重大突破：激光与等离子体相互作用的研究

2019-09-06 13:24:59 来源：灵梦网责任编辑：灵梦网编辑

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转载自百家号作者：博科园

博科园：本文为物理学类

由劳伦斯伯克利国家实验室和CEA Saclay研究人员开发的一种新三维细胞内粒子(PIC)模拟工具，使激光/等离子体耦合机制的前沿模拟成为可能，这些机制以前是等离子体研究中使用标准PIC代码所无法实现的。更详细地了解这些机制对于开发超紧凑粒子加速器和光源至关重要，这些加速器和光源可以更有效、更经济地解决医学、工业和基础科学领域的长期挑战。在激光等离子体实验中，如伯克利实验室激光加速器(BELLA)中心和CEA saclaye(法国原子能委员会下属的法国国际研究机构)实验中，等离子体内部的电场非常大。

与现有加速器技术相比，等离子体可以在更短的距离内将粒子束加速到高能。这些激光等离子体加速器(LPAs)的长期目标是有朝一日为高能研究建造对撞机，但许多衍生品已经被开发出来。例如，LPAs可以迅速将大量能量沉积到固体材料中，形成致密等离子体，并使其承受极端的温度和压力。它们还具有驱动自由电子激光器的潜力，这种激光器产生的光脉冲仅持续阿秒。这种极短的脉冲可以使研究人员在极短时间尺度内观察分子、原子甚至亚原子粒子之间的相互作用。超级计算机模拟对这项研究越来越重要，伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)已经成为这项研究的重要资源。

大规模模拟表明，强激光能量对稠密等离子体的随机加热是由混沌引起。这张图片显示了从PIC模拟中获得高密度等离子体的电子分布相空间(位置/动量)快照，说明了导致物理系统中出现混沌的所谓“拉伸和折叠”机制。图片：G. Blaclard, CEA SaclayPIC模拟为研究人员提供了在极短时间和极短时间尺度下难以获得的物理观测数据，如粒子轨道和辐射场。PIC模拟在理解、建模和指导高强度物理实验方面发挥了重要作用。但是，由于PIC编码缺乏足够的计算精度来模拟超高强度下的激光-物质相互作用，阻碍了这种相互作用产生的新型粒子和光源发展。这一挑战促使伯克利实验室/CEA Saclay团队开发了他们新的模拟工具，称为Warp+PXR，这是NERSC百亿级科学应用程序(NESAP)第一轮启动的工作。该代码结合了广泛使用的三维PIC代码翘曲与伯克利实验室和CEA Saclay共同开发的高性能库PICSAR。

它还利用了伯克利实验室和CEA Saclay联合开发的一种新型大规模并行伪光谱求解器，与通常用于等离子体研究的求解器相比，这种新型伪光谱求解器大大提高了模拟的准确性。伯克利实验室资深物理学家Jean-Luc Vay是实验室应用物理和加速器技术部门加速器建模项目的负责人说：正如团队在之前的研究中所显示，这种新FFT光谱求解器比有限差分时域(FDTD)求解器能够实现更高的精度，因此我们能够达到一些标准FDTD求解器无法达到的参数空间。这种新型光谱解算器也是下一代PIC算法的核心，该算法具有自适应网格细化，Vay和同事正在开发新的Warp-X代码，作为美国能源部百亿次计算项目的一部分。

二维和三维模拟都很关键

Vay也是发表在《物理评论X》(Physical Review X)上论文的作者之一，该论文首次全面研究了使用Warp+PXR的激光等离子体耦合机制。这项研究结合了在CEA Saclay的UHI100激光设备上进行的最先进的实验测量，以及在NERSC的Cori超级计算机上运行的最先进二维和三维模拟，以及在Argonne国家实验室的Argonne领导计算设施上运行的Mira和Theta系统。这些模拟使团队能够更好地理解超强激光和它所产生高密度等离子体之间的耦合机制，为如何优化超紧凑粒子和光源提供了新的见解。

Warp+PXR的基准测试表明，该代码可扩展到Cori上的40万核和Mira上的80万核，并可将解决超高强度物理实验相关问题的时间提高三个数量级。CEA Saclay高强度物理小组的科学家、论文合著者亨利·文森提说：我们不能一直用二维模拟重复或再现实验中发生的事情，需要三维模拟。Vincenti领导了这项新研究的理论/模拟工作，并且是Vay团队中伯克利实验室的Marie Curie博士后研究员，在那里他第一次开始研究新的代码和求解器。3d模拟对于将新代码带来的准确性与实验进行对比，也非常重要。在《物理评论X》(Physical Review X)上发表的论文中：

CEA Saclay的研究人员在CEA的UHI100设备上使用了一束高功率(100TW)飞秒激光束，聚焦在二氧化硅靶上，创建了一个高密度等离子体。此外，在实验过程中，采用了Lanex闪烁屏和紫外分光计两种诊断方法来研究激光与等离子体的相互作用。在实验进行过程中，当研究时间和长度尺度时，诊断工具带来了额外挑战，这再次使得模拟对研究人员的发现至关重要。研究科学家法比安·奎尔(Fabien Quere)说：通常在这类实验中，无法获得所涉及的时间和长度尺度，尤其是因为在实验中，目标上有一个非常强的激光场，所以不能把任何诊断放在离目标很近的地方。

在这类实验中，观察是距离目标很远的物体发射出来，它们实际上是实时发生，而物理学是在微米、亚微米和亚飞秒尺度上的时间，所以我们需要模拟来解释实验中发生了什么。Vincenti说：在这项研究中使用的第一性原理模拟使我们能够了解激光场与固体目标相互作用的复杂动力学，在单个粒子轨道的细节水平上，这使我们能够更好地理解实验中发生了什么。由于Vay和合作者引入了范式转换，这些使用超高精度光谱FFT求解器的非常大的模拟成为可能。

在发表于《计算物理》(Journal of Computational Physics)上的一项研究中，他们发现，在求解与时间相关的麦克斯韦方程时，标准的FFT并行化方法(是全局的，需要处理器之间跨整个模拟域进行通信)可以被局部FFT的域分解所取代，通信仅限于相邻处理器。除了在大量计算机节点上实现更有利的强伸缩性和弱伸缩性之外，新方法还更节能，因为它减少了通信。使用标准的FFT算法，需要在整个机器上进行通信，但新的光谱FFT求解器可以节省计算机时间和能源，这对于正在推出的新型超级计算架构来说是一件大事。