高能量密度物理：基礎、慣性約束聚變和實驗天體物理學（簡體書）

《高能量密度物理：基礎、慣性約束聚變和實驗天體物理學》第1章～第7章屬￿流體動力學和輻射流體力學基礎，然而闡述角度獨特，內容與一般教材不同，使從流體力學或者從等離子體物理進入高能量密度物理研究的讀者都會受益匪淺。第8章介紹利用高功率激光設施和z箍縮內爆裝置得到高能量密度稠密等離子體的原理和技術，敘述簡明扼要。最後三章分別論述以高能量密度物理作為基礎的三個主要研究領域或學科，即慣性約束聚變、實驗室天體物理和激光強場物理（相對論高能量密度系統），想要更好掌握這些知識的讀者還應進一步學習有關的專著。

《高能量密度物理:基礎、慣性約束聚變和實驗天體物理學》是springer出版社出版的國際“沖擊波與高壓現象”叢書之一，是目前僅有的較全面論述高能量密度物理基礎和應用的專著，是美國密執安大學大氣海洋和空間科學系教授RP.Drake在其多年研究生教材的基礎上撰寫而成的。Drake教授于1979年在JohnHop—kins大學取得博士學位，長期參加利弗莫爾國家實驗室（LLNL）聚變研究計劃，擅長激光與等離子體相互作用，1989年—1996年任該實驗室等離子體研究所所長。其問，1989年一1993年任加州大學Davis分校教授，1996年到密執安大學任教后專門從事實驗室天體物理的研究。

第1章高能量密度物理導論1.1若干歷史注記1.2高能量密度物理的各種狀態1.3慣性約束聚變簡述1.4實驗天體物理學簡述1.5與以前有關著作的聯繫1.6變量和符號第2章流體與等離子體的描述2.1多方氣體的歐拉方程組2.2麥克斯韋方程組2.3更加普遍和完全的單流體運動方程組2.3.1一般的單流體運動方程組2.3.2磁流體力學2.3.3三溫單流體模型2.3.4計算機數值模擬方法2.4等離子體理論2.4.1傳統等離子體理論的有效性狀況2.4.2雙流體運動方程組2.4.3動理學的描述2.5單個粒子的運動第3章高能量密度等離子體的性質3.1簡單物態方程3.1.1多方氣體3.1.2輻射主導的等離子體3.1.3費米簡並的物態方程3.2電離等離子體3.2.1根據薩哈方程的電離平衡3.2.2連續能區下降和離子球模型3.2.3庫侖相互作用3.3電離等離子體的熱力學3.3.1廣義多方指數3.3.2壓力、能量及相關結論3.3.3物態方程的概貌3.4計算使用的物態方程3.4.1托馬斯-費米模型和QEOS3.4.2表格式物態方程3.5實驗室和天體物理學使用的物態方程3.5.1物態方程的天體物理學背景3.5.2實驗室物態方程及其在天體物理學中的應用3.6測量物態方程的實驗3.6.1平面飛片直接撞擊3.6.2阻抗匹配3.6.3其他方法第4章衝擊與稀疏4.1衝擊波4.1.1衝擊間斷跳躍條件4.1.2衝擊絕熱線和物態方程4.1.3一些有用的衝擊波關係式4.1.4經過衝擊波後熵的變化4.1.5斜衝擊波4.1.6衝擊波與界面的相互作用和平面飛片撞擊4.2稀疏波4.2.1平面一維等溫稀疏過程和自相似分析4.2.2黎曼不變量4.2.3平面一維絕熱稀疏過程4.3爆炸波4.3.1爆炸波中的能量守恆4.3.2自相似運動的一般討論4.3.3謝多夫-泰勒球面爆炸波4.4流體動力學界面現象4.4.1衝擊波在界面處的行為及其影響4.4.2追趕衝擊波4.4.3稀疏過程中產生的二次衝擊波4.4.4爆炸波在界面處的行為4.4.5稀疏波在界面處的行為4.4.6斜衝擊波在界面處的行為第5章流體動力學不穩定性5.1瑞利-泰勒不穩定性簡述5.1.1浮力的驅動作用5.1.2流體動力學描述的基礎5.2瑞利一泰勒不穩定性線性理論的應用5.2.1兩個均勻流體之間界面的瑞利-泰勒不穩定性5.2.2黏性對瑞利-泰勒不穩定性的影響5.2.3具有密度梯度系統的瑞利-泰勒不穩定性和全域模式5.3對流不穩定性或熵模式5.4瑞利-泰勒不穩定性非線性階段的浮力-阻力模型5.5模式耦合5.6開爾文-亥姆霍茲不穩定性5.6.1開爾文-亥姆霍茲不穩定性的基本方程組5.6.2具有陡峭變化邊界的均勻流體系統5.6.3具有擴展的速度剪切層、其餘區域均勻的流體系統5.6.4存在過渡區的均勻流體系統5.7衝擊波穩定性和裡希特邁耶一緬希柯夫不穩定性5.7.1衝擊波穩定性5.7.2衝擊波與波紋形界面的相互作用5.7.3衝擊波經過後界面的演化--裡希特邁耶-緬希柯夫不穩定性5.8流體動力學湍流第6章輻射輸運6.1基本概念6.1.1輻射的性質與描述6.1.2熱輻射6.1.3輻射與物質相互作用的類型6.1.4輻射與物質淨相互作用的描述6.2輻射輸運6.2.1輻射輸運方程6.2.2輻射輸運計算6.2.3天體物理學和實驗室研究中使用的不透明度6.2.4平衡擴散極限下的輻射輸運6.2.5非平衡擴散和雙溫模型6.3相對論輻射輸運的考察第7章輻射流體力學7.1輻射流體力學方程組7.1.1基本方程組7.1.2熱力學關係7.2輻射和漲落7.2.1輻射聲波，光學厚情形7.2.2輸運較為重要情形中冷卻的作用7.2.3光學薄的聲波7.2.4輻射熱不穩定性7.3輻射擴散和馬夏克波7.3.1馬夏克波7.3.2電離輻射波7.3.3常能量的輻射擴散波7.4輻射衝擊波7.4.1輻射衝擊波的各種狀況7.4.2輻射衝擊波的流體動力學7.4.3輻射前驅波的模型7.4.4光學薄介質中的輻射衝擊波7.4.5下游光學厚、上游光學薄介質中的輻射衝擊波7.4.6光學厚介質中輻射衝擊波的流體動力學7.4.7光學厚介質中的輻射衝擊波，通量主導狀況7.4.8光學厚介質中的輻射衝擊波，輻射主導狀況7.4.9衝擊波中電子與離子的耦合7.5電離陣面第8章創建物質的高能量密度狀況8.1激光束直接輻照8.1.1激光技術8.1.2激光束聚焦8.1.3電磁波的傳播與吸收8.1.4激光散射和激光-等離子體不穩定性8.1.5電子熱輸運8.1.6燒蝕壓力8.2黑腔8.2.1激光束轉換為X射線8.2.2離子束產生X射線8.2.3x射線引起的燒蝕8.2.4與黑腔有關的其他問題8.3z箍縮與相關的實驗方法8.3.1應用于高能量密度物理研究的z箍縮技術8.3.2動力黑腔8.3.3磁驅動高速平面飛片第9章慣性約束聚變9.1發生聚變的燃料終態條件9.1.1聚變反應所需燃料及其終態狀況9.1.2能量增益：是否值得去做9.1.3壓縮狀態下氘氚燃料的性質9.2燃料終態的形成和聚變點火9.2.1高度壓縮狀態的實現9.2.2聚變燃料點火9.2.3中心熱點點火9.2.4快點火9.3困境和問題9.3.1瑞利-泰勒不穩定性9.3.2對稱性9.3.3激光-等離子體不穩定性第10章實驗天體物理學10.1流體動力學系統的標度關係10.2一個透徹的例子：Ⅱ型超新星中的流體動力學界面不穩定性10.2.1關於Ⅱ型超新星的天體物理學基本知識10.2.2超新星中界面不穩定性的標度參數問題10.2.3Ⅱ型超新星中界面不穩定性的模擬實驗10.3另一個例子：星際雲團破碎中的相互作用10.4輻射流體力學系統的標度關係10.5輻射天體物理噴流：研究背景和標度關係10.5.1天體物理噴流的基本知識10.5.2從輻射天體物理噴流至實驗室系統的標度關係10.5.3輻射噴流的實驗第11章相對論高能量密度系統11.1超快激光器的發展11.2強電磁場中單電子的運動11.3激光與等離子體相對論相互作用的引發11.4吸收機制11.5諧波的產生11.6相對論自聚焦和誘導透明性11.7粒子的加速11.7.1等離子體內的加速11.7.2利用固體靶表面的電場勢進行加速11.7.3利用庫侖爆炸進行加速11.8鑽孔現象和無碰撞衝擊波11.9其他現象附錄A物理常數，縮寫詞，變量符號附錄B簡單的Mathematica計算編碼參考文獻

另一種過程中處于連續譜狀態的電子與離子復合，發出一個光子。這樣產生的X射線譜線位于K邊沿附近，因為對于處于接近零能量的連續譜狀態的電子來說，這是一個非常強烈的過程。在能量低于此譜線的部分，可以觀察到由于與光子復合進入激發態，然后又衰退到基態的電子所造成的結構。在高于這條譜線的能譜范圍則可看到連續譜的特色，即從連續譜中能量較高狀態進行自由—束縛躍遷的電子所造成的結構。這種自由—束縛躍遷輻射譜段的能量略高于上述X射線譜線，某些情形中可用來對溫度進行診斷。
3.第三種類型的輻射與物質相互作用
最后一種類型涉及自由—自由躍遷，這種躍遷把一個電子從一個連續譜狀態轉移到另一個連續譜狀態。自由電子與其他任何粒子（包括光子）相互作用，產生自由—自由躍遷，而且這種躍遷常導致光子的發射或吸收。兩種最普通而且最重要的自由—自由相互作用過程是輻射的軔致發射和逆軔致吸收。軔致發射中，一個粒子（特別是電子）通過與另一個帶電粒子（特別是原子核）的相互作用得到加速，導致光子的發射。軔致發射是灼熱稠密物質發射連續譜輻射的主要機制。逆軔致吸收中，光子（或光波）驅使—個電子運動經過一個原子核，與原子核的相互作用使得電子運動發生隨機化，其作用是從光波中提取能量。逆軔致過程的吸收系數將在9.2節中論述。逆軔致過程的高能端極限是康普頓散射，這里光子與粒子的能量交換是量子化的。對于磁化等離子體有重要意義的另一種自由—自由發射機制，是同步輻射的發射。
6.1.4輻射與物質凈相互作用的描述
幸運的是，人們并不經常需要明確地考慮每一種獨特的輻射與物質相互作用，而只需要考慮輻射被發射、吸收和散射的凈總量，給出對許多系統的恰當描述就行。下面給出這樣一種描述。
等離子體通過直接和問接兩種途徑發射輻射，直接途徑即是通過粒子之問的相互作用，如軔致輻射；間接途徑即由輻射在角度或能量方面的散射所引起。寫出譜發射率為其cgs制單位為exg/cm3?s?sr?Hz）。在一些技術著作中，使用的術語是“譜發射系數”而不是“譜發射率”。上式中記vth為譜熱發射率，這里已做近似，即假定粒子能量具有一個單一的麥克斯韋分布。更普遍完備的表達式應當明確包括系統中全部粒子發射輻射的所有可能過程，例如，應包括碰撞激發產生的線譜發射以及電子分布的高能尾部引起的軔致輻射發射。我們指出，vth在頻域及立體角上的積分，給出了等離子體中由于輻射導致的物質的功率損失率。式（6.2，1）右部另一項是譜散射發射率vth，包括了使輻射在角度或能量方面發生散射的所有過程。我們對此項不進行深入討論，但是指出，給定角度或能量下的譜散射發射率，通常與其他角度或能量范圍上輻射強度的一個積分有關。與本節前面討論的物理量不相同，式（6.21）在頻域或角度范圍上的積分不能簡捷地進行，除非先對散射項做簡化沂似，或者依據某種理由將其忽略不計。