Modelling arbitrarily shaped and tightly focused laser pulses in electromagnetic codes
研究激光与物质相互作用的电磁编码需要实现电磁场源。这样做的一种方法是在数字框边界处规定字段，以便在数字框内实现所需的字段。在这里，我们表明，经常使用的傍轴近似可能会导致意想不到的场分布与强烈的影响激光物质相互作用的结果。我们提出了一种有效的数值算法来计算所需的激光边界条件与麦克斯韦方程组的任意形状，紧聚焦的激光脉冲。
2015-11-26 physics.optics physics.plasm-ph
Vlasov modelling of laser-driven collisionless shock acceleration of protons
采用欧拉-伏拉索夫-麦克斯韦方法研究了高强度短脉冲激光与中等过密等离子体靶相互作用的离子加速问题。研究了等离子体密度分布和激光脉冲参数变化的影响，分析了无碰撞激波和靶鞘层法向加速度的相互作用。结果表明，使用的分层目标与轻和重离子的组合，分别在前面和后面，产生强的准静态鞘场的背面的重离子部分的目标。这种鞘场增加了冲击加速离子的能量，同时保持了它们的单能性。
2016-04-16 physics.plasm-ph
Kinetic modelling and molecular dynamics simulation of ultracold neutral plasmas including ionic correlations
详细描述了超冷中性等离子体演化的动力学方法，包括电子关联和速率方程对电离/激发和复合/去激发的处理。为了评估动力学模型中固有的近似的可靠性，我们开发了一种混合分子动力学方法。结果的比较表明，动力学模型描述的超冷等离子体的原子和离子的观测值令人惊讶的好，证实了我们早期的发现有关的作用，离子-离子的相关性[物理修订A { \bf 68}，010703]。此外，分子动力学方法允许人们研究离子等离子体组分向热力学平衡的弛豫。
2004-05-24 physics.atom-ph physics.plasm-ph
A Fully Three-Dimensional Kinetic Particle-In-Cell Framework for Modeling Laser-Dielectric Interactions: Few-Cycle Pulse Damage
本研究修改开源PIC代码EPOCH构建全三维动力学框架，新增分子光电离等模型，经体二氧化硅实验基准验证后用于少周期脉冲激光损伤模拟，为电介质损伤机制研究提供新视角。
2025-02-19 physics.optics physics.plasm-ph
Observation and modelling of Stimulated Raman Scattering driven by an optically smoothed laser beam in experimental conditions relevant for Shock Ignition
我们报告了在TAW Vulcan激光装置上进行的一项实验的结果和模型，该实验的目的是研究在对惯性约束聚变的冲击点火方案感兴趣的条件下的激光-等离子体相互作用，即高于10^16 W/cm 2的激光强度撞击热的（T > 1 keV）、不均匀的和长尺度长度的预成型等离子体。测量结果表明，一个显着的SRS背散射（4 - 20%的激光能量）驱动在低等离子体密度和TPD/SRS驱动在四分之一临界密度区域没有签名。结果令人满意地再现的分析模型占对流SRS增长在独立的激光散斑，在反射率占主导地位的条件下，从最强烈的散斑，SRS得到饱和的贡献。分析和动力学模拟再现SRS的发病率在低等离子体密度的制度强烈影响的非线性朗道阻尼和最强烈的激光散斑的反射。在较高的密度下TPD/SRS的缺乏被解释为泵浦耗尽和由双折射驱动的等离子体平滑。在低密度分布的激光耦合的流行证明了低温测量的热电子（7 - 12千电子伏），以及再现的数值模拟。
2021-08-30 physics.plasm-ph
Modelling Gamma Ray Emission and Pair Production in High-Intensity Laser-Matter Interactions
在高强度（> 10^21W/cm ^2）激光与物质相互作用中，电子发射的γ射线光子会强烈影响电子的动力学，并且发射的光子会产生大量的电子-正电子对。我们展示了如何将这些过程可以包括在模拟耦合的蒙特卡罗算法描述的排放到一个粒子在细胞的代码。蒙特卡罗算法包括量子校正的光子发射，我们必须包括如果对生产率是正确的确定。在简单的测试问题中，Monte-Carlo算法的精度，收敛性和能量守恒性质进行了分析。
2013-11-21 physics.plasm-ph
Identifying the source of super-high energetic electrons in the presence of pre-plasma in laser-matter interaction at relativistic intensities
在一维平板近似下，采用粒子模拟方法研究了相对论强度激光与物质相互作用中预等离子体对超高能电子产生的影响。研究了$1\ μ\text{m}$、$5\ μ\text{m}$、$10\ μ\text{m}$和$15\ μ\text{m}$的不同前等离子体尺度长度，发现随着前等离子体尺度长度的增加，电子的粒子数和截止动能都增加，截止动能大大超过相应的激光有质动力能.提出了一个两阶段的电子加速模型来解释基本物理。第一阶段是纵向电场和激光脉冲的协同加速，其加速效率取决于等离子体尺度长度。这些在第一阶段预加速的电子可以建立一个强烈的静电势垒，其最大值是初始电子动能的几倍。部分高能电子在静电势垒的反射作用下被进一步加速，最终的动能明显高于第一阶段的预加速值。
2015-12-23 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Computationally efficient methods for modelling laser wakefield acceleration in the blowout regime
电子自注入和加速，直到在井喷制度的失相研究了一组典型的初始条件，最近的实验与100太瓦级激光器。两种不同的方法来计算效率高，完全明确的，三维粒子细胞建模检查。首先，笛卡尔代码VORPAL使用完美色散电磁解算器精确地描述了激光脉冲和气泡动力学，利用传播方向上的较粗分辨率，具有成比例的较大时间步长。对宏粒子使用三阶样条有助于抑制采样噪声，同时保持适度的计算资源使用。第二种减少模拟负载的方法是使用简化几何代码。在我们的例子中，准圆柱形代码CALDER-CIRC使用场和电流分解成一组极向模式，而宏粒子在笛卡尔3D空间中移动。相互作用的圆柱对称性允许仅使用两种模式，将计算负荷大致减少到平面笛卡尔模拟的计算负荷，同时保留相互作用的3D性质。这种显着的资源经济性允许在传播方向上使用精细的分辨率和小的时间步长，使数值分散非常小，再加上每个单元的大量颗粒，从而实现良好的颗粒统计。定量协议的两个模拟表明，他们是免费的数字文物。因此，这两种方法检索物理上正确的等离子体气泡的演变，恢复电子自注入的驱动程序的非线性光学演化的内在联系。
2012-04-04 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Fluid and kinetic modelling for non-local heat transport in magnetic fusion devices
为了改善目前使用的特设通量限制器处理的并行热通量传输的边缘等离子体流体代码，我们认为在这里的傅立叶定律实现了一个非本地内核的热通量计算的广义版本。在壁面处的玻姆边界条件被恢复，引入体积损失项，表示超热粒子对能量输出通量的贡献。正如预期的那样，这种贡献是可以忽略不计的强碰撞制度，而它变得越来越占主导地位的边缘和低碰撞制度。在本文的第二部分中，我们考虑了一个动力学的方法，碰撞被认为是使用多粒子碰撞（MPC）算法。文中还报道了中低碰撞度下的动力学模拟结果。
2018-05-17 physics.plasm-ph
Demonstration of an optical mixing technique to drive Kinetic Electrostatic Electron Nonlinear waves in laser produced plasmas
本文报道了一个氮气拉曼池系统，它能使70 J的527 nm激光束以20 J的能量移到600 nm。600 nm的探针和200 J，527 nm的泵浦光束在激光产生的（气体喷射）等离子体中光学混合。两束激光的跳动形成了一种有质动力，可以驱动Afeyan等人在Vlasov-Poisson模拟中发现的动态静电电子非线性（KEEN）波[1，2]。KEEN波在这些实验中被检测到，传统的等离子体理论将宣布有一个光谱间隙（即没有线性波可能）。使用具有351 nm和263.5 nm的探针波长的汤姆逊散射进行检测。
2012-11-07 nlin.AO physics.optics physics.plasm-ph
BBGKY kinetic approach for an e-e+gamma plasma created from the vacuum in a strong laser-generated electric field: The one-photon annihilation channel
本文通过截断BBGKY方程组得到了一个封闭的动力学方程组，用于描述强激光场作用下电子-正电子等离子体和次级光子的真空产生。这种截断是在马尔可夫近似的单光子湮没通道，这是由于存在强外场访问。光子产生率的估计得到不同域的激光场参数（频率nu和场强E）。为了满足该通道中各组分（e-，e+，γ）的能量和动量守恒定律，需要大量的准经典激光场的可见光子。由于这些可见光子的数量对应于微扰理论的阶数，因此对于光学区域和强亚临界场E << E_c，光子产生率几乎为零。在γ射线区nu <~ m，所需的激光光子数很小，从单光子湮灭过程中产生光子的速率对于亚临界场E <~ E_c的观测是可以达到的。在红外区域中，光子分布具有闪烁噪声典型的1/k光谱。
2011-05-31 hep-ph physics.optics physics.plasm-ph
Start-to-end modelling of laser-plasma acceleration, beam transport and dose deposition of very high-energy electrons for radiotherapy
Weizmann Institute of Science（魏茨曼科学研究所）
本研究基于商用激光器OONA参数，通过模拟开展激光等离子体加速、束流输运到剂量沉积的端到端建模，验证了激光等离子体加速的甚高能电子束用于高精度放射治疗的可行性。
2025-08-28 physics.acc-ph physics.med-ph physics.plasm-ph
Kinetic modelling of runaway electrons in dynamic scenarios
逃逸电子的形成和衰变过程的进一步理解是大型托卡马克的安全运行的主要利益，和动态的情况下，如中断的逃逸电子的动态是特别关注的。在本文中，我们提出了动力学模型的情况下，与时间相关的等离子体参数，特别是，我们调查热尾失控的产生在等离子体温度迅速下降。随着研究逃逸电子产生的自洽电场演化的目标，我们还讨论了实现碰撞算子，保持动量和能量，并证明其属性。本文研究了雪崩逃逸电子产生的算符，它考虑了散射截面和逃逸分布的能量依赖性。我们发现，简化的雪崩模型Rosenbluth和Putvinskii [核聚变1997 37 1355]可以给出不准确的结果的雪崩增长率（或低或高）的许多参数，特别是当平均失控的能量是适度的，如在初始阶段的雪崩倍增。所提出的发展铺平了道路，改进模型的失控电子动力学在中断或其他动态事件。
2016-09-14 physics.plasm-ph
Guided Electromagnetic Discharge Pulses Driven by Short Intense Laser Pulses: Characterisation and Modelling
强电磁脉冲（EMP）是由强激光与固体密度目标相互作用产生的，并且可以由目标几何形状引导，特别是通过与地面的导电连接。我们提出了一个实验表征，通过时间和空间分辨质子偏转，引导电磁放电脉冲沿导线，包括线圈，由0.5 ps，50 J，1 e19 W/cm 2的激光脉冲驱动。质子偏转测量数据允许首先时间分辨由于激光驱动目标充电的EMP，然后从地面通过导电目标茎返回EMP。这两种电磁脉冲的典型持续时间为几十ps，对应于KA范围内的电流，电场振幅为多个GV/m。由于磁场和电场的作用，靶棒中的亚毫米线圈对探测质子产生了透镜效应。这样，10兆电子伏能量范围的质子被聚焦在厘米级的距离上。实验结果支持分析建模和高分辨率数值粒子在细胞模拟，解开可能存在的表面等离子体，这些参数定义的放电脉冲色散的非线性传播制度。
2022-09-01 physics.plasm-ph
Kinetic and finite ion mass effects on the transition to relativistic self-induced transparency in laser-driven ion acceleration
本文研究了圆偏振激光脉冲与过密等离子体相互作用中导致相对论性自诱导透明转变的动力学效应及其与离子加速和穿孔的关系。它表明使用粒子在细胞中的模拟和单电子相空间中的separatrices的分析，离子运动可以抑制快速电子逃逸到真空中，否则将导致过渡到相对论透明制度。一个简单的分析估计表明，对于大的激光脉冲幅度$a_0$的时间尺度上，离子运动变得重要的是比通常预期的要短得多。结果，阈值密度随着荷质比的增加而减小，在阈值密度以上发生钻孔。此外，过渡阈值被认为取决于激光的时间分布，由于后者对电子加热的影响。最后，我们报告了一个新的制度，其中从相对论透明度过渡到钻孔动态发生在相互作用的过程中。结果表明，对于一个固定的激光强度，这种动态过渡制度允许最佳的离子加速的能量和能量扩散。
2017-05-25 physics.plasm-ph
Controlling ion kinetic energy distributions in laser produced plasma sources by means of a picosecond pulse pair
下一代光刻机使用源自激光产生等离子体（LPP）源的极紫外（EUV）光，其中小锡滴被强激光脉冲电离以发射所需的13.5 nm光。已经探索了许多照射方案以提高转换效率（CE），其中包括弱皮秒Nd：YAG预脉冲和随后的强脉冲的双脉冲方法被认为是非常有前途的[1]。然而，即使对于这样的CE优化方案，从等离子体喷射的具有高达几keV的动能的离子碎片仍然是阻碍LPP源的最大性能的因素。在这封信中，我们提出了一种新的预脉冲方案组成的皮秒脉冲对在1064 nm，这减少了不需要的快离子的量，避免背反射的激光器，并使之能够定制的目标形状。
2018-04-04 physics.app-ph physics.plasm-ph
Role of vacuum polarization for the annihilation channel in a strong laser field
我们认为真空极化效应的单光子湮没通道内的动力学描述的电子+电子-等离子体产生的真空中的焦点的反向传播的激光束。这就需要光子动力学方程的结构发生根本的变化。我们研究了大绝热参数γ>> 1的区域，其中光子辐射非常小。对域gamma < 1的更彻底的检查需要单独的调查。然而，探索性研究已经表明，单光子湮灭通道可以导致激光场参数的某些域（例如，对于XFEL）可用于观察的贡献。
2010-12-02 hep-ph physics.plasm-ph
Fully kinetic versus reduced-kinetic modelling of collisionless plasma turbulence
我们报告的结果之间的直接比较不同的动力学模型的无碰撞等离子体湍流在两个空间维度。考虑的模型包括第一原理全动力学（FK）的描述，两个广泛使用的简化模型[gyrokinetic（GK）和混合动力学（HK）与流体电子]，和一种新的简化gyrokinetic方法（KREHM）。考虑两种不同的离子β（$β_i$）制度：0.1和0.5。对于$β_i=0.5$，GK和FK模型之间的良好协议被发现在尺度范围从离子到电子回旋半径，从而提供了有力的证据动力学Alfvén级联的情况。在相同的范围内，HK模型产生较浅的光谱斜率，大概是由于缺乏电子朗道阻尼。对于$β_i=0.1$，对谱比的详细分析揭示了GK和FK在动力学尺度上的描述略有不同，尽管动力学阿尔文涨落可能仍然起着重要作用。这种差异可以追溯到离子回旋半径以上的尺度，FK和HK的结果似乎表明在两个等离子体β制度中存在快磁声和离子伯恩斯坦模式，但在低β情况下与GK有更显著的偏差。确定的实际限制和强度的简化动力学近似，在这里与全动力学模型的情况下，在个案的基础上进行比较，可能会提供有价值的洞察力在发挥作用的主要动力学效应在湍流碰撞等离子体，如太阳风。
2017-09-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Characteristics of Femtosecond Laser Induced Filament and Energy Coupling by Nanosecond Laser Pulse in Air
本文建立三温度等离子体动力学模型研究空气中飞秒光丝特性及其与纳秒脉冲的能量耦合，并通过实验验证，揭示了关键动力学路径和最佳时间延迟。
2025-02-02 physics.app-ph physics.plasm-ph
Reduced kinetic modelling of shattered pellet injection in ASDEX Upgrade
Max Planck Institute for Plasma Physics（马普等离子体物理研究所）；KTH Royal Institute of Technology（皇家理工学院）；Chalmers University of Technology（查尔姆斯理工大学）
本文通过简化动力学建模重现 ASDEX Upgrade 破碎弹丸注入实验的关键趋势，验证了该方法对辐射能量份额、电流猝灭及逃逸电子抑制的预测能力，并揭示了碎裂统计涨落仅在中等氖掺杂时显著影响破裂动力学。
2026-09-25 physics.plasm-ph
Kinetic Corrections to Heat-flow and Nernst advection for Laser Heated Plasmas
研究动理学电子行为对热能和磁场输运影响的简化模型，提出改进的热通量与Nernst平流限制器形式，发现National Ignition Facility聚变实验的Hohlraum模拟对这些修正细节高度敏感。
2024-06-25 physics.plasm-ph
Exploiting multi-scale parallelism for large scale numerical modelling of laser wakefield accelerators
新一代的激光尾流场加速器，在PW级激光器和欠密靶相互作用中产生的极端加速场的支持下，有望在短距离内为多种应用产生高质量的电子束。实现这一目标将在很大程度上依赖于数值建模，以进一步理解底层物理和识别最佳机制，但这些场景的大规模建模计算量很大，需要有效使用最先进的Petascale超级计算系统。我们讨论的主要困难，在运行这些模拟和OSIRIS框架中实现的新的发展，以解决这些问题，从多维动态负载平衡和混合分布式/共享内存并行向量化的PIC算法。我们提出的结果的OASCR焦耳公制程序的大规模建模的LWFA的问题上，在相同的硬件上演示超过1个数量级的加速。最后，可扩展性超过$\sim 10^6$核心，并持续的性能超过$\sim 2$ PFlops的证明，开辟了大规模的激光尾流场加速器的建模方案的方式。
2013-10-03 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Signatures of fluid and kinetic properties in the energy distributions of multicharged Ta ions from nanosecond laser-heated plasma
对纳秒激光加热等离子体中产生的Ta离子的能量分布进行了理论和实验研究，其能量密度为4 $\times$ ~ 10 $^{15}$ W/cm $^{2}$.它们是用静电光谱仪和电荷收集器在远离目标的地方测量的。阴影术和干涉法被用来表征等离子体的电子密度范围从10 $^{18}$到10 $^{20}$ cm $^{-3}$的等离子体膨胀的第一个纳秒的等离子体动力学。实验数据清楚地表明，两个组件的能量分布取决于离子的电荷状态。这些组件进行了讨论，在光的流体和动力学描述的膨胀等离子体。特别是，与3D流体动力学（Troll）和1D 3V粒子在细胞（XooPIC）代码进行的计算的定量比较表明，在等离子体-真空界面处产生的双层在高能量下最高电荷态离子的加速中起着至关重要的作用。
2018-11-22 physics.plasm-ph
Benchmarking magnetized three-wave coupling for laser backscattering: Analytic solutions and kinetic simulations
了解磁化激光-等离子体相互作用对于控制磁惯性聚变实验和发展磁辅助辐射和粒子源具有重要意义。在长脉冲状态下，相互作用主要是由相干三波相互作用，其非线性耦合系数成为最近才知道当波传播与磁场的斜角。在本文中，后向散射耦合系数预测的热流体理论的基准使用粒子在细胞模拟在一个空间维度上，并发现良好的协议为广泛的等离子体温度，磁场强度，和激光传播角度，当相互作用是由电子主导的混合波介导。通过严格的协议，理论和模拟之间的系统比较成为可能：在理论方面，线性化三波方程的初始边值问题得到解决，瞬态解允许区分增长和阻尼的影响。在模拟方面，仔细选择参数并执行校准运行，以确保模拟运行得到良好控制。将模拟数据拟合到解析解，得到数值增长率，其在误差条内与理论预测相匹配。虽然温流体理论被认为是有效的一个广泛的参数范围内，真正的动力学效应也被观察到。
2022-09-30 physics.plasm-ph
Control of kinetic plasma instabilities by laser fields
该研究推广 Penrose 条件分析激光外场下的约化 Vlasov–Maxwell 系统，指出线性理论仅能控制横向不稳定性，并提出通过 PDE 约束优化利用非线性效应耦合纵横向动力学以实现控制。
2025-09-27 physics.plasm-ph
Visualizing Plasmons and Ultrafast Kinetic Instabilities in Laser-Driven Solids using X-ray Scattering
该研究结合 keV X 射线散射 XFEL 实验与模拟，以飞秒、纳米分辨率揭示激光驱动硅膜中表面等离激元激发及新型成丝不稳定性的增长。
2024-01-22 physics.plasm-ph
Mechanisms to control laser-plasma coupling in laser wakefield electron acceleration
实验结果，支持精确的建模，证明优化的等离子体为基础的注射器与中间激光脉冲能量（$<1$ J），对应于一个归一化的矢量势$a_0 = 2.15$，使用电离注入量身定制的等离子体密度分布。在实验上实现了电子聚束质量和能量的增加与在等离子体出口处的密度下降斜坡的延伸。优化的激光脉冲在定制的等离子体密度分布的焦点位置示出，以有效地减少电子束角偏差，导致更好的对准的电子束与激光轴。单峰电子光谱产生在一个以前未探索的制度，通过结合早期的焦点位置和自适应光学控制的激光波前，通过优化的对称性的预聚焦激光能量分布。实验结果已经通过粒子模拟使用现实的激光能量，相位分布和时间包络进行了验证，允许准确预测难以建模的参数，如电子束团的总电荷和空间特性，为更准确地建模等离子体加速器的设计开辟了道路。
2022-08-18 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Atomic population kinetics in the context of XUV/X-ray free electron laser generating warm dense matter and strongly coupled plasmas
本文提出用密度矩阵方法计算稠密等离子体（即热稠密物质和强耦合等离子体）中自电离态的原子光谱性质。这是由于在计算自电离态的原子布居数时考虑等离子体电荷成分产生的微电场的影响的重要性。对于自电离态，电子密度证明统计方法超过固体密度带来严重的怀疑，即使在致密的等离子体的统计方法。这也导致标准方法框架中的谱线形状的变化。讨论了X射线自由电子激光（XFEL）与固体密度物质相互作用产生的致密等离子体辐射的重要性。
2017-02-02 physics.plasm-ph
Validity of models for Dreicer generation of runaway electrons in dynamic scenarios
逃逸电子建模工作的动机是这些高能粒子对大型聚变装置造成的风险。复杂的动力学模型可以捕获逃逸电子产生的大部分特征，但具有高的计算成本，这可以通过使用计算上更便宜的简化动力学代码来避免。在本文中，我们比较了减少动力学和动力学模型，以确定当前求解器，假设准平稳的分析计算的基础上，可以使用。德莱塞生成率是由两个不同的求解器在欧洲集成建模框架中开发的工作流程中并行计算的，这是通过计算尚未集成到框架中的第三个代码来补充的。Runaway Fluid是一个简化的动力学程序，NORSE是一个使用非线性碰撞算子的动力学程序，DREAM是一个线性化的Fokker-Planck解算器，用于研究跨越整个托卡马克相关范围的不同等离子体场景中电场动态变化的影响。我们发现，在时间尺度短于或相当于电子碰撞时间在临界速度逃逸电子产生动力学效应没有捕获的减少动力学模型发挥了重要作用。这种特征时间尺度很容易计算，并且可以可靠地用于确定是否需要动力学建模，或者预计更便宜的简化动力学代码可以提供足够准确的结果。这个标准可以自动化，因此，它可以是非常有益的全面的自洽建模框架，试图模拟复杂的事件，如托卡马克启动或中断。
2021-05-27 physics.plasm-ph
Particle-in-cell simulations of expanding high energy density plasmas with laser ray tracing
本文在PSC代码中实现了激光射线追踪与逆韧致辐射吸收模块，通过基准测试验证了能量沉积模型和流体力学演化，并探讨了高能量密度激光靶烧蚀中的非局域输运和双温动力学效应。
2024-09-25 physics.plasm-ph
Initializing anisotropic and unstable electron velocity distributions needed for investigating plasma kinetic instabilities
在实验室中受控研究等离子体动力学不稳定性，需要具有各向异性电子速度分布函数的等离子体。我们证明，这样的等离子体可以产生使用超短激光脉冲通过光场电离（OFI）。我们实验表明，这种控制使用汤姆逊散射作为诊断探测特征电子速度分布，使用线性和圆偏振激光脉冲，以消除氦。此外，由圆偏振光脉冲产生的He等离子体在电离300 fs内表现出电子流不稳定性的开始，证明了OFI产生的等离子体用于研究等离子体物理的动力学理论制度的适用性。
2019-04-22 physics.plasm-ph
PM2D: A parallel GPU-based code for the kinetic simulation of laser plasma instabilities in large scale plasmas
针对激光等离子体不稳定性（LPIs）的动理学模拟，本文开发了基于GPU的二维并行代码PM2D，采用全波流体模型与粒子-网格方法，在保持自洽动理学效应的同时大幅降低了计算成本和数值噪声，支持数十亿网格的ICF实验尺度模拟。
2024-04-22 nucl-th physics.plasm-ph
Emergence of Kinetic Behavior in Streaming Ultracold Neutral Plasmas
我们通过调整产生等离子体的光致电离激光束来产生流动的超冷中性等离子体。通过改变电子温度，我们控制的相对速度的流动人口，并结合等离子体密度的变化，这控制离子碰撞流的碰撞性。激光诱导荧光被用来映射空间分辨的密度和速度分布函数的离子。我们将局部热平衡的缺乏和相互渗透、逆流离子的不同群体确定为动力学行为的特征。实验数据进行了比较，从一个一维，两种流体的数值模拟的结果。
2015-01-24 physics.plasm-ph
Coulomb driven energy boost of heavy ions for laser plasma acceleration
激光加速重离子的动能得到了前所未有的提高。用强度为$6\times 10^{19}$ W/cm $^{2}$的超短激光脉冲辐照超薄金箔。利用$1.3$焦耳激光能量作用于靶，获得了动能高达$> 200$ MeV、能量分布带宽受限的高电荷态金离子。$1$ D和$2$ D细胞内粒子模拟显示了对离子电离的空间依赖性如何导致加速电场的增强。我们的理论模型考虑了沿靶法线的变化的电荷密度，并且能够解释高电荷离子的能量提升，从而导致重离子的激光加速效率更高。
2014-12-11 physics.plasm-ph
Machine Learning-Integrated Hybrid Fluid-Kinetic Framework for Quantum Electrodynamic Laser Plasma Simulations
Iran University of Science and Technology（伊朗科技大学）
本研究提出一种基于机器学习的三维混合流体-PIC框架，利用SwitchNet实现区域自动切换，结合物理损失函数与QED效应模拟，在保证计算速度的同时实现了高精度的激光等离子体相互作用预测。
2025-10-13 cs.LG physics.plasm-ph
Kinetic modeling of x-ray laser-driven solid Al plasmas via particle-in-cell simulation
由强X射线自由电子激光（XFEL）辐射驱动的固体密度等离子体通过非热光电子和俄歇电子源来播种，所述非热光电子和俄歇电子通过碰撞来激发和加热靶。通常用于模拟这种等离子体的模拟代码，例如碰撞辐射（CR）代码，通常假设麦克斯韦分布，因此源电子的瞬时热化。在这项研究中，我们提出了一个详细的描述和初步应用的碰撞粒子的细胞代码，PICLS，已扩展与自洽辐射输运模型和蒙特卡罗模型的光电离和KLL俄歇电离，使完全动力学模拟的XFEL驱动的等离子体。该代码是用来模拟两个实验先前进行的直线加速器相干光源调查XFEL驱动的固体密度铝等离子体。结果表明，PICLS模拟的脉冲传输使用的埃克-Kröll连续降低模型同意更好地与测量比使用斯图尔特-Pyatt模型的模拟。与时间相关的PICLS结果与CR程序SCFLY的模拟结果之间也有很好的定量一致性，CR程序SCFLY用于实验分析，以准确地再现所观察到的Kα发射和脉冲传输。最后，它表明，非热电子的影响是可以忽略不计的条件下调查的特定实验。
2017-04-04 physics.plasm-ph
Hybrid PIC-fluid model for numerical simulation of laser-plasma interaction
DUSOFT LAB LLC（杜索夫特实验室有限公司）
本文提出混合PIC-流体模型，用于高效模拟激光-等离子体相互作用，结合离子动力学与电子流体模型，实现高能量密度等离子体的自洽演化。
2026-01-04 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Enabling direct kinetic simulation of dense plasma plume expansion for laser ablation plasma thrusters
激光烧蚀等离子体推力器是一种新兴的空间推进概念，为轻质有效载荷提供了希望。预测这些推进器的寿命和性能取决于烧蚀等离子体羽流的膨胀动力学的综合表征。虽然用于模拟等离子体的最新技术通常是基于粒子的，但基于网格的直接动力学求解器通过消除统计噪声而在这种瞬态和非均匀问题中具有优势。采用一种包含粒子间碰撞的直接动力学求解器，求解了一个在构型和速度空间中各跨一维的羽流膨胀模型问题。羽流膨胀固有的热力学非平衡的高度的特点，证明需要一个动力学，而不是一个混合或流体求解器。推力相关的指标，如动量通量也计算。羽流动力学观察到在空间上是高度不均匀的，在膨胀前的区域中热化的时间不足，并且建立了在域的远端将局部网格分辨率降低两个数量级的理论可能性。这些网格点的要求通过采用各种膨胀比的非均匀网格来验证，其中一些还采用了速度空间中的粗化。探索较长的域长度来表征推力器尺度的现象，并模拟较大的环境压力作为测试平台，以探测由于与背景粒子碰撞而产生的设施效应。
2022-09-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic modelling of runaway electron generation in argon-induced disruptions in ASDEX Upgrade
大量的材料注入已经被提出作为一种方法来减轻形成的相对论逃逸电子束，可能会导致在托卡马克等离子体中断。在本文中，我们分析了在11个ASDEX升级放电中观察到的失控生成，其中使用大量气体注入触发中断。我们提出了数值模拟的情况下，在轴上等离子体条件的特点，实验观测的约束下，使用的描述与自洽电场和温度演化的失控动力学在二维动量空间和零维真实空间。我们描述的电子分布函数的演变过程中的中断，并显示，失控的种子代占主导地位的热尾在所有的模拟放电。我们重现所观察到的依赖性的电流耗散率在失控的平台阶段的注入氩气的量。我们的模拟还表明，在注入氩气的阈值量以上，电流淬灭后的电流密度强烈依赖于氩气密度。在实验中没有观察到这种趋势，这表明0 D动力学模型未捕获的效应-例如失控的种子运输-也很重要。
2020-08-27 physics.plasm-ph
Particle-in-cell modelling of relativistic laser-plasma interaction with the adjustable damping, direct implicit method
隐式粒子-细胞代码提供的优势，他们明确的同行，因为他们遭受较弱的稳定性约束的需要，以解决系统的较高频率模式。这个功能可能被证明是特别有价值的建模高强度激光脉冲与超临界等离子体的相互作用，在这种情况下，在密集的区域中的静电模式是可以忽略不计的影响下研究的物理过程。为此，我们在直接隐式方法的相对论扩展基础上，开发了新的二维电磁场程序ELIXIRS（Electromagnetic Implicit X-dimensional Iterative Relativistic Solver）[D. Hewett和A. B. Langdon，J. Comp. Phys. \textbf{72}，121（1987）]。利用可调阻尼电磁解算器实现了光波在真空中的无耗散传播。在德拜长度未解的高密度情况下，通过使用高阶权重因子来确保令人满意的能量守恒。在本文中，我们首先提出了一个原始的推导电磁直接隐式方法的牛顿迭代格式。它的线性特性，然后通过数值求解光和等离子体波，占有限的空间和时间步长获得的关系色散研究。最后，我们的代码是成功的基准对明确的粒子在细胞模拟两种物理问题：等离子体膨胀到真空和相对论激光等离子体相互作用。在这两种情况下，我们将展示的鲁棒性的隐式求解器原油离散化，以及在效率上的增益，可以实现标准的显式模拟。
2009-06-16 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Radiation Reaction Effects on Electron Nonlinear Dynamics and Ion Acceleration in Laser-solid Interaction
采用解析方法和二维（2D 3 P）粒子模拟方法研究了超强激光脉冲与薄等离子体箔相互作用中的辐射反应（RR）效应。结果表明，辐射反作用力导致电子冷却，电子和离子的空间聚束增加。一个完全相对论性的动力学方程，包括RR效应进行了讨论，它表明，RR导致可用相空间体积的收缩。我们的PIC模拟结果与动力学理论的预测定性一致。
2010-11-25 physics.plasm-ph
Femtosecond laser pulse induced Coulomb explosion
在爆炸理论的基础上，重新讨论了库仑爆炸。测定了库仑爆炸的离子动能、能量分布函数、激光吸收长度和中子产额等特性。该模型合理地解释了实验结果。
2005-10-03 physics.atm-clus physics.plasm-ph
Nonlinear kinetic modeling of stimulated Raman scattering in a multidimensional geometry
在本文中，我们推导出耦合包络方程模拟受激拉曼散射（SRS）的增长在一个多维的几何形状，并占非线性动力学效应。特别是，我们的包络方程允许朗道阻尼率的非线性减少，其减少与等离子体波振幅取决于侧损耗率。帐户也作出的等离子体波包的程度的变化所带来的碰撞耗散由于捕获。电子等离子体波（EPW）和激光驱动器之间的退相，以及等离子体波的自聚焦，这两个引起的EPW的非线性频移，也包括在我们的包络方程。这些方程求解在一个多维的几何形状，使用我们的代码称为BRAMA，其预测的拉曼反射率的演变作为激光强度的函数进行了比较，对以前公布的PIC结果，从而说明了能力的BRAMA模拟提供正确的激光阈值强度的SRS，以及正确的数量级的拉曼反射率高于阈值。
2011-12-07 physics.plasm-ph
Radiation Reaction Kinetics and Collective QED Signatures
本文通过完整动力学模拟研究强激光与相对论电子束碰撞中的量子辐射反作用，揭示粒子对能量局部极小值及动量各向异性演化，为观测集体QED信号提供依据。
2023-12-07 physics.plasm-ph
Kinetic Electrostatic Electron Nonlinear (KEEN) Waves and their Interactions Driven by the Ponderomotive Force of Crossing Laser Beams
我们已经发现，使用一维周期性的Vlasov-Poisson模拟，新的非线性，非平稳，稳定，长寿，相干结构的相空间，称为动力学静电电子非线性（KEEN）波。在一个特定的频率和波数下，在被认为存在于电子等离子体和电子声波频率之间的带隙内，在短时间内被驱动，KEEN波被认为是自洽形成的，并持续数千个等离子体周期。KEEN波由4个或更多个重要的锁相谐波模式组成，这些模式只有在足够强的驱动下才会持续存在。当两个或多个不同频率的信号被顺序驱动时，它们也会合并。然而，最终出现的稳定KEEN状态对它们的相对激发顺序高度敏感。KEEN波也与电子等离子体波（EPW）相互作用非常强烈，特别是当它们的谐波接近于在相同k下与EPW频率共振时。通常的假设是，只要在非磁化等离子体中存在足够大幅度的相干激光能量，电磁波和小行星辐射是电磁能量可以相干相互作用的唯一波，这一假设可能需要重新考虑。
2012-10-30 math-ph math.MP nlin.AO
Laser-generated plasmas in length scales relevant for thin film growth and processing: simulation and experiment
在脉冲激光沉积中，薄膜的生长是由激光产生的等离子体介导的，其性质对于控制膜的微结构是关键的。2D材料的出现重新引起了人们对如何使用这种烧蚀等离子体来操纵原子级薄系统的生长和加工的兴趣。为此目的，需要在等离子体成分对材料加工做出贡献的位置处对等离子体成分的密度、电荷状态和动能进行定量理解。在这里，我们研究了激光诱导等离子体从烧蚀目标，这是材料生长和修改的相关长度尺度的几厘米的扩展距离。该研究是通过使用自适应笛卡尔网格求解器的激光烧蚀/等离子体膨胀模型的快速实现。KrF准分子激光烧蚀Cu的模拟结果与朗缪尔探针和光学发射光谱测量进行了比较。等离子体屏蔽阈值、等离子体中物质的电离状态和离子的动能的模拟预测与实验数据符合良好。对于1-4 J/cm $^2$的激光能量密度，羽流由Cu $^0$主导，在膨胀前沿具有小浓度的Cu $^{+}$和电子。更高的激光能量密度（例如，7 J/cm $^2$）导致富含Cu $^{+}$的等离子体，具有完全电离的前缘，其中Cu $^{2+}$是主要物质。在这两种制度中，模拟表明存在低密度，高温等离子体膨胀前沿，具有高电离度，可能在2D材料中的掺杂，退火和动力学驱动的相变中发挥重要作用。
2019-09-20 physics.app-ph physics.plasm-ph
