Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы

При распространении мощного лазерного импульса вдоль внешнего магнитного поля в плазме возбуждается широкий спектр вистлерных мод с частотами ниже электронной циклотронной частоты, что приводит к появлению надтепловых электронов и установлению плато на первоначально максвелловской функции распределе...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2010
Hauptverfasser: Красовицкий, В.Б., Туриков, В.А.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17301
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы / В.Б. Красовицкий, В.А. Туриков // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 62-65. — Бібліогр.: 2 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860067644622766080
author Красовицкий, В.Б.
Туриков, В.А.
author_facet Красовицкий, В.Б.
Туриков, В.А.
citation_txt Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы / В.Б. Красовицкий, В.А. Туриков // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 62-65. — Бібліогр.: 2 назв. — рос.
collection DSpace DC
description При распространении мощного лазерного импульса вдоль внешнего магнитного поля в плазме возбуждается широкий спектр вистлерных мод с частотами ниже электронной циклотронной частоты, что приводит к появлению надтепловых электронов и установлению плато на первоначально максвелловской функции распределения. В результате развивается анизотропно-пучковая неустойчивость и происходит трансформация энергии быстрых электронов в энергию электростатических колебаний плазмы. При розповсюдженні потужного лазерного імпульсу вздовж зовнішнього магнітного поля в плазмі збуджується широкий спектр вістлерних мод з частотами нижче електронної циклотроної частоти, що призводить до появи надтеплових електронів і встановленню плато на первісно максвеллівській функції розподілу. У результаті розвивається анізотропно-пучкова нестійкість і відбувається трансформація енергії швидких електронів в енергію електростатичних коливань плазми. In the propagation of intense laser pulse along the external magnetic field in a plasma excited a wide range of whistler modes with frequencies below the electron cyclotron frequency, which leads to the suprathermal electrons and the establishment of a plateau on the original Maxwellian distribution functions. As a result, develops anisotropically-stream instability and a transformation of fast electron energy in the energy of electrostatic plasma oscillations.
first_indexed 2025-12-07T17:09:06Z
format Article
fulltext УДК 533.9 АНИЗОТРОПНО-ПУЧКОВАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В.Б. Красовицкий, В.А. Туриков* Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН, Москва, Россия; *Российский университет дружбы народов, Москва, Россия E-mail: vturikov@yandex.ru При распространении мощного лазерного импульса вдоль внешнего магнитного поля в плазме возбужда- ется широкий спектр вистлерных мод с частотами ниже электронной циклотронной частоты, что приводит к появлению надтепловых электронов и установлению плато на первоначально максвелловской функции рас- пределения. В результате развивается анизотропно-пучковая неустойчивость и происходит трансформация энергии быстрых электронов в энергию электростатических колебаний плазмы. 1. ВВЕДЕНИЕ _______________________________________________________________ ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2010. № 4. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения (7), с.62-65. 62 Численное моделирование, проведенное в работе [1], показало, что мощный лазерный импульс, рас- пространяющийся вдоль внешнего магнитного поля в плазме, возбуждает пакет вистлерных волн в ши- роком диапазоне частот ниже электронной цикло- тронной частоты. Взаимодействия типа волна- частица, подобно случаю пакета ленгмюровских волн, формируют плато на электронной функции распределения вдоль линий квазилинейной диффу- зии. Функция распределения при этом приобретает анизотропно-пучковую структуру, приводящую к возбуждению неустойчивых электростатических колебаний [2]. В настоящей работе исследована анизотропно- пучковая неустойчивость плазмы, нагретой мощным лазерным импульсом. 2. ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ После установления квазилинейного плато по продольным скоростям 21 vvv z ≤≤ функция рас- пределения быстрых электронов может быть пред- ставлена в виде [1] )()(),( zz vθwCvvf =⊥∞ , (1) где , ⎩ ⎨ ⎧ >< ≤≤ = 21 21 ,,0 ,1 )( vvvv vvv vθ zz z z 1v и − границы плато на первоначально мак- свелловской функции 2v ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + −= ⊥ ⊥ 2 22 2/32 0 exp),( th z th zM v vv vπ n vvf , (2) mTvth /22 = ; и − температура и плотность электронов плазмы. T 0n Траектория ускоренных электронов в простран- стве скоростей определяется интегралом [1]: ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ +⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −+−+= ⊥ 3/4 2 22 2 1 42 zz VV GVw 2/3 2 1 2 4 2 z zV V − ⎤⎛ ⎞ ⎥⎜+ − + − ⎜ ⎥⎝ ⎠ ⎦ ⎟ ⎟ , (3) где введены безразмерные переменные th z z v vV = , thv vV ⊥ ⊥ = , 3/2 2 2 3 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = th ae v v G , (4) ( ) 2/1 0 2 /4 mneπωp = и − ленгмю- ровская и циклотронная частоты; и − масса электрона и продольное магнитное поле; mceBωB /0= m 0B pBae ωωcv /= − альфвеновская скорость электронов. Постоянная в формуле (1) определяется из условия сохранения числа частиц на плато (вдоль линий )(wC constw = ): ∫ ⊥− = 2 112 ),(1)( v v zzM dvvvf vv wC . (5) Исключая поперечную скорость в правой части (5) с помощью (3), представим эту формулу в виде ( ) Iw vπ n wC th )exp()( 2/32 0 −= , ∫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ×⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −+−+− − = 2 1 3/4 2 22 12 2 1 42 exp1 V V zz z VVGV VV I z zz dVVV ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −+−× − 3/2 2 2 1 42 . (6) Верхняя граница плато по определению равна 22 −=V , а нижняя − , определяется формулой (3) при 1V 0=⊥V . 3. АСИМПТОТИКА ВБЛИЗИ 22 −=V Будем считать и разложим правую часть формулы (3) в ряд вблизи верхней границы плато 12 >>G 22 −=V . Удерживая первые члены разложе- ния, находим ( )22 min +−+= ⊥ zVaVww , 2 3/2min 2 3 Gw = , 2 6/11 3 2 Ga = , (7) где соответствует точке и minw 0=⊥V 2−=zV . В этом приближении формула (6) упрощается к виду: ( )[ 63 ]∫ − +−− + −= 2 1 min 1 22exp 2 1 V zz dVVaw V I . (8) Выполняя интегрирование, получаем [ ])exp(1))(2exp( 1 min ababwI −−−= − , (9) где 21 +=Vb , а нижняя граница плато опреде- ляется формулой (7) при . 0=⊥V Из формул (1), (6) и (9) находим функцию рас- пределения вблизи верхней границы плато: ( ) [ ] )()Δexp(1 Δ 1),( 2/32 2 0 z th z Vθw wvπ en VVf −−= − ⊥∞ , (10) где , а зависимость задается выражением (3). minΔ www −= ),( zVVw ⊥ 4. АСИМПТОТИКА ПРИ 2>>zV Для оценки функции распределения в области больших скоростей воспользуемся асим- птотикой интеграла (6): 22 >>zV [ ]∫= 1 01 )(exp1 u duug u I , , (11) 3/422)( uGuug +−= где нижняя граница плато приближенно равна ( ) 4/32 11 / GwVu ≈−= . (12) Разлагая функцию в ряд в точке максимума )(ug ( )2 32 3 2 3 2 2 1)( muuGug −−⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = , 2/32 3 2 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = Gum , (13) представим формулу (6) в виде [ ] (∫ − −−≈ mu umu m dttwug u wC 1 2 1 3/2exp)(exp1)( ) . (14) Рассмотрим случай, когда верхний предел в ин- теграле (11) совпадает с точкой максимума в подын- тегральной функции и 11 >>= muu ( )∫ ≈− mu πdtt 0 2 8/33/2exp . Определяя из этого условия ( )23 3/2Gwm = и полагая в (14) , получаем следующую асим- птотическую оценку: mww ≈ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛≈ 32 3 2 3 2exp1 2 3)( G G wC , . (15) 1>>w Учитывая (4), можно представить (15) в виде ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛≈ 2 22/1 exp 2 3)( th ae ae th v v v v wC , 1>> th ae v v . (16) 5. ДИСПЕРСИЯ ГОРЯЧИХ ЭЛЕКТРОНОВ В электростатическом приближении вклад горя- чих электронов в диэлектрическую проницаемость плазмы равен [2] ∑ ∞ −∞= ∞ ⊥ ∞ ⊥ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∂ ∂ − = n z z B zzn n v f k v f v ωn vkω ξJ mk eπε Δ )(8 2 2 22 )1( .(17) Здесь ∫ ∫ ∞ ∞ ∞− ⊥⊥= 0 (...)... zdvdvv , , Bωvkξ /⊥⊥= Bn ωnωω −=Δ , а функция распределения опре- деляется формулой (10): ∞f ( ) )( 2 Δexp 2 Δ Δ 2),( 2/32 2 0 z th z vθwwsh wvπ en vvf ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−= − ⊥∞ .(18) В области применимости распределения (18) 1Δ ≤w нормированная функция близка к единице, а при − экспоненциально мала. Поэтому с достаточной точностью (Рисунок) можно положить 1Δ >>w 2/Δ)2/Δ( wwsh ≈ и . )2/Δexp(~ wf −∞ Сравнение функций распределения вблизи верхней границы плато с аппроксимирующей функцией: 1 – нормированная функция распределения; 2 – аппроксимирующая функция )2/Δexp( w− Учитывая формулу (7), используем для аналити- ческих расчетов следующее аппроксимирующее выражение: ( ) ×= − ⊥∞ 2/32 2 0),( th z vπ en vvf )(2 22 exp 2 2 z th z th vθ v va v v ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ++− ⊥ , (19) где ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ −> −≤≤∞− = 2,0 2,1 z z v vθ , (20) Распределение электронов плато по поперечным скоростям является максвелловским с температурой TT 2=′⊥ , где и T mTvth /2= − температура и тепловая скорость фоновой плазмы. Моменты функции распределения равны: znvn aπ en ==′ − 0 2 0 22 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ +′− a vn th 220 , 3 2 0 2 0 2)( ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛′=− a vnvvn thz , 0 0 n nv v z ′ = . (21) Здесь и − плотность и направленная скорость горячих электронов. Малым параметром задачи яв- ляется величина . 0n′ 0v ( ) 1//2 3/2 <<≈ aeth vva Выделим особенность производной в интеграле (17) с помощью равенства [ ] −= zvα z zz zvα z e dv dvθvθe dv d )()( ( )2zv z the v vα δ− + , thv aα 2 = , а затем выполним интегрирование по частям: [ ]= −∫ ∞ ∞− )( Δ z zvα zzzn z vθe dv d vkω dv ( ) 2 2 th z v v z z n z z dv k e k v α ω − −∞ = − Δ −∫ . (22) Интеграл по поперечным скоростям вычисляется с помощью формулы )()exp( 2 exp)( 2 0 2 2 2 zIzvdvv v v ξJ nth th n −=⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −∫ ∞ ⊥⊥ ⊥ , (23) где , − модифицированная функция Бесселя. ( )2/ Bth ωvkz ⊥= )(zIn Используя выражения (22) и (23), представим скалярную диэлектрическую проницаемость горя- чих электронов (17) в виде ∫∑ ∞∞ −∞= − ×⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛−′−= 0 2)1( 2 exp 2 )( auduazIeωε n n z p ( )2/ [ ( 2B n z th n k k z k v uω ω ⊥ ⎧⎪× +⎨ Δ + +⎪⎩ 64 )] ( )2 2 / [ ( 2 z n z th k k k v uω ⎫⎪+ ⎬ Δ + + ⎪⎭)] , (24) где meπωp /4 2=′ − эффективная ленгмюровская частота горячих электронов. Формула (24) качественно аналогична формуле, приведенной в монографии [2] для сильно анизо- тропного распределения быстрых частиц с попереч- ной температурой, намного превышающей продоль- ную. Однако в нашем случае направленная про- дольная скорость электронов thvv 20 −= является конечной. 6. ПУЧКОВО-АНИЗОТРОПНАЯ НЕУСТОЙЧИВОСТЬ Дисперсионное уравнение для электростати- ческих колебаний в плазме с анизотропией темпера- туры имеет вид: 0)1()0( =+ εε , (25) где диэлектрическая проницаемость холодной плаз- мы )( ))(( 222 2222 )0( Bωωω ωωωω ε − −− = −+ , (26) а вклад горячих электронов определяется формулой (24). В предельном случае замагниченной плазмы имеем: 22 pB ωω >> 2 2 22 k k ωω z p=− , 2 2 222 k k ωωω pB ⊥ + += . Формула (24) упрощается для больших инкре- ментов , когда резонансный множитель может быть вынесен за знак интеграла: avkω thz /2Im 2/3>> ∑ ∞ −∞= ⊥− ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +′−= n z B n z p δ k δωz nk k zIeωε 2 22 2 2)1( 1)( . (27) Пучковая ветвь thzB vkωnωδ 2+−= пересека- ется с плазменной при 1=n , когда обе собственные частоты близки к гирочастоте электронов . По- лагая Bω 2/)(1 zzI ≅ , представим (27) в виде ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ′ −= ⊥ 2 22 2 2 2 2 )1( 2 δ vk δ ω k k ω ω ε thzB B p . (28) Подставляя (26) и (28) в (25), получаем следую- щее уравнение для малой добавки к частоте: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛′ =− ⊥ 2 224 0 0 2 Δ2 δ vk δ ω k k ω ω n n ω δ thzB B p B , (29) где 2 2 2 2 2/32Δ k k ω ω ω vk B p B thz ⊥+= . (30) Комплексные корни уравнения (27) существуют при и . Максимальный инкремент определяется из условия 0>⊥k 02 >zk 0Δ = : zm z kk k k + =⊥ 2 2 , Bth p m ωv ω k 2/3 2 2 = , (31) которое реализуется при и определяет на- правление распространения волны относительно магнитного поля. 0<zk С учетом (31) формула (29) упрощается к виду: )(3 qyqαy += , Bω δy = , 2 22 B th ω vk q ⊥= , 3/224 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = − ae th v v π eα . (32) Полагая mz kk ≈ и qy << , получаем следую- щую оценку для инкремента пучково-анизотропной неустойчивости плазмы, нагретой лазерным им- пульсом: ( ) 3/8 3/13/12 8 3 2 3Im ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ == B p ω ω αqαy . (33) ЗАКЛЮЧЕНИЕ В данной работе в квазилинейном приближении построена функция распределения горячих электро- нов плазмы во внешнем магнитном поле, ускорен- ных пакетом вистлерных волн. Вистлерные моды возбуждаются при этом мощным лазерным импуль- сом, распространяющимся вдоль магнитного поля. Найденное распределение имеет анизотропно- 65 пучковую структуру, что приводит к развитию неус- тойчивости, в результате которой энергия горячих электронов переходит в энергию электростатиче- ских колебаний плазмы. Найдена зависимость ин- кремента неустойчивости от параметров плазмы. Работа выполнена в рамках Федеральной целе- вой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также частично поддержана грантом РФФИ № 10-02-01302. ЛИТЕРАТУРА 1. V.I. Sotnikov, Y. Sentoku, V.B. Krasovitskiy. Elec- tron cyclotron heating by wistler waves generated during the interaction of a laser pulse with a magnet- ized plasma // Phys. Plasmas. 2005, v.12, р.082107. 2. А.Б. Михайловский. Теория плазменных неус- тойчивостей. М.: «Атомиздат», 1975, т.1, 272 с. Статья поступила в редакцию 19.05.2010 г. ANISOTROPIC-BEAM INSTABILITY OF LASER PLASMA V.B. Krasovitskiy, V.А. Turikov In the propagation of intense laser pulse along the external magnetic field in a plasma excited a wide range of whistler modes with frequencies below the electron cyclotron frequency, which leads to the suprathermal electrons and the establishment of a plateau on the original Maxwellian distribution functions. As a result, develops anisot- ropically-stream instability and a transformation of fast electron energy in the energy of electrostatic plasma oscilla- tions. АНІЗОТРОПНО-ПУЧКОВА НЕСТІЙКІСТЬ ЛАЗЕРНОЇ ПЛАЗМИ В.Б. Красовицький, В.А. Туріков При розповсюдженні потужного лазерного імпульсу вздовж зовнішнього магнітного поля в плазмі збу- джується широкий спектр вістлерних мод з частотами нижче електронної циклотроної частоти, що призво- дить до появи надтеплових електронів і встановленню плато на первісно максвеллівській функції розподілу. У результаті розвивається анізотропно-пучкова нестійкість і відбувається трансформація енергії швидких електронів в енергію електростатичних коливань плазми. ЛИТЕРАТУРА
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17301
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language Russian
last_indexed 2025-12-07T17:09:06Z
publishDate 2010
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Красовицкий, В.Б.
Туриков, В.А.
2011-02-25T11:29:54Z
2011-02-25T11:29:54Z
2010
Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы / В.Б. Красовицкий, В.А. Туриков // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 4. — С. 62-65. — Бібліогр.: 2 назв. — рос.
1562-6016
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17301
533.9
При распространении мощного лазерного импульса вдоль внешнего магнитного поля в плазме возбуждается широкий спектр вистлерных мод с частотами ниже электронной циклотронной частоты, что приводит к появлению надтепловых электронов и установлению плато на первоначально максвелловской функции распределения. В результате развивается анизотропно-пучковая неустойчивость и происходит трансформация энергии быстрых электронов в энергию электростатических колебаний плазмы.
При розповсюдженні потужного лазерного імпульсу вздовж зовнішнього магнітного поля в плазмі збуджується широкий спектр вістлерних мод з частотами нижче електронної циклотроної частоти, що призводить до появи надтеплових електронів і встановленню плато на первісно максвеллівській функції розподілу. У результаті розвивається анізотропно-пучкова нестійкість і відбувається трансформація енергії швидких електронів в енергію електростатичних коливань плазми.
In the propagation of intense laser pulse along the external magnetic field in a plasma excited a wide range of whistler modes with frequencies below the electron cyclotron frequency, which leads to the suprathermal electrons and the establishment of a plateau on the original Maxwellian distribution functions. As a result, develops anisotropically-stream instability and a transformation of fast electron energy in the energy of electrostatic plasma oscillations.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также частично поддержана грантом РФФИ № 10-02-01302.
ru
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Нерелятивистская электроника
Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
Анізотропно-пучкова нестійкість лазерної плазми
Anisotropic-beam instability of laser plasma
Article
published earlier
spellingShingle Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
Красовицкий, В.Б.
Туриков, В.А.
Нерелятивистская электроника
title Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
title_alt Анізотропно-пучкова нестійкість лазерної плазми
Anisotropic-beam instability of laser plasma
title_full Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
title_fullStr Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
title_full_unstemmed Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
title_short Анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
title_sort анизотропно-пучковая неустойчивость лазерной плазмы
topic Нерелятивистская электроника
topic_facet Нерелятивистская электроника
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17301
work_keys_str_mv AT krasovickiivb anizotropnopučkovaâneustoičivostʹlazernoiplazmy
AT turikovva anizotropnopučkovaâneustoičivostʹlazernoiplazmy
AT krasovickiivb anízotropnopučkovanestíikístʹlazernoíplazmi
AT turikovva anízotropnopučkovanestíikístʹlazernoíplazmi
AT krasovickiivb anisotropicbeaminstabilityoflaserplasma
AT turikovva anisotropicbeaminstabilityoflaserplasma