Трехмерное моделирование ускорения заряженных частиц при взаимодействии мощных фемтосекундных лазерных импульсов с плазмой

• Автор: Пугачёв, Леонид Петрович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Оглавление
Введение

Обзор литературы

1. Лазерно-плазменное ускорение электронов

2. Механизмы ускорения ионов из тонких мишеней с закритиче-

ской плотностью

Глава 1. Метод Р1С для моделирования лазерно-плазменных взаимодействий. Тестовые расчеты

1.1. Основные уравнения

1.2. Разностная схема

1.3. Масштабируемость ЗБ Р1С кода УЬРЬ

1.4. Возбуждение кильватерной плазменной волны коротким лазерным импульсом в резонансном режиме
1.5. Сохранение энергии в системе из нагретых электронов и протонов при периодических краевых условиях
1.6. Генерация горячих электронов из неоднородной плазмы под
воздействием короткого лазерного импульса
1.7. Выводы
Глава 2. Исследование различных режимов ускорения электронов в кильватерных полях при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с плазменной короной докритиче-ской плотности
2.1. ЮЗУ моделирование
2.2. Захват и ускорение в нисходящем профиле плотности двумерно неоднородной плазмы. ЗБЗУ моделирование

2.3. Ускорение в одномерно неоднородном профиле плотности плазмы с двумя плато. ЗБЗУ моделирование
2.4. Выводы
Глава 3. Моделирование ускорения ионов из слоя плазмы с за-критической плотностью под воздействием релятивистски интенсивного остро сфокусированного лазерного импульса
3.1. Постановка задачи и первоначальный выбор параметров моделирования
3.2. Анализ динамики суммарных кинетических энергий частиц
3.3. Коэффициент поглощения и характерные времена передачи энергии частицам
3.4. Анализ энергетических спектров ионов
3.5. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность темы. Ускорители заряженных частиц широко используются для решения как фундаментальных, так и прикладных задач. Хорошо известна роль ускорителей в физике высоких энергий для изучения свойств элементарных частиц, однако потоки заряженных электронов и ионов также используются для генерации синхротронного рентгеновского излучения, создания лазеров на свободных электронах, диагностики быстропротекающих процессов (протонная радиография), обработки поверхностей, в медицинских приложениях и других областях науки и техники [1]. Традиционные ускорители представляют собой огромные установки, требующие для своей работы значительных финансовых затрат. Поэтому большое значение имеют альтернативные идеи ускорения заряженных частиц, позволяющие снизить как размеры устройств, так и их стоимость.
Идея ускорения заряженных частиц с помощью электромагнитных полей, создаваемых мощным лазерным импульсом, возникла сразу после появления первых лазеров, однако первая практическая схема ускорения электронов была предложена и подтверждена расчетом лишь в конце 80-х годов прошлого века [2]. За прошедшее время были потрачены значительные усилия, которые позволили к 2006 году в лабораторных условиях с помощью тераваттного лазера получить квазимоноэнергетический пучок электронов с энергией в 1 ГэВ [3], а в 2013 уже с помощью петаваттного — с энергией 2 ГэВ [4]. Электроны в этих экспериментах захватывались и ускорялись из фоновой плазмы благодаря внутренним механизмам при распространении в лей кильватерной волны. Кроме необходимости дальнейшего увеличения энергии, существует необходимость улучшения качества и воспроизводимости получаемых сгустков электронов с заданной энергией. Для этого предлагаются различные методы получения предуекоренных пучков электронов хорошего

где плотность тока ] — / у(р)/(х, р, £)б?р, у(р) = ^ и плотность зарядов р = / /(х, р, Ь)(1'р. Траектории движения частиц плазмы являются характеристиками уравнения (1.1), и значения функции/(х, р, £) вдоль них сохраняются [7, 96]. Представляется, однако, затруднительным решать уравнения движения для каждого бесконечно малого элемента /сЬсс?р, содержащего лишь один электрон. В методе Р1С функция распределения аппроксимируется суммой конечных элементов [97]

/(х,р) «52и^5(х-Х4,р-рО, (1.6)

где И^ — вес макрочастицы, Л'(х. р) — функция, задающая форму частицы или форм-фактор. Для этих N элементов или макрочастиц [98-100] решаются
релятивистские уравнения движения
С1хг Рг
Сй ГЩ 7*
(1.7)
= 9гЕ Н ——Рг X В, (1.8)
аъ т^с7;
7г = у/1 + (рг/тг-с)2, (1.9)
где г = 1, ..IV, х; и рг — массы, заряды, координаты и импульсы частиц, соответственно, Е и В — векторы электрического и магнитного полей. Совместно с уравнениями (1.7)—(1.9) решаются уравнения (1.2)—(1.5) вместе с заданным способом вычисления плотности заряда р и плотности тока ф
/0 = />(х1,Р1,...,Хдг,ХЛГ), (1.10)
Л = КхъРъ-• .,хлг,рлг). (1.Н)
Заряд и масса макрочастиц <й/тг- = д/т, где д, т — заряд и масса частиц плазмы (электронов или ионов), таковы, что они движутся вдоль характеристик уравнения Власова. Метод Р1С позволяет избежать интегрирования уравнения (1.1) во всем фазовом объеме, однако при этом возникает численный шум, амплитуда которого снижается при увеличении числа макрочастиц.