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...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Дата: | 2003 |
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2003
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.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| _version_ | 1859802468167188480 |
|---|---|
| author | Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д. |
| author_facet | Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д. |
| 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. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | 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.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:13:48Z |
| format | Article |
| 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.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111007 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:13:48Z |
| publishDate | 2003 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д. 2017-01-07T17:06:12Z 2017-01-07T17:06:12Z 2003 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 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111007 533.9 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. Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ 02-01-01004. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Нелинейные процессы Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой Article published earlier |
| spellingShingle | Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой Ёлкина, Н.В. Левченко, В.Д. Нелинейные процессы |
| title | 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_short | Развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой |
| title_sort | развитие филаментационной неустойчивости при взаимодействии мощного лазерного импульса со сверхкритической плазмой |
| topic | Нелинейные процессы |
| topic_facet | Нелинейные процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111007 |
| work_keys_str_mv | AT elkinanv razvitiefilamentacionnoineustoičivostiprivzaimodeistviimoŝnogolazernogoimpulʹsasosverhkritičeskoiplazmoi AT levčenkovd razvitiefilamentacionnoineustoičivostiprivzaimodeistviimoŝnogolazernogoimpulʹsasosverhkritičeskoiplazmoi |