利用EPOCH粒子在单元模拟代码对密集等离子体聚焦热点中的库仑爆炸现象进行研究

《Scientific Reports》：A study of Coulomb explosion in a dense plasma focus hotspot using EPOCH particle-in-cell simulation code

　　

摘要

在密集等离子体聚焦装置中，存在一些极热且密度极高的微观区域，即热点。这类极端环境使得密集等离子体聚焦装置成为一种极具研究价值的辐射与粒子源。在本文中，我们对一个密集的、完全电离的等离子体区域（热点）在冷而完全电离的等离子体背景下的库仑爆炸现象进行了详细的粒子模拟。我们以密集等离子体聚焦实验中的观测结果为灵感，构建了二维圆形氘等离子体模型。通过设置热点电子与其他等离子体粒子之间的温度差异，我们的模拟能够在皮秒级精度下呈现库仑爆炸的动力学过程。分析结果表明，尽管库仑爆炸确实会导致离子动能增加，但这一机制本身并无法完全解释文献中提到的高能辐射和粒子的产生情况。此外，我们还发现了一种由库仑爆炸引发的新的等离子体现象：在密集热点周围会形成一层独特的环状鞘结构。在模拟的早期阶段，还会出现持续时间不到20皮秒的短暂不稳定性。通过将模型扩展到三维，我们的结果得到了验证，三维模拟与二维模型具有良好的一致性。