In indirect-drive inertial confinement fusion, there are significant non-equilibrium kinetic effects that deviate from hydrodynamic descriptions in the region of relatively high temperature and low density. Crucially, the complex interfacial kinetic process can alter the plasma properties at the interface between the high-Z hohlraum inner wall plasma and the low-density fill-gas plasma, thereby affecting laser transport and energy deposition processes. The kinetic collisionless shock wave can form at the wall-gas interface. In this work, we investigated the multi-ion-species effects during the formation and propagation of the collisionless shock driven by the expansion of high-Z gold (Au) plasma into the rarefied deuterium–hydrogen gas mixture using one-dimensional implicit Particle-in-Cell simulations. The results reveal that the spatio-temporal evolution of the electrostatic potential approaches a steadily propagating two-step rise pattern due to its interplay with the plasma mixtures. The downstream ion-species stratification attributed to electro-diffusion was explored and found to increase the shock velocity compared to the single-ion species cases under identical initial temperature and electron densities. Additionally, the characteristic two-step rise potential structure would induce the anomalous velocity distributions of reflected suprathermal ions relevant to experiments. A quantitative relationship is established between shock characteristics and the velocity distribution discrepancies of reflected H and D ion species. These findings advance the understanding of electrostatic collisionless shock physics in multi-ion-species plasmas and provide critical insights for assessing the hohlraum plasma conditions.
間接駆動慣性核融合において、比較的高温かつ低密度の領域では、流体力学記述から逸脱する重要な非平衡運動論効果が存在する。重要なことに、複雑な界面運動論過程は、高Zホーラム内壁プラズマと低密度フィルガスプラズマとの界面におけるプラズマ特性を変化させ得、それによりレーザー輸送およびエネルギー堆積過程に影響を及ぼす。運動論的無衝突衝撃波は、壁-ガス界面で形成され得る。本研究では、一次元陰的Particle-in-Cellシミュレーションを用いて、高Z金(Au)プラズマの希薄重水素-水素混合ガスへの膨張によって駆動される無衝突衝撃波の形成および伝播中における多イオン種効果を調査した。結果は、静電ポテンシャルの時空間発展が、プラズマ混合物との相互作用により、定常的に伝播する二段階立ち上がりパターンに近づくことを明らかにした。電気拡散に起因する下流のイオン種成層を調査し、同一の初期温度および電子密度の下で、単一イオン種の場合と比較して衝撃波速度を増加させることが見出された。さらに、特徴的な二段階立ち上がりポテンシャル構造は、実験に関連する反射された超熱イオンの異常な速度分布を誘起するであろう。衝撃波特性と、反射されたHおよびDイオン種の速度分布の差異との間の定量的関係が確立される。これらの発見は、多イオン種プラズマにおける静電無衝突衝撃波物理の理解を進め、ホーラムプラズマ状態の評価に重要な洞察を提供する。