Группа теории пучково-плазменного взаимодействия

Кто мы?

Молодой коллектив физиков-теоретиков, изучающий процессы взаимодействия пучков заряженных частиц и лазерных импульсов с плазмой.

Чем мы занимаемся?

Современная теория физики плазмы состоит из двух основных составляющих:

С одной стороны, ведутся "классические" теоретические исследования, когда на бумаге развивается аналитическая теория наблюдаемых явлений.
С другой стороны, активно применяется численное моделирование протекающих в плазме процессов.

Мы активно используем оба этих подхода. Плазма является очень сложной нелинейной средой, поэтому законченные аналитические теории, зачастую, можно построить только в рамках некоторых приближений, область применимости которых затем проверяется моделированием. Но иногда теория строится уже после открытия нового явления в численном моделировании.

Какие мы решаем проблемы?

Для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза необходимо осуществлять эффективный нагрев плазмы. В ИЯФ СО РАН проводились исследования метода нагрева плазмы в установке ГОЛ-3 с помощью инжекции длинных электронных пучков. В ходе этих экспериментов было замечено интенсивное электромагнитное (ЭМ) излучение из плазмы. На данный момент не существует исчерпывающего теоретического понимания механизмов такого излучения. Дальнейшее теоретическое исследование этих процессов позволит использовать ЭМ излучение в качестве диагностического метода состояния термоядерной плазмы. Кроме того, такая система может стать эффективным источником полезного излучения. В настоящее время модифицированная установка ГОЛ-3Т нацелена на поиск высокоэффективных режимов генерации ЭМ волн и создание мощного источника ТГц излучения.
В наши дни большую актуальность приобрела проблема создания эффективных и компактных источников электромагнитного излучения в терагерцовом диапазоне частот. Такое излучение становится всё более востребованным, поскольку открывает абсолютно новые возможности в таких междисциплинарных областях, как управление различными физическими процессами в конденсированных средах (фотоиндуцированная сверхпроводимость, фазовые переходы, спиновые волны), инициация поверхностных химических реакций, высококонтрастная визуализация и спектроскопия.

Самые мощные импульсы ТГц излучения генерируются на крупных и очень дорогостоящих лазерах на свободных электронах (ЛСЭ). Более компактные, но менее мощные (из-за наличия порогов разрушения нелинейных кристаллов) схемы предлагает лазерное сообщество.

Наиболее перспективной нелинейной средой, не имеющей порогов разрушения, является плазма. Возбуждаемые в ней колебания могут достигать экстремально больших значений электрического поля (десятков ГВ/см). Задача теоретика - указать способ их преобразования в полезное ЭМ излучение.
Пучково-плазменное взаимодействие также играет важную роль в различных астрофизических задачах, таких как генерация высокоэнергетических космических лучей, гамма-вспышки и солнечные радио-всплески III типа. Для понимания этих процессов ключевую роль играет теоретическая физика, поскольку астрофизические эксперименты на текущем уровне развития человечества крайне затруднительны. Адекватные модели этих процессов имеют и вполне определённое практические применение в сфере прогноза солнечной погоды, которая способна оказывать существенное влияние как на работу орбитальных космических аппаратов, так и на процессы на Земле.

Наши результаты

Совсем недавно нами обнаружен новый перспективный механизм генерации мощных импульсов узкополосного ТГц излучения. Он основывается на слиянии встречных кильватерных плазменных волн с различной поперечной формой. Эти волны могут возникать в плазме под действием различных драйверов: коротких лазерных импульсов или пучков заряженных частиц. В данный момент мы рассматриваем два основных направления развития этой идеи:
1. Использование коротких фемтосекундных лазерных импульсов. Для этого способа нами уже построена существенная часть теории, которая предсказывает возможность генерации импульсов ТГц излучения, превышающих результаты ЛСЭ на достаточно скромных по мощности лазерах, на одном из которых (в ИЛФ СО РАН) сейчас ведётся подготовка к проведению подтверждающих эту теорию экспериментов;
2. Применение длинных пучков электронов. Этот способ должен быть даже более эффективным, чем в случае с лазерами, поскольку генерация излучения будет происходить с большей интенсивностью и с существенно большей длительностью. Принципиальная работоспособность этого подхода уже подтверждена численным моделированием и сейчас ведутся дальнейшие теоретические исследования.
В процессе объяснения необычно высокой электромагнитной эмиссии из тонкой плазмы на установке ГОЛ-3 нами был обнаружен механизм (получивший название механизма пучково-плазменной антенны), позволяющий эффективно преобразовывать энергию пучка в электромагнитное излучение в плазме с продольной модуляцией плотности. Этот механизм не только может объяснить наблюдаемый в эксперименте уровень излучения, но также позволяет создавать принципиально новые источники излучения:
1. Высокой эффективности генерации излучения можно достичь инжектируя длинные релятивистские пучки в плазму с предварительно созданной продольной модуляцией плотности. Однако необходимый профиль плотности может появляться самосогласованно под воздействием модуляционной неустойчивости, вызванной пучково-плазменными колебаниями.
2. Также можно использовать фемтосекундные лазерные импульсы. Для линейной конверсии возбуждаемых ими кильватерных волн необходимо предварительное создание тонкого плазменного канала с продольной модуляцией плотности. В данный момент нами рассматривается новый способ формирования такой модуляции за счёт стоячей плазменной волны, возбуждаемой встречными лазерными пучками малой интенсивности.
Для адекватного описания пучково-плазменного взаимодействия необходимо знание инкремента пучковой неустойчивости, который не только определяет линейную стадию взаимодействия, но и позволяет судить о последующих нелинейных процессах. Задача его полноценного вычисления в замагниченной плазме в рамках точной кинетической теории долгое время считалась неподъёмной даже для численного решения. В литературе за этой задачей даже закрепился термин “сложнейшая задача Клеммоу-Догерти” (Clemmow-Dougherty’s daunting task).

Основная проблема заключалась в том, что в тензор диэлектрической проницаемости замагниченной плазмы входит весьма медленно сходящийся ряд из произведений функций Бесселя. Нами было обнаружено, что наиболее оптимальный алгоритм решения соответствующего дисперсионного уравнения базируется на представлении этого ряда интегралом с конечными пределами, что значительно уменьшило трудоёмкость вычислений для заданного уровня точности и позволило впервые решить задачу в наиболее общей постановке.

Согласно последним публикациям по данной теме, наши точные кинетические расчёты по-прежнему остаются единственными в мире.

Наверх

Группа теории пучково-плазменного взаимодействия, 2018