2-74  无碰撞等离子体中电子束流不稳定性的时空演化

郑春阳  刘占军  张爱清

强激光在冕区等离子体中传播到临界面附近生成相对论电子和相对论电子束流在随后较长一段稠密等离子体区的能量传输是快点火中的关键问题。对快点火条件下的激光等离子体参数，临界面附近产生的前向快电子电流往往超过阿尔芬极限电流，必须在稠密等离子体中产生中和回流，快电子流才能在稠密等离子体中向前输运。横向电磁不稳定性(类Weibel不稳定性，WI)和纵向静电双流不稳定性(TSI)很容易在这种电子双流体系中激发，前向电子束会被调制或成丝状结构，同时激发电磁场，粒子部分动能会转化为电磁场能量。不稳定性在非线性饱和后，发生电流丝的合并、磁场重联等过程，部分电磁场能量会再转化为粒子能量，表现为对离子体的横向加热。Weibel不稳定性的作用可能形成围绕传播电子束的磁通道，对快电子的定向和准直传播是重要的。TSI激发的纵向静电场对磁场通道会有明显的调制甚至破坏作用，直接影响高能电子流从激光吸收区到燃料压缩区的准直传播。

对沿x方向分别以平均速度v_x01 , v_x02相向运动的两束电子流，TSI的发生阈值

即只有对足够长的纵向扰动波长系统才是不稳定的。电子能量分布的纵向展宽会抑制TSI的发展。对电磁不稳定性的抑制主要由于电子束在横向的能量或动量发散度，阈值条件

a=n₁ / n₂是快电子束流与冷电子回流的密度比值，b_x01，b_z0分别是归一化的电子纵向和横向温度展宽。当电子束的横向能量发散度足够大时可以完全抑制WI的发生。

利用二维粒子模拟(PIC)研究Weibel不稳定性的发生和非线性饱和过程。结果显示Weibel不稳定模的扰动波矢(垂直流方向)会首先沿背景温度较低的方向发展，形成正负交替的磁层结构。这种结构是不稳定的，会发生磁场重联，导致横向加热，纯粹的Weibel不稳定性可形成稳定对称的电流和磁场通道。考虑物理量在束流方向有变化且满足TSI发生阈值条件，WI和TSI会相互竞争。TSI导致的纵向电场通过俘获电子在电子相空间形成涡旋结构，甚至改变束电子运动方向。在一定条件下静电传播模式可破坏束流的稳定、准直传输。模拟发现电子的纵向和横向能量展宽比决定WI和TSI谁在束流稳定性传播中占主导作用。

针对一个实际的物理问题，利用三维并行PIC程序LARED-P研究强激光作用在真空－等离子体界面时相对论电子束的产生和向稠密等离子体的传播过程。发现粒子能量在稠密等离子体中的有效传播距离只有几个微米。分析电子的动量分布函数，发现由Weibel不稳定性非线性饱和导致的横向加热使得前向电子束的横向能量发散度随着传播距离增加也在不断增加，而电子纵向动量分布变化不大，在某个空间位置以后Weibel不稳定性会被抑制，TSI变得相对重要，对电子束准直传输起关键作用的磁通道被破坏。

电子束流传播不稳定性的研究，对更好的理解快点火物理中自生磁场的产生、快电子输运等过程有着重要意义。