需要关注激光如何将能量转化为热电子能量。
稳态烧蚀模型
假设:
- 输入的激光强度不随时间变化;
- 烧蚀波前又恒定的烧蚀速率;
- 烧蚀产生的等离子体以恒定的速度(等温声速)向外膨胀。
其中,单位面积等离子体膨胀的所需能量为:
单位面积烧蚀靶所需的能量为:
所以激光强度为:
定标关系
临界面温度:
质量烧蚀率:
烧蚀压力:
动态烧蚀模型
我们探讨了激光能量恒定的情况。不过,用方波模拟稳态烧蚀的情况往往要面临另一个问题:当$t=0$的时候,热传导区域还没有建立,而热电子的能量太高,自由程太大,导致能量无法沉积。
将方波换成双斜角波,可以提高能量沉积率:前斜角波可以进行预压缩,建立起热传导层,后续的斜角波则可以沉积更多的能量。
烧蚀驱动的等熵压缩
我们需要关注热电子烧蚀压如何压缩。
激波
声波:小扰动在介质中以声波的形式传播。
激波:当扰动压强远超过介质原来的压强时,粒子运动来不及响应外界扰动,扰动带动粒子整体运动,从而超过了原有的声速。
流体力学基本方程
质量守恒:
动量守恒:
能量守恒:
激波方程
对于稳态传播的激波,可以忽略时间导数项:
对于如下的激波面两侧:
其中比容$V=\frac1\rho$。
若烧蚀压强$p_1$已知,且被冲击的部分已知($\rho_0,p_0,e_0,v_0$),那么一共有四个未知数($\rho_1,e_1,v_1,u_s$)。
我们还需要加上气体的状态方程:
可以解得:
其中质量流量大小:
密度和比容由下式给出:
该关系式又称为雨贡纽关系,给出了压缩上限:
但这导致多余的能量成为了靶物质的内能,使得热压强提高,不利于后续压缩。
等熵压缩和多雨贡纽曲线逼近
雨贡纽曲线由于越压缩越偏离等熵压缩线,导致多余的能量没有利用到。不过利用多次弱雨贡纽曲线逼近等熵曲线,可以实现更大程度的压缩。
球形火箭驱动的加速
球形火箭方程:$M\frac{du}{dt}=-4\pi R^2p_\alpha$,所以大半径靶丸和高强度激光有利于高速内爆。
积分得:$u_{imp}=u_{ex}\ln(\frac{M_0}{M_1})$,其中$\frac{M_1}{M_0}$是负载比,当负载比等于0.58得时候,可以达到$u_{imp}=0.53u_{ex}=350km/s$,其中$u_{ex}=2c_T=660km/s$。