Численное моделирование формирования релятивистских плазменных сгустков и управления их движением

• Автор: Кубе Бокко Селиджи Мариус
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 110 с. : ил.

ГЛАВА 1. Релятивистская плазма, релятивистские электронные сгустки и их применение

1 Л. Создание релятивистских электронных и плазменных сгустков и их применение...8 1.2. Коллективное ускорение ионов
ГЛАВА 2. Численное моделирование плазмы в условиях синхротронного гиромагнитного авторезонанса
2.1. Численная модель плазмы, удерживаемой в зеркальной магнитной ловушке в условиях СГА
2.2. Создание релятивистских электронных сгустков в условиях синхротронного гиромагнитного авторезонанса
2.3. Управления движением релятивистских электронных сгустков на твердотельную мишень для генерации рентгеновского излучения

ГЛАВА 3. Формирования плотных релятивистских плазменных сгустков

3.1. Численная модель адиабатического сжатия плазмы

3.2. Параметры плазмы генерируемой в результате СГА с последующим

адиабатическим сжатием

ГЛАВА 4. Коллективное ускорение протонов в спадающем в пространстве магнитном поле

4.1. Одномерное моделирование коллективного ускорения протонов
4.2. Трехмерная модель коллективного ускорения протонов
4.3. Результаты численного эксперимента коллективного ускорения протонов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы.
В последние десятилетия развивается направление исследований, связанных с разработкой компактных источников излучений и частиц. Это источники синхротронного и рентгеновского излучений, коллективные ускорители ионов, источники частиц для различных вакуумно-плазменных технологий [1 - 4]. Источники излучений и частиц используются для решения фундаментальных и прикладных проблем в различных областях науки и технологий: в задачах управляемого термоядерного синтеза [5 - 8], создания генераторов электромагнитного излучения [9-11], создания мощных лазеров и мазеров на циклотронном резонансе [12-16].
В 60-х годах прошлого века началось изучение взаимодействия электромагнитных волн с плазмой в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), в связи с проблемами генерации, нагрева плазмы и ее удержания [17].
В начале 80-х годов в работах [18, 23] теоретически и экспериментально была показана возможность создания релятивистских электронных и плазменных сгустков в зеркальной магнитной ловушке в условиях ЭЦР в нарастающем во времени магнитном поле. Ускорение электронов плазмы в условиях ЭЦР в нарастающем во времени магнитном поле получило название синхротронный гиромагнитный авторезонанс (СГА). Экспериментальные установки, в которых реализуется СГА, получили название GYRAC (Gyro-Resonant Accelerator). Исследования СГА развивались в России и за рубежом. Они показали не только возможность создания релятивистских электронных и плазменных сгустков, но и принципиальную возможность их применения для генерации синхротронного и рентгеновского излучений и коллективного ускорения ионов [24 - 27].
В 1962 году В. И. Векслер высказал идею использования электронных колец для коллективного ускорения ионов [28]. Исследования этого метода были продолжены до 1987 года. Метод ускорения ионов электронными кольцами был доказан экспериментально, но не получил широкого распространения из-за нестабильного характера ускорения, обусловленного неустойчивостями [29].

В работах [30, 31] предложен проект коллективного ускорителя ионов ECRIPAC (Electron Cyclotron Resonance Ion Plasma Accelerator), в котором для более устойчивого ускорения ионов предполагалось использовать не электронное кольцо, а релятивистский плазменный сгусток, получаемый в условиях СГА, с последующим адиабатическим сжатием. Однако из-за недостатка теоретических и экспериментальных данных этот проект пока не реализован.
Проведенные в последние годы теоретические и экспериментальные исследования показали принципиальную возможность создания компактных источников излучений и частиц, основанных на синхротронном гиромагнитном авторезонансе (СГА). Такие источники могут найти широкое применение в различных областях науки и технологиях. Однако, достигнутые в экспериментах параметры (энергия электронов, плотность плазмы, общее число ускоренных частиц) пока не позволяют их использовать в прикладных целях. Эти обстоятельства стимулировали постановку и проведение исследований, являющихся предметом настоящей работы.
Цель диссертационной работы.
Целью настоящей работы является исследование формирования релятивистских электронных и плазменных сгустков и управления их движением на численных моделях. Основные задачи диссертационной работы:
1. Разработка численных моделей плазмы в условиях синхротронного гиромагнитного авторезонанса в зеркальной магнитной ловушке, формирования релятивистской плазмы и коллективного ускорения протонов.
2. Моделирование создания релятивистских электронных и плазменных сгустков в условиях СГА и определение их оптимальных параметров.
3. Моделирование вывода релятивистских электронных сгустков, создаваемых в режиме СГА, на мишень.
4. Численное моделирование адиабатического сжатия плазменных сгустков, генерируемых в результате СГА,
5. Численное моделирование коллективного ускорения протонов.

значительно позже, чем в случае водородной плазмы (рис 2.36, после 1500 периодов СВЧ поля).
г, ст
Рис.2.2: Зависимость удержания электронов (кривая 1) и ионов (кривая 2) от радиуса инжекции исходной плазмы после ускорения электронов в режиме СГА до средней
энергии 1,0 МэВ (Е = 2 кВ/см, пе ~ 5 х 109 см'3, К = 1,1).
X, cm
Рис. 2.3. XY - сечения пространственных распределений электронов (красные символы) и ионов (синие символы), в случае г0 = 0,5 см (а) и г0 = 2,5 см (б), после ускорения электронов в режиме СГА до средней энергии 1,0 МэВ (Е = 2 кВ/см,
Q Л
пе = 5 х 10 см , R = 1,1 ). Стрелкой указано направление вращения электронов.