Анализ лазер-плазменных экспериментов с помощью методов математического моделирования

• Автор: Лебо, Александра Ивановна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 94 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ВЕЩЕСТВОМ. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

§1. Основные физические процессы в высокотемпературной лазерной плазме

§2. Основные уравнения, описывающие высокотемпературную лазерную плазму, и положенные в основу программных комплексов»

§3. Двумерная программа «Atlant-С». Краткое описание

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСТАНОВКЕ “PALS”

§1. Моделирование экспериментов по распространению сильных ударных волн, инициируемых лазером, в металлических пластинах

п. 1. Краткое описание натурного эксперимента

п.2. Анализ экспериментальных данных с помощью методов математического моделирования.

п.З. Обсуждение результатов и развитие модели

§2. Физико-математическая модель переноса энергии в турбулентной плазме, образованной при воздействии мощного лазерного импульса на пористую мишень
п. 1. Описание натурного эксперимента
п.2. Результаты численных расчетов
п.З. Алгоритм решения задачи переноса энергии в турбулентной плазме. Программа “Atlant_C_turb”
п.4. Анализ экспериментальных данных с помощью методов математического моделирования.
§3. Концептуальная конструкция мишени для получения замагниченной плотной плазмы
п.1. Генерация спонтанных магнитных полей в пористых мишенях
п.2. Программа "Atlant Sp turb”
п.З. Моделирование сжатия лазерной термоядерной мишени. Обсуждение результатов
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ФОРПЛАЗМЫ ДЛЯ ЛАЗЕР-ПЛАЗМЕННОГО РАЗРЯДА
§1. Комбинированный нагрев плазмы с помощью лазера и токового разряда
§2. Расчеты параметров плазмы при взаимодействии пикосекундного лазера с конденсированной мишенью
§3. Соотношения подобия для определения потоков массы и заряда форплазмы
§4. Об эффективности поглощения лаэерного излучения
§5. Сравнительный анализ параметров в случае пико- и наносекундных лазерных импульсов. Сравнение с данными экспериментов
§6. Программа «LP - Лазерная плазма »
п.1. Физико-математическая модель
п.2.Ограничения программы
п.З. Используемые технические средства и требуемые ресурсы
§7. Выводы и рекомендации
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список цитируемой литературы
Список литературы, где были опубликованы основные результаты диссертации
Список семинаров и конференций, где докладывались результаты диссертации

ВВЕДЕНИЕ
Открытие принципов квантовой генерации света (в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс были удостоены Нобелевской премии за эти работы) и создание лазеров привели к возникновению многих новых направлений в современной физике и технике. За годы, прошедшие с появления первого лазера в 1960 году произошло бурное развитие мощных квантовых генераторов света. В 60-80-е годы был освоен диапазон мощностей до 1012 Вт при длительности импульса порядка 1 не (10"9 сек). В конце XX века научились делать лазеры с длительностью порядка и менее 1 пс (1012 сек) с пиковой мощностью более 1015 Вт! Лазерное излучение обладает свойством пространственной и временной когерентности, что позволяет фокусировать его с помощью оптических устройств в пятно порядка длины волны излучения. В результате при сравнительно умеренных энергиях в импульсе удается создать на поверхности твердотельной мишени чрезвычайно большие плотности потока (интенсивности) излучения. Мощность излучения может меняться на порядки величин за времена меньшие, чем одна миллиардная доля секунды. При поглощении лазерного излучения в конденсированном веществе формируется высокотемпературная плотная плазма, которая разлетается навстречу лазерному лучу со сверхзвуковой скоростью. В области поглощения формируется импульс давления, который инициирует сильные ударные волны, распространяющиеся в глубь вещества. Лазерное излучение позволяет концентрировать огромную плотность энергии в малом объеме и сжимать малое количество вещества до плотностей вплоть до 103-104 г/см3! Такие условия необходимы, в частности, для инициирования управляемых термоядерных реакций (подробнее можно прочесть, например в [1-5]).
Уникальные возможности лазера, как источника концентрированной «высоко качественной энергии», находят применение в различных областях человеческой деятельности. Поэтому чрезвычайно актуальными являются исследования физики лазерной плазмы. Такие исследования ведутся с конца 60-х годов прошлого столетия и к настоящему моменту достигнуты значительные успехи в этом направлении. Для описания поведения лазерной плазмы требуется решать системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных (ДУЧП). Как правило, такие системы уравнений в общем случае не имеют аналитических решений. И здесь на помощь приходит математическое моделирование (подробнее смотри [6-8]). Развитые методы прикладной математики и современные мощные ЭВМ позволяют с высокой степенью точности решать системы нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, а

высокотемпературную плазменную корону до прихода основного лазерного импульса ([36-39], либо 2) использование полимерной мало-плотной среды [36, 40-43].
В ряде лабораторий мира были проведены исследования по взаимодействию лазерного излучения с пористыми средами [44-54].
Теоретическое описание процессов переноса в таких структурированных средах, как правило, основывается на представлениях о переносе энергии в слабо неоднородной не турбулентной плазме [55-58]. В этих работах при численном моделировании взаимодействия лазерного излучения с такими средами полагалось, что время гомогенизации структурированного вещества сравнительно мало и им можно пренебречь. Однако этот вопрос на сегодняшний день является открытым. Моделирование переноса энергии в «подкритической плазме» с учетом сильной неоднородности среды (например, модель тонких пленок [59.], по структуре близких к пористому полистиролу, но не описывающая трехмерную полимерную сетку) представляется весьма трудоемкой и сложной задачей, требующей дополнительных обоснований.
Автором диссертации предложена физико- математическая модель для описания переноса энергии и динамики плазмы, возникающей при взаимодействии интенсивного лазерного излучения с мало-плотной средой, и разработан соответствующий алгоритм решения задачи.
Было проведено сопоставление результатов расчетов и данных экспериментов, в основном, опираясь на результаты, полученные на установке PALS в Праге [60].
п.2. Результаты численных расчетов
Как следовало из данных экспериментов, выполненных на установке “PALS”, при облучении лазерным импульсом мало-плотных пористых мишеней, «гидро-тепловая» волна распространяется по этой среде со скоростью (270±50) км/с (при начальной плотности среды ро=9.1 мг/см3) и (420±70) км/с (при начальной плотности среды ро=4.5 мг/см3) [60].
В первой серии расчетов моделировалось распространение волны в сплошной среде с параметрами близкими усредненным параметрам пены. На рис.2.13а схематически показана мишень, содержащая пену толщиной 400 мкм с начальной плотностью ро=9 мг/см3, расположенную на алюминиевой подложке толщиной 5 мкм. Лазерный импульс имел временную форму равнобедренного треугольника с моментами времени /;=0, /2=0,4 и /з=0,8 не при вершинах. Интенсивность излучения в момент времени /2=0,4 не равнялась 1тах и менялась в различных вариантах расчетов от (3 до 6)-10н Вт/см2 .