Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой

В рамках кинетического моделирования взаимодействия лазерного импульса со сверхкритической плазмой исследуются процессы развития филаментационной неустойчивости, связанной с анизотропией функции распределения по импульсам пучка быстрых электронов, ускоренных лазерным импульсом с поверхности вглубь м...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2003
Автори:	Ёлкина, Н.В., Левченко, В.Д.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2003
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Нелинейные процессы
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111007
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой / Н.В. Ёлкина, В.Д. Левченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 124-128. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111007
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1110072017-01-08T03:03:41Z Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д. Нелинейные процессы В рамках кинетического моделирования взаимодействия лазерного импульса со сверхкритической плазмой исследуются процессы развития филаментационной неустойчивости, связанной с анизотропией функции распределения по импульсам пучка быстрых электронов, ускоренных лазерным импульсом с поверхности вглубь мишени. Обсуждается возможный сценарий развития филаментационной неустойчивости, предложенный с учетом особенностей взаимодействия лазерного излучения с плазмой. Особое внимание уделено особенностям поведения плазменных ионов на поздних стадиях взаимодействия. 2003 Article Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой / Н.В. Ёлкина, В.Д. Левченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 124-128. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111007 533.9 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Нелинейные процессы Нелинейные процессы
spellingShingle	Нелинейные процессы Нелинейные процессы Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д. Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой Вопросы атомной науки и техники
description	В рамках кинетического моделирования взаимодействия лазерного импульса со сверхкритической плазмой исследуются процессы развития филаментационной неустойчивости, связанной с анизотропией функции распределения по импульсам пучка быстрых электронов, ускоренных лазерным импульсом с поверхности вглубь мишени. Обсуждается возможный сценарий развития филаментационной неустойчивости, предложенный с учетом особенностей взаимодействия лазерного излучения с плазмой. Особое внимание уделено особенностям поведения плазменных ионов на поздних стадиях взаимодействия.
format	Article
author	Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д.
author_facet	Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д.
author_sort	Ёлкина, Н.В.
title	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой
title_short	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой
title_full	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой
title_fullStr	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой
title_full_unstemmed	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой
title_sort	развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2003
topic_facet	Нелинейные процессы
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111007
citation_txt	Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой / Н.В. Ёлкина, В.Д. Левченко // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 124-128. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT ëlkinanv razvitiefilamentacionnojneustojčivostiprivzaimodejstviimoŝnogolazernogoimpulʹsasosverhkritičeskojplazmoj AT levčenkovd razvitiefilamentacionnojneustojčivostiprivzaimodejstviimoŝnogolazernogoimpulʹsasosverhkritičeskojplazmoj
first_indexed	2025-07-08T01:30:05Z
last_indexed	2025-07-08T01:30:05Z
_version_	1837040357002444800
fulltext	УДК 533.9 РАЗВИТИЕ ФИЛАМЕНТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ВЗАИ- МОДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА СО СВЕРХКРИТИЧЕСКОЙ ПЛАЗМОЙ Н.В. Ёлкина, В.Д. Левченко Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН,Москва, Россия, elkina@Keldysh.ru} В рамках кинетического моделирования взаимодействия лазерного импульса со сверхкритической плаз- мой исследуются процессы развития филаментационной неустойчивости, связанной с анизотропией функ- ции распределения по импульсам пучка быстрых электронов, ускоренных лазерным импульсом с поверхно- сти вглубь мишени. Обсуждается возможный сценарий развития филаментационной неустойчивости, предложенный с учетом особенностей взаимодействия лазерного излучения с плазмой. Особое внимание уделено особенностям поведения плазменных ионов на поздних стадиях взаимодействия. 1. ВВЕДЕНИЕ Пристальное внимание к проблеме развития фила- ментационной неустойчивости (неустойчивости Вейбеля) [1,2] при взаимодействии мощного лазер- ного излучения со сверхкритической мишенью свя- зано с решением проблемы лазерного термоядерно- го синтеза в рамках подхода быстрого поджига (Fast Ignition) дейтерий-тритиевой мишени [3]. В этих условиях филаментационная неустойчивость разви- вается при прохождении пучка быстрых электро- нов, ускоренных мощным лазерным импульсом, сквозь плазму мишени. Электронный пучок перено- сит энергию лазерного излучения к центру мишени для осуществления термоядерного поджига. Как по- казывают исследования, филаментационная неу- стойчивость препятствует переносу быстрыми элек- тронами энергии, достаточной для поджига цен- тральной части мишени [4]. Энергия электронов, ускоренных с поверхности мишени лазерным импульсом, в процессе развития филаментационной неустойчивости переходит в энергию магнитного поля потоковых филаментов, а также в энергию теплового движения плазмы. Фи- ламентационная неустойчивость имеет существенно кинетическую природу и связана с анизотропией функции распределения по импульсам [1,2]. Анизо- тропия функции распределения в данном случае связана с прохождением сквозь плазму мишени пуч- ка электронов, ускоренных в продольном направле- нии ( )zb k\|\|z\|\|u bu -- скорость электронов в пучке, zk -- волновой вектор лазерного импульса). Насы- щение филаментационной неустойчивости происхо- дит вследствие изотропизации функции распределе- ния при взаимодействии пучковых филаментов. В работе с помощью кинетического моделирова- ния исследуются процессы возникновения и разви- тия филаментационной неустойчивости. Основное внимание уделяется поведению филаментов на вре- менах, сравнимых и больших длительности лазер- ного импульса. Показано, что филаментационная структура маг- нитного поля сохраняется и после того, как импульс закончился. На таких временах основную роль в происходящих процессах играют ионы. Численное моделирование взаимодействия лазер- ного излучения с плазмой было проведено с помо- щью релятивистского кинетического параллельного кода SUR/MP [5]. Использование асинхронного ме- тода локальной- пространственно-временной де- композиции LSTD [6] позволило провести расчеты для актуальных параметров взаимодействия лазер- ного излучения с плазмой. 2. РАЗВИТИЕ ФИЛАМЕНТАЦИОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ На величину тока, переносимого пучком заряжен- ных частиц через вакуум существует естественное ограничение, именуемое альфеновским пределом AI [7]. Ее значение составляет e/mcI A 3β γ= , где c/ub=β , 2121 /)( −−= βγ -- релятивистские фак- торы, а bu -- скорость частиц, составляющих пучок [7]. Для электронов значение составляет 340=AI кА, что в десятки раз меньше, чем необходимо для достаточного разогрева термоядерной мишени. Когда ток в пучке равен значению AI , энергия маг- нитного поля, окружающего пучок, равна кинетиче- ской энергии, переносимой пучком. Однако, в плаз- ме при распространении пучка этот предел суще- ственно снижен, что связано с нейтрализацией заря- да и тока электронного пучка при распространении сквозь плазму. Плазме возникает обратный ток, в большой степени компенсирующий ток пучка. Рассмотрим сценарий возникновения филаментаци- онной неустойчивости во взаимодействии лазерного импульса со сверхкритической плазмой. mailto:elkina@Keldysh.ru Рис.1: Схема развития филаментационной неустойчивости при взаимодействии s-поляризованного реляти- вистски сильного лазерного импульса импульса со сверхкритической плазмой При интенсивностях 1810>I Вт/см 2 роль столкно- вений не очень существенна и поэтому поглощение энергии лазерного излучения в мишени происходит посредством коллективных механизмов [8]. На начальных стадиях взаимодействия, когда ток пучка еще довольно слабый и практически полно- стью компенсируется обратным плазменным током. Таким образом, на начальных стадиях взаимодей- ствия система ``электронный пучок--компенсирую- щий плазменный ток'' представляет собой нейтраль- ный токовый слой [9], суммарное магнитное поле которого близко к нулю, как это представлено на рис.1, а. На этом рисунке схематически показано распределение скорости электронов пучке. Магнит- ное поле пучка показано сплошной линией, а маг- нитное поле плазменного тока -- пунктирной. При увеличении энергии, падающей на поверх- ность мишени, энергия электронов, инжектируемых в плазму возрастает и обратный плазменный ток перестает полностью компенсировать ток ускорен- ных электронов. В это же время в приповерхностной области начи- нают появляться электроны, энергия которых в несколько раз превосходит осцилляторную энергию, приобретаемой электроном при движении в поле ла- зерной волны. Это связано с нелинейными процес- сами возбуждения плазменных волн и развитием модуляционной неустойчивости [10,11]. По мере развития взаимодействия, ток пучка усили- вается, и теперь уже фоновый плазменный ток не может полностью скомпенсировать пучок. Это при- водит к возникновению квазистатического магнит- ного поля, связанного с электронным пучком. Сге- нерированное магнитное поле начинает сепариро- вать частицы, движущиеся в противоположных направлениях. Вследствие наличия у лазерного им- пульса огибающей, энергия электронов в пучке до- стигает максимума на оси, это приводит к более ин- тенсивному вытеснению электронов фонового тока из центральной части пучка. Возникает локальное магнитного поля, генерируемое центральной частью пучка, как это показано на рис.1, а. Локальное магнитное поле изолирует выделив- шийся филамент электронного пучка, что приводит к более активному вытеснению электронов обратно- го плазменного тока из образующегося пучкового филамента, что опять же приводит к усилению маг- нитного поля выделяющегося филамента. Описанные процессы показаны на рис.1, a. Вслед за центральным, выделяются остальные пучковые филаменты, изолированные собственным магнит- ным полем. Между пучковыми филаментами распо- лагаются филаменты обратного плазменного тока. Эта картина иллюстрируется схемой 1, б, а также рис.2, где представлены распределения продольной компоненты обратного импульса и энергии элек- тронов. Развитие филаментационной неустойчивости при- водит к усилению мелкомасштабного филаментаци- онного магнитного поля сгенерированного фила- ментами. Магнитное поле филамента может усиливаться до тех пор, пока величина ларморовского радиуса элек- трона, движущегося в локальном магнитном поле, не станет равной поперечному размеру филамента. Оценим максимальное значение магнитного поля, которое оно достигает в процессе развития фила- ментации. Ларморовский радиус электрона eB/mc)(/u / BcBL 2212 1−≈= ⊥⊥ γωρ , где Bu⊥ и B⊥γ поперечные скорость и лоренц-фактор частицы в локальном магнитном поле B , cω -- циклотронная частота. Предполагая, что при насыщении филамен- тационной неустойчивости распределение частиц по импульсам будет изотропно ( )21221 / B )c/u(~ − ⊥ −=γγ , можно оценить энер- гию филаментационного магнитного поля[12]: γ γ γ π 22 1 1 8 2 2 + − ~ )(nmc /B В случае сильно релятивистского пучка, когда γ >>1, энергия магнитного поля сравнима с кинетиче- ской энергией электронов пучкового филамента. На поздних стадиях в процессах филаментации становится существенным поведение ионов. Для ил- люстрации динамики ионов приведены результаты двумерного численного эксперимента, моделирую- щего взаимодействие мощного импульса неодимо- вого лазера )m.( µλ 061= интенсивностью 191011 ⋅= .I Вт/см 2 Рис.2: а) Продольная составляющая энергии электронов e zW , б) отрицательный продольный импульс элек- тронов, cre nNt 8,1900 ==ω , s-поляризация Рис.3: а) Поперечная составляющая импульса ионов водорода H yP cre nN,,t 81901500 ==ω , s-поляриза- ция. Ионы выталкиваются в поперечном направлении. (безразмерная амплитуда для такого импульса -- 30 == mc/eEa ω , 0ω --лазерная частота) сверхкри- тической полиэтиленовой )CH( 2 плазмой −++ ++→ eHCCH 1266 2 , с параметрами: crCcrHcre nN,nN,nN 128 6 === ++− . 3. ДИНАМИКА ИОНОВ При прохождении пучка ускоренных лазерным импульсом электронов сквозь мишень в плазме об- разуется избыточный положительный заряд. Меха- низм его образования состоит в следующем: элек- троны, ускоренные лазерным импульсом с поверх- ности, а также быстрые электроны, сгенерирован- ные в приповерхностной области мишени, образу- ют ток, проникающий в плазму. Как известно, ток в плазме экранируется током плазменных частиц [13]. Однако, из-за неполного экранирования, в плазме генерируется магнитное поле, связанное с пучком ускоренных электронов. Рис.4: Распределение ионов водорода по импульсам H яP вдоль оси z cre nNt 8,1900 ==ω , s-поляриза- ция Это поле начинает разделять заряды, что приводит к развитию филаментации. Плазменный ток состоит из большого, по сравнению с прямым пучком коли- чества более медленных плазменных электронов, которые вытесняются из области, где проходит пря- мой пучок. При развитии филаментации из пуч- ковых филаментов медленные плазменные электро- ны вытесняются быстрее. Таким образом области прохождения филаментированного соответствует область пониженной электронной плотности с ми- нимумами в местах, где расположены филаменты. При этом наблюдается образование избыточного положительного заряда, что приводит к активному вовлечению ионов в участия в дальнейших процес- сах, наблюдаемых в плазме. Под действием электро- статической силы избыточного положительного за- ряда ионы начинают вытесняться из области, где проходил электронный пучок. Вытеснение в основ- ном происходит в поперечном направлении из всей област, занимаемой филаментированным потоком. При этом из мест, где непосредственно расположе- ны филаменты вытеснение ионов происходит интен- сивнее, как это видно на рис.3, где приведено рас- пределение поперечного импульса ионов водорода в различные моменты времени. Как показывают результаты численных экспери- ментов, сильные магнитные поля остаются в плазме после того, как интенсивность падающего излуче- ния ослабевает и даже после прохождения лазерного импульса. Энергия, заключенная в квазистатиче- ском магнитном поле имеет значительную величи- ну, сравнимую с кинетической энергией пучка уско- ренных электронов. Отсюда можно предположить, что после прохождения лазерного импульса в плаз- ме реализуется некоторый механизм, который под- держивает магнитное поле и постепенно приводит к уменьшению его энергии путем преобразования в кинетическую энергию плазменных частиц. Предпо- лагается, что значительный вклад в процессы кон- версии энергии магнитного поля в кинетическую энергию связан с поведением ионов. Как показывают результаты моделирования на поздних стадиях взаимодействия ионов, летящих в положительном направлении оси z, больше, чем ле- тящих в обратном направлении, как это видно на рис.4, где приведено распределение ионов водорода по импульсам вдоль оси z. Также на рис.4 видно, что наибольший продольный импульс ионы приоб- ретают на поверхностях мишени, причем на обрат- ной стороне импульс у ионов наибольший. Предпо- лагается, что ускорение ионов в настольных лазер- плазменных ускорителях будет основан на этом яв- лении [9]. Таким образом, ток, возбуждаемый этими ионами, соответствует магнитному полю, которое связано с обратными филаментами плазменного компенсиру- ющего тока. Это означает, что на поздних стадиях сильное магнитное может в какой-то мере поддер- живаться ионным током. Предположительно, пря- мой ток ионов сосредоточен на месте филаментов плазменного тока. На месте потоковых филаментов электронного пучка образуются плазменные каналы. 4.ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе с помощью методов кинетиче- ского моделирования, исследуется динамика фила- ментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой. Обсуждается сценарий развития филамен- тационной неустойчивости, учитывающий особен- ности лазер-плазменного взаимодействия. Отмечена роль поведения ионов на поздних, по сравнению с длительностью лазерного импульса, стадиях. Показано, что ионы вытесняются под дей- ствием электростатической силы из области прохо- ждения электронного пучка и особенно из мест, где были расположены пучковые филаменты. Процессы вытеснения ионов приводят к образованию плазмен- ных каналов при больших по сравнению с длитель- ностью импульса временах. Кроме того, отмечено явление преимущественного ускорения ионов в положительном направлении вдоль оси zk\|\|z . Предположительно, этот факт свя- зан с механизмом поддержания филаментационного магнитного поля после прохождения электронного пучка. Результаты имеют значения для исследования воз- можности осуществления лазерного термоядерного синтеза в концепции быстрого поджига и разра- ботки настольных лазер-плазменных ускорителей ионов. Работа выполнена при частичной поддержке гран- та РФФИ 02-01-01004. ЛИТЕРАТУРА 1. V. Weibel // Phys. Rev. Lett. 1959, v.2. 2. P.N. Yoon, R.C. Davidson // Phys. Rev. A. 1987, v.35, p.2718. 3. M. Tabak // Phys. Of. Plasmas. 1994, v.1, p.1626. 4. J. Meyer-ter-Vehn. Fast ignition of ICF targets: an overview // Plasma Phys. and Controlled Fusion. 2001, v.43. 5. N.V. Elkina, V.D. Levchenko. The parallel relativis- tic PIC code for laser-plasma interaction modelling // Abstracts of ULIA Euroconferences-2. Pisa, Italy: IFAM-CNR, September 29- October 3, 2000. 6. Н.В. Ёлкина, В.Д. Левченко. Метод локальной протранственно-временной декомпозиции для рас- параллеливания задач физики плазмы // Труды Все- российской конференции по высокопроизводитель- ным вычислениям и их приложениям. 2000. 7. А.С. Кингсепп. Введение в нелинейную физику плазмы. М.: МФТИ, 1996. 8. P. Mulser, S. Bauer, S. Hain, H. Ruhl, F. Cornotti. Present understanding of superintense laser-solid inter- action // Laser Phys.2000, v.1, N 1. 9. A. Pukhov. Strong field of laser radiation // Reports in Progress in Phys. 2002, v..66, N.2002. 10. Ю.С. Сигов Вычислительный эксперимент: мост между прошлым и будущем физики плазмы. Избранные Труды / Сост. Г.И. Змиевская, В.Д. Лев- ченко. М.: Физматлит, 2000. 11. В.Б. Розанов, С.А. Шумский. Простые модели генерации быстрых электронов в лазерной плазме // Сборник научных трудов М.: Наука, 1986. 12. M.V. Medvedev, A. Loeb // APJ, submited (astro- ph/9904363). 13. Б.А. Трубников. Теория плазмы. М.: Наука, 1986.

Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой

Репозитарії

Схожі ресурси