КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ В УСЛОВИЯХ СВЧ-РАЗРЯДА

А.В. Аржанников, П.В. Петров^*, В.Ю. Политов^*

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия
^*Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики, Снежинск, Россия

    Развитие СВЧ-электроники и техники для генерации мощного электромагнитного излучения СВЧ-диапазона привело к появлению большого числа предложений, связанных с использованием такого излучения. К числу этих идей относятся создание в атмосфере Земли искусственно ионизированных областей (ИИО) для дополнительной генерации озона с целью заполнения озоновых дыр [1]. Учитывая тот факт, что современный уровень техники не препятствует реализации такого рода экспериментов в глобальном масштабе, весьма актуальными становятся теоретический анализ основных свойств развивающихся в атмосфере СВЧ-разрядов и, что более важно, оценка возможных последствий их воздействия на состояние воздушной среды и озонового слоя. Один из подходов к решению данной задачи представлен в настоящем докладе.
    В работе представлена модель СВЧ- разряда в азотно-кислородной смеси при соотношении составляющих и давлении, которые соответствуют атмосфере Земли. Основу модели составляют уравнения кинетики для концентраций ионно-молекулярных компонент этой смеси совместно с уравнениями энергетического баланса. На базе этой модели создана компьютерная программа, которая позволила в локальной постановке задачи исследовать эволюцию во времени концентраций окислов азота и озона при СВЧ-пробое воздуха на различных высотах над земной поверхностью. По результатам моделирования найдены значения плотности воздуха, при которых отношение концентраций дополнительно нарабатываемого озона и оксидов азота максимально.

    Работа выполнена при поддержке МНТЦ (проект ╧274).

Литература

4. Аскарьян Г.А., Батанов Г.М. и др. Свободнолокализованный микроволновой разряд как способ очистки атмосферы от разрушающих озоновый слой примесей. Труды ИОФАН т.47, стр. 23-35, 1994.

РЕКУПЕРАТОР ЭНЕРГИИ ЛЕНТОЧНОГО ПУЧКА ЗАМАГНИЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОНОВ

А.В. Аржанников, В.Т. Астрелин, Е.В. Дианкова^*, В.С. Койдан, П.В. Петров^*, С.Л. Синицкий.

Институт Ядерной Физики СО РАН, Новосибирск, 630090, Россия
^*ВНИИТФ, Снежинск, 456770, Россия

    Обычно, если эффективность микроволнового генератора недостаточно высока, для возвращения энергии использованного пучка применяется специальное устройство - рекуператор. В случае мазера на свободных электронах с ленточным пучком для генерации 4-мм излучения рекуператор должен увеличить эффективность использования электронов в несколько раз для достижения ее значения более 90 % [1]. В наших экспериментах на установке ELMI [2] ленточный электронный пучок, используемый в схеме FEM, имеет следующие параметры: E_e ~1 MeV, I_b~ 5 kA, t_b ~ 5 ms. Главная проблема для использования любого рекуператора в этом устройстве состоит в том, что электронный пучок проходит в ведущем магнитном поле ( ~ 10 kG), и электроны отработанного луча имеют значительный энергетический и угловой разброс.
    Для решения проблемы рассматриваются два варианта рекуператора. Первый из них основан на разделении электронов с различной энергией, используя различие их ларморовских радиусов в области траекторий, где приложено поперечное магнитное поле дополнительно к продольному. В этой области также приложено продольное электрическое поле, тормозящее электроны пучка.
    Во втором варианте, к продольному магнитному полю в области торможения электронов добавлено пространственно-периодическое поперечное поле. Резонанс, возникающий между ондуляторным колебанием электрона и циклотронным, приводит к возрастанию ларморовского радиуса для группы электронов с выбранной энергией частицы. В результате электроны с резонансной энергией попадают на участок боковой поверхности канала, где расположены коллекторные пластины. В работе проводится сравнение двух схем рекуператоров.

Литература

1. A.V.Arzhannikov, V.B.Bobylev, S.L.Sinitsky et al. Ribbon-FEL experiments at one-dimension distributed feedback. Nucl. Insr. and Meth. in Phys. Research, 1995, vol. A358, p.112-113.
2. N.V.Agarin, A.V.Arzhannikov, V.B.Bobylev et al. Progress in investigation on microwave FEL driven by microsecond sheet beam. 12th Intern. Conf. On High-Power Particle Beams, Haifa, 1998, p. 687-690.

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПРОДОЛЬНОГО ТОКА В ТУРБУЛЕНТНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ СТРУЕ.

С.А. Бехер, В.Г. Соколов, В.В. Рева

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия

    При работе дуговых источников плазмы, с кольцевым газоразрядным каналом в создаваемой плазменной струе существует радиальное нелинейное электрическое поле. В магнитном поле параллельном оси системы возникает неоднородное вращение плазменного шнура. Отличие от нуля шира угловой скорости вращения приводит к развитию неустойчивости Кельвина-Гельмгольца. Плазма становиться турбулентной.
    Эксперименты показывают, что в установках с кольцевыми газоразрядными источниками плазмы, по плазме протекает продольный ток величиной несколько килоампер. Сегодня для его частичного объяснения привлекается теория турбулентного динамо [1]. В результате этого стала интересной задача исследования структуры продольного тока.
    Эксперименты проводились в адиабатической ловушке (МАЛ, ИЯФ СО РАН), где для создания плазмы используется кольцевой газоразрядный источник. Структура продольного тока определялась по измерениям внешнего магнитного поля. Вычислены характерные параметры распределения тока, проведено сравнение с распределением плотности плазмы и плавающего потенциала. Детально рассмотрена эволюция структуры тока в момент создания плазмы и во время ее разрушения. Исследована связь параметров тока с величиной магнитного поля в источнике плазмы.

Литература.

1. Кабанцев А.А., Рева В.Б., Соколов В.Г. Турбулентное динамо в открытых ловушках. Препринт ИЯФ СО РАН 97-37, Новосибирск, 1997.

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЛИННОВОЛНОВЫХ ИОННО-ЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ПЛАЗМЕ С СИЛЬНОЙ ЛЕНГМЮРОВСКОЙ ТУРБУЛЕНТНОСТЬЮ

В.С. Бурмасов, Л.Н. Вячеславов, И.В. Кандауров, Э.П. Кругляков, О.И. Мешков, А.Л. Санин

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия

    Проведенными ранее на установке ГОЛ-М исследованиями коротковолнового ионного звука при нагреве замагниченной плазмы релятивистским электронным пучком [1] было экспериментально подтверждено наличие в плазме сильной легмюровской турбулентности. Однако, условия эксперимента не исключают существенного влияния слаботурбулентных процессов на передачу энергии от ленгмюровских волн к электронам плазмы. В связи с чем, представляет интерес исследовать спектр длинноволновых ионно-звуковых колебаний. Интенсивность таких колебаний может быть рассчитана из измеренного ранее спектра ленгмюровской турбулентности [2]. Сравнение экспериментального спектра ионного звука с расчетным позволит сделать заключение о применимости теории слаботурбулентных процессов для плазмы с сильной ленгмюровской турбулентностью.
    В настоящем докладе сообщается о результатах исследования длинноволновых ионно-звуковых колебаний. Измерение проводилось на установке ГОЛ-М методом коллективного рассеяния излучения СО₂-лазера с гетеродинным способом регистрации рассеянного излучения [3].
    Величина плотности энергии ионно-звуковых колебаний, рассчитанная по теории слабой турбулентности незамагниченной плазмы, более чем на четыре порядка превышает уровень тепловых шумов. Определенный из экспериментов уровень ионного звука согласуется с этой величиной. Подробное исследование пространственного спектра ионно-звуковых волн позволит построить адекватную картину турбулентного переноса энергии в плазме.

Литература

1. Бурмасов В.С., Вячеславов Л.Н., Кандауров И.В., Кругляков Э.П., Мешков О.И., Санин А.Л. Физика плазмы, 1997, Т. 23, С. 142-145.
2. Vyacheslavov L.N., Burmasov V.S., Kandaurov I.V., Kruglyakov Eh.P., Meshkov O.I., and Sanin A.L. Physics of Plasmas, 1995, Vol. 2, pp 2224-2230.
3. Бурмасов В.С., Вячеславов Л.Н., Гурко В.Ф., Кандауров И.В., Кругляков Э.П., Мешков О.И., Санин А.Л. Тезисы XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 1999, С.194.

ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ РАДИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПЛАЗМЕ С Е╢Н ПОЛЯМИ.

В.И. Волосов, В.В. Деменев, И.Н. Чуркин

Институт Ядерной Физики им. Г.И. Будкера, Новосибирск, Россия.

    Рассматривается приложение корпускулярного метода диагностики плазмы для измерения радиальных электрических полей во вращающейся плазме с ионами, ларморовский радиус которых порядка поперечных размеров системы. Данная методика была разработана и опробована при исследованиях радиальной структуры разряда с тяжелыми ионами в "Источнике в скрещенных полях ИСП", созданном на основе магнитной ловушки с радиальным электрическим полем, и имеющем в настоящее время ряд перспективных приложений. Основная рабочая компонента разряда, тяжелые ионы, образуется за счет распыления катода и последующей ионизации в плазме распыленных атомов. Представленная методика основывается на хордовых измерениях энергетических спектров атомов перезарядки, выходящих из источника, с последующим восстановлением распределения электрического потенциала в плазме. Для монотонного электрического поля U(r) ~ r^a , с a < 2, максимальной энергией на данной хорде наблюдения будет обладать атом, который перезаряжается в точке, соответствующей прицельному параметру хорды. Используя результаты измерений максимальных энергий атомов для хорд с различными прицельными параметрами, восстанавливаются распределения электрического потенциала на промежутке от катода (внутренний цилиндрический электрод) до анода (внешний цилиндрический электрод). При этом, для каждой хорды, измеренная максимальная энергия соответствует разности потенциалов между прицельным параметром хорды и вычисленным радиусом места рождения первоначального иона (ионизации распыленного атома). В докладе представлена диагностическая система для хордовых измерений энергетических спектров атомов перезарядки. Приведены и обсуждаются результаты измерений распределений потенциала, проведенные в различных режимах работы источника. Сравниваются распределения, восстановленные из энергетических спектров с использованием данной методики, и зондовым методом. Показано, что точность методики увеличивается при проведении измерений распределения потенциала совместно с зондовым методом. Полученные распределения хорошо согласуются с физической моделью работы источника.

ЭФФЕКТ МИХЕЛЬСОНА В ПЛАЗМЕ

А.Е. Дубинов, С.А. Садовой, В.Д. Селемир

Российский Федеральный Ядерный Центр - ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия

Рассмотрен параметрический сдвиг частоты электромагнитной волны при ее распространении в плазме с переменными во времени параметрами (эффект Михельсона) в различных ситуациях: в изотропной бесстолкновительной и столкновительной плазме, а также замагниченной бесстолкновительной плазме при нарастании ее концентрации, при изменении частоты столкновений, при изменении величины магнитного поля. Подчеркнута связь этого эффекта с эффектом Допплера. Выявлена расходимость скорости изменения частоты вблизи значения частоты  необыкновенной волны при ее распространении вдоль магнитного поля (эффект проскальзывания частоты).

СТРУКТУРА МГД ВОЛН, ГЕНЕРИРУЕМЫХ ПЛАЗМЕННЫМ ОБЛАКОМ В ДИПОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ.

В.А. Вшивков, Г.И. Дудникова, М.В. Крашенинников

Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск, Россия

    На основе 2D гибридного кода исследована динамика разлета облака плотной плазмы в замагниченном фоне и генерации МГД возмущений. Магнитное поле имеет дипольную структуру. Исходная система уравнений включает в себя уравнения Власова для ионной компоненты плазмы, гидродинамическое приближение для электронов и систему уравнений Максвелла. Метод решения основан на использовании метода частиц в ячейках и конечно-разностных схем расщепления.
    В работе проведен анализ возможных бесстолкновительных механизмов обмена энергией облако-фон в отсутствии замагниченности ионой компоненты плазмы. Показано, что структура возбуждаемых волн зависит от числа Маха- Альвена разлетающегося плазменного облака и величины градиента магнитного поля. При больших значениях скоростей разлета влияние неоднородности поля на структуру МГД волн незначительно.

    Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (грант ╧99-01-00512).

К ВОПРОСУ О МЕХАНИЗМЕ ВМОРОЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЕ

Ю.В. Думин

ИЗМИРАН, г.Троицк Московской обл., Россия

    Концепция вмороженности магнитного поля, как известно, играет фундаментальную роль во многих разделах физики плазмы. Несмотря на то, что формальные математические доказательства соответствующих теорем хорошо известны и не вызывают сомнений, наглядная физическая интерпретация этого явления в различных предельных случаях до сих пор остается предметом дискуссий (см., например, [1]).
    В случае, когда плазма обладает высокой электропроводностью по всем направлениям (т.е. гирочастоты заряженных частиц малы по сравнению с частотами столкновений между ними), эффект вмороженности магнитного поля имеет общеизвестную интерпретацию, основанную на возникновении индукционных токов в замкнутом контуре, связанном с частицами движущейся среды. При достаточно малом электрическом сопротивлении контура такой ток позволяет полностью скомпенсировать любые изменения магнитного потока, охватываемого контуром, что и эквивалентно условию вмороженности.
    С другой стороны, в бесстолкновительной плазме, проводимость которой велика лишь вдоль магнитного поля и близка к нулю в двух поперечных направлениях, условие малости сопротивления произвольно выбранного замкнутого контура заведомо не может быть удовлетворено, и, соответственно, протекание индукционных токов невозможно. В такой ситуации (которая в особенности часто встречается в астрофизических приложениях), как было показано в нашей работе [2], эффект вмороженности может быть интерпретирован как следствие синхронности E╢B-дрейфа заряженных частиц, которая обусловлена бездивергентностью магнитного поля и эквипотенциальностью его силовых линий.
    Важно подчеркнуть, что переход от ⌠индукционного■ к ⌠дрейфовому■ механизму вмороженности не является непрерывным и характеризуется резким возрастанием джоулевой диссипации энергии МГД-возмущений (вследствие появления локального электрического поля в движущейся вместе с плазмой системе отсчета). Яркой иллюстрацией этого явления может служить нагрев солнечной короны в области перехода между двумя вышеуказанными типами вмороженности магнитного поля в плазму [3], когда температура, равная в центре Солнца ~1.5·10⁷ K и спадающая по мере продвижения к его внешним слоям до ~5·10³ K, затем вновь резко возрастает до (1√2)·10⁶ K в ⌠переходной■ области, лежащей в основании солнечной короны.

    Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ ╧ 99-05-65080.

Литература

1. Яньков В.В. Письма в ЖЭТФ, 1993, том 58, вып. 7, стр. 516√519.
2. Думин Ю.В. Астрономический вестник, 1998, том 32, вып. 4, стр. 367√369.
3. Думин Ю.В. Труды конф. ⌠Структура и динамика солнечной короны,■ Троицк, 4√8 октября 1999 (в печати).

НЕКВАЗИНЕЙТРАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РАВНОВЕСНОГО Z - ПИНЧА

А. В. Гордеев

Российский научный центр ⌠Курчатовский институт■, площадь Курчатова 1, Москва, 123182, Россия

    Эксперименты с z-пинчами показывают существенное различие получающихся результатов в зависимости от конкретных условий эксперимента. Например, в [1] проводится граница между термоядерным выходом нейтронов для ⌠толстых■ пинчей и ускорительным механизмом для ⌠тонких■ пинчей. Известно также, что в зависимости от характерного масштаба z-пинча может существенно измениться характер неустойчивости [2]. В настоящем сообщении делается попытка построить модель равновесного ⌠тонкого■ z-пинча. В качестве отправной точки используется возможность неквазинейтральной модели z-пинча, когда на дебаевском радиусе существует разделение зарядов и возникает сильное радиальное электрическое поле.
    Исследуется структура z-пинча, в котором происходит появление центральной неквазинейтральной области, где ток переносится дрейфующими электронами. При этом на периферии пинча возможно протекание тока ионов или омического электронного тока. Неквазинейтральная сердцевина пинча приводит к возникновению эффективной ионной ⌠температуры■ мегавольного диапазона. Рассчитана величина нейтронного выхода из такого пинча.
    Показано, что в случае протекания всего тока z-пинча внутри неквазинейтральной области отсутствует неустойчивость типа ⌠перетяжки■. Произведено сравнение полученного неквазинейтрального масштаба z-пинча и ионной ⌠температуры■ с различными экспериментальными результатами.

    Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ N 97-02-16980.

Литература

1. F.C.Young, S.J.Stephanakis, and D. Mosher, J. Appl. Phys., 48, 3642 (1977).
2. A.V. Gordeev, A.S. Kingsep, and L.I. Rudakov, Phys. Reports, 243, 215 (1994).

ВОЗБУЖДЕНИЕ КИЛЬВАТЕРНЫХ ПОЛЕЙ РЕЛЯТИВИСТСКИМ ЭЛЕКТРОННЫМ СГУСТКОМ В МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМЕ

В.А. Балакирев, В.И. Карась, И.В. Карась, Я.Б. Файнберг

ННЦ ⌠Харьковский физико-технический институт■, Харьков, Украина

    В докладе представлены теоретические исследования возбуждения электромагнитных кильватерных полей в магнитоактивной плазме в плазменном волноводе на нижнегибридной частоте.
    Параметры электронного сгустка и параметры волновода выбраны соответствующими текущим и планируемым экспериментам.
    Получены ускоряющие кильватерные поля. Обнаружено, что оптимальная плотность плазмы зависит от геометрических размеров волновода и электронного сгустка, а также от величины магнитного поля.
    Представлены также предварительные экспериментальные результаты.

ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ПОЛОСОВОЙ СВЧ-ФИЛЬТР НА ОСНОВЕ СКРЕЩЕННЫХ РЕШЕТОК-ПОЛЯРИЗАТОРОВ.

А.В. Аржанников, С.А. Кузнецов, С.Л. Синицкий.

ИЯФ СО РАН, Новосибирск, Россия

    Разработан новый тип интерференционных фильтров, работающих в области миллиметровых-сантиметровых волн. Базовым элементом фильтров является решетка-поляризатор, составленная из линейных проводников. Такая решетка эффективно действует как поляризатор ЭМ волны, практически полностью отражая волну Е-типа (вектор | | проводникам) и пропуская Н-волну (вектор | | проводникам) при выполнении условия l >>l>>a, где l√длина волны, l√период расположения проводников, a√поперечный размер проводника.
    Показано, что фильтр, составленный из 3-х стоящих друг за другом решеток, плоскости которых параллельны, по своим спектральным характеристикам близок к оптическому интерферометру Фабри-Перо. При этом, режим высокого спектрального разрешения реализуется, когда, средняя решетка находится почти в скрещенном положении по отношению к двум крайним, ориентированным одинаково. Изменение угла поворота средней решетки относительно крайних приводит к изменению эффективного коэффициента отражения зеркал-поляризаторов и, следовательно, ширины полосы пропускания (или отражения) фильтра. Изменение взаимного углового положения сеток, особенно при их числе больше трех, позволяет: 1) оперативно создавать фильтр с уникальными спектральными характеристиками; 2) исключить необходимость замены элементов системы с целью изменения ширины полосы пропускания, что составляет главное достоинство интерференционных фильтров данного типа.
    Разработан метод расчета спектральных характеристик фильтров на основе решеток-поляризаторов для случая произвольного числа решеток. При этом учитываются неидеальности решетки как поляризатора ЭМ волны.
    Данный тип интерференционных фильтров применяется в экспериментах по генерации 4-мм излучения на установке ЭЛМИ (ИЯФ СОРАН) для спектрального анализа излучения на выходе мазера на свободных электронах. Характерная величина разрешения при использовании проволочных решеток составляетl /dl ~180.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ В ПЛАЗМЕ И ПЛАЗМОПОДОБНЫХ СРЕДАХ (СРАВНЕНИЕ ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДИК).

Г.И. Змиевская, Т.В. Левченко^*, В.Д. Левченко,

Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН
^*ВНИИ ГеоСистем, Федеральный центр министерства природных ресурсов, г.Москва, Россия

    Численное моделирование нелинейных процессов в плазме,рассматриваемых как плазменные столкновения, необходимо для многих практических приложений: лазерная плазма, столкновения вблизи диверторных пластин и проч. Численные решения уравнений Ландау-Фоккера-Планка, в которые входят неизотропные потенциалы Розенблюта, можно представить двумя возможными реализациями: дивергентные схемы с расщеплением по времени, что обеспечивает консервативность и метод стохастического аналога, когда столкновительный операторзаменяется стохастическими дифференциальными уравнениями (СДУ) Ито-Стратоновича для двух компонент плазмы и двух направлений вектора скорости. Появляющиеся численные схемы как стохастического моделирования, так и сеточные апроксимации содержат либо заметные упрощения в постановке решаемых задач либо использует неустойчивые численные методы решения СДУ. Приводится критический обзор и классификация моделей, предлагается объектно-ориентированная модель плазмы с учетом диссипативных процессов и задача-тест для реализации учета столкновений в кинетических кодах.

SUR-DR: 3D3V ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ РЕЛЯТИВИСТСКИЙ PIC КОД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СГУСТКОВ С ПЛАЗМОЙ.

Л.В. Иньков, В.Д. Левченко

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, Москва, Россия

    В релятивистских задачах физики плазмы, где максимальная скорость распространения возмущения ограничена скоростью света, для каждой частицы существует пространственно-временная область зависимости. Используя подобные области зависимости и соответствующим образом модифицируя алгоритм крупных частиц (PIC), можно локализовать вычисления для близкорасположенных частиц. Это радикально снижает обмен данными и позволяет хранить информацию о частицах на жестком диске. Это позволяет в сто и более раз повысить предельную сложность задач, решаемых на персональных компьютерах при сохранении высокой производительности, а также провести эффективное распараллеливание алгоритма в относительно низкоскоростных локальных сетях ПК с динамической балансировкой загрузки индивидуальных процессоров.
    В докладе представлен 3D3V релятивистский код, основанный на использовании области зависимости и реализованный на базе универсальной объектно-ориентированной кинетической модели плазмы и кода SUR. Тестирование кода проведено на задаче о возбуждении кильватерной волны релятивистским электронным сгустком.

РАСЧЕТЫ ⌠КУЛОНОВСКОГО ВЗРЫВА■ ЭЛЕКТРОННЫХ ВИХРЕЙ И ОЦЕНКИ НЕЙТРОННОГО ВЫХОДА
ДЛЯ ДЕЙТЕРИЕВОЙ ПЛАЗМЫ

А.В. Гордеев, ^*Т.В. Лосева

Российский научный центр ⌠Курчатовский институт■, площадь Курчатова 1, Москва, 123182, Россия
^*Институт динамики геосфер РАН, Ленинский проспект 38, здание 6, Москва, 117979, Россия

Произведены расчеты бесстолкновительной ударной волны, возникающей при ускорении ионов электрическим полем электронного вихря в магнитном поле [1]. Обнаружено резкое укручение профиля ионной скорости и ионной плотности на фронте волны, что может быть интерпретировано как бесстолкновительная ударная волна Сагдеева, связанная с нарушением квазинейтральности на масштабеd ~ r_B= B/4pen_e[2]. Эти вычисления были выполнены с применением модифицированного нелинейного монотонного алгоритма расчета переноса с коррекцией потоков [3]. Рассмотрено образование стационарной вихревой структуры при учете ионного давления. Профили различных величин в такой вихревой структуре вычислены как при помощи стационарного алгоритма, так и в результате нестационарных расчетов методом установления. Показано, что в плазме с магнитным полем существует стационарный вихрь с азимутальным движением электронов, где электрическая сила, действующая на ионы, уравновешивается градиентом ионного давления. На оси такого вихря возникает понижение плотности электронов и ионов, создавая ⌠дырку■ плотности в плазме.

Приведены оценки нейтронного выхода как при разлете ионов в результате ⌠кулоновского взрыва■ , так и для стационарной вихревой структуры с ионной температурой.

Настоящая работа выполнена при поддержке гранта РФФИ N 97-02-16980.

Литература

1. А.В. Гордеев, Т.В. Лосева, Письма в ЖЭТФ, т.70, в. 10, с. 669 (1999).
2. Р.З. Сагдеев, в сб. Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций, т. 4, М, : Издательство Академии Наук СССР, 1958, с. 384..
3. Э Оран, Дж. Борис, Численное моделирование реагирующих потоков. М.: Мир, 1990, с. 315-321.

РАСЧЕТ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ МАКРОЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ

А.М. Игнатов, С.А. Майоров, ^*С. А. Тригер, ^**П.П.Дж.М. Шрам

Институт общей физики РАН, г. Москва, Россия
^*Институт высоких температур РАН, г. Москва, Россия
^**Технический университет, г. Эйндховен, Нидерланды

    Пылевая плазма активно исследуется в связи со многими применениями плазменных технологий, в том числе и в установках термоядерного синтеза [1]. Значительный интерес представляет вопрос о кинетической энергии заряженных макрочастиц в плазме. Многие экспериментальные данные (см. напр. [2,3]), а также недавнее рассмотрение на основе кинетической теории [4], говорят об их значительной кинетической энергии.
    В настоящей работе на основе численного моделирования исследуется временная зависимость кинетической энергии пылинок, первоначально покоившихся. Моделирование проводилось по двум методикам. Первая - это метод молекулярной динамики. Решались уравнения Ньютона для системы точечных заряженных частиц, помещенных в куб с упруго отражающими стенками. Тяжелая частица с большим зарядом помещалась в центр куба. Учитывалось взаимодействие каждой частицы со всеми остальными. Вторая методика - метод частиц в ячейке. В центр ячейки помещалась тяжелая поглощающая макрочастица конечного размера d=2мкм. Решались уравнения Ньютона для системы точечных, заряженных частиц, помещенных в куб со стенками, отражающими по закону Максвелла. Учитывалось взаимодействие макрочастицы со всеми остальными и изменение ее заряда.
    На рисунке приведены зависимости кинетической энергии макрочастицы (эВ) от времени (нс), полученные по этим двум методикам для плазмы гелия с z=1, N_i = 2Ч10¹² см^-3 :

а) метод молекулярной динамики                         б) метод частиц в ячейке

    Плазма в обоих расчетах полагалась двухтемпературной, у электронов 1 эВ, ионов 0.025 эВ. Период наблюдаемые в обоих расчетах осцилляций коррелирует с ионным ленгмюровским периодом 6.7 нс. В обоих расчетах кинетическая энергия в среднем значительно превышает температуру тяжелой компоненты. Объяснение этого факта состоит видимо в том, что кинетическая энергия макрочастицы определяется не температурой тяжелых частиц, а энергией падающих на поверхность ионов, которая в свою очередь определяется плавающим потенциалом макрочастицы и пропорциональна электронной температуре.

Литература

1. Цытович В.Н., Винтер Дж. УФН. 1998. Т. 168. ╧8. С. 899.
2. Melzer A., Homan A., Piel A., Phys.Rev. 1996, E53, 3137.
3. Morfill G.E., Thomas H.M., Konopka U., Zuzic M., Phys. Plasmas 1999, 5, 1.
4. Zagorodny A., Schram P.P.J.M., Trigger S.A., Phys.Rev.Lett., in print, 2000.

ПЛОТНОСТЬ ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ

С.А. Майоров

Институт общей физики РАН, г. Москва, Россия

    Рассмотрена парная корреляционная функция распределения между неподвижной и подвижной заряженными частицами в приближении бинарного взаимодействия на основе решения динамической задачи Кеплера. Такой подход оправдан либо в случае близких расстояний между частицами, когда на динамику частицы влияет лишь ближайшая частица, либо когда одна из частиц имеет большой заряд (случай пылевой плазмы).
    В приближении Дебая парная корреляционной функции g_ab между подвижными частицами сорта a и неподвижными частицами сорта b с зарядом Z₀e имеет вид:

,

r << r_w 

r>>r_w 

,
.

Литература

1. Майоров С.А. Краткие сообщения по физике ФИАН, в печати.

ИЗУЧЕНИЕ СОСТАВА МОЛЕКУЛЯРНЫХ ИОНОВ В МЕГАВАТТНОМ ПРОТЯЖЕННОМ КВАЗИСТАЦИОНАРНОМ ПУЧКЕ.

И.И. Морозов

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, Российская Федерация

    Приведены результаты изучения состава молекулярных ионов в пучке ионов водорода мегаваттной мощности ИК-50. Исследовались пучки с энергией до 25 кэВ и током до 50 А при длительности от 20 до 80 мс.
    Измерения производились при помощи магнитной сепарации и по измерению глубины внедрения в кристаллические пластины, а также с использованием оптической диагностики регистрирующей излучение атомов водорода.
    Результаты сравниваются с ранее полученными данными для эмиссионной плазменной поверхности.

НАХОЖДЕНИЕ МАТРИЧНОГО ЭЛЕМЕНТА ТРЕХВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ВО ВНЕШНЕМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ ДЛЯ СЛУЧАЯ РАССЕЯНИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ВОЛНЫ НА НИЗКОЧАСТОТНОЙ.

Е.З. Гусаков, А.Ю. Попов

ФТИ им А.Ф.Иоффе, С.-Петербург, Россия

    Хорошо известны выражения для матричного элемента трехволнового взаимодействия в изотропной плазме [1]. В присутствии внешнего магнитного поля выражения, определяющие этот элемент, были получены только для холодной плазмы [2,3], а так же для случая, когда дочерняя волна, получаемая в результате нелинейного взаимодействия двух произвольных (холодных или горячих) волн, может быть описана холодным гидродинамическим выражением [4]. В то же время в ряде физических приложений, например при диагностике мелкомасштабных флуктуаций плазмы с помощью рассеяния в верхнем гибридном резонансе, приходится иметь дело с взаимодействием трех коротковолновых колебаний, гидродинамическое описание даже одного из которых, не является корректным. Единственным упрощающим ситуацию обстоятельством является тот факт, что объект, на котором происходит рассеяние, как правило, является низкочастотным по сравнению с зондирующим сигналом.
    В настоящей работе проводится последовательный кинетический вывод матричного элемента трехволнового взаимодействия при условии, что частота волны на которой происходит рассеянии много меньше частоты зондирующего излучения. Показано, что в случае когда рассеянная волна может считаться холодной, т.е. для нее применимо гидродинамическое описание, выполняется предельный переход к результатам, полученным в [4]. Продемонстрированы пределы применимости результатов [4] и дано их сравнение с полученными в этой работе результатами.

Литература

1. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. 1978 Основы электродинамики плазмы
2. Цытович 1971 Теория турбулентной плазмы
3. Ахиезер А.И. Теория плазмы
4. Bindslev H. Plasma Phys. and Cont. Fusion 35 (1993) 1615-1641

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ МОЩНОГО РЭП ПО ТЕПЛОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ КАЛОРИМЕТРА

Аржанников А.В., Астрелин В.Т., Бобух Е.В., Бурдаков А.В., Заболотский А.Ю., Иваненко В.Г., Койдан В.С., Кузнецов С.А., Меклер К.И., Полосаткин С.В., Поступаев В.В., Ровенских А.Ф., Синицкий С.Л., Чеботаев П.З.

Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН, Новосибирск 630090, Россия

    Физика многих процессов, изучаемых в экспериментах с мощными импульсными электронными и ионными пучками, существенно зависит от локальных параметров таких пучков. Одной из актуальных задач становится определение пространственного распределения энергии по сечению пучка. В этой работе рассматриваются условия с высоким удельным энерговыделением (вплоть до порога разрушения приемника пучка), в которых стандартные калориметрические методики уже не могут быть использованы.
    Для экспериментов на установке ГОЛ-3-II [1] разработана методика оптической калориметрии, основанная на измерении мощности теплового излучения нагретой поверхности приемника пучка. В экспериментах электронный пучок генератора У-2 (~1 МэВ, ~200 кДж, ~8 мкс) поступал на графитовый калориметр, расположенный в области пониженного (до 2 Тл) магнитного поля. Удельная нагрузка на поверхность калориметра доходит до ~1 кДж/см², так что при этом пиковая температура поверхности может доходить до порога "взрывного" разрушения графита. Такие условия нами ранее изучались в связи с проблемой ресурса диверторов токамаков класса ИТЭР [2].
    В экспериментах измерялось двумерное распределение яркости по поверхности графитового калориметра в видимой и ближней ИК области при помощи цифровой фотокамеры. Используя специальную методику абсолютной калибровки, можно по измеренному распределению яркости рассчитать двумерное распределение пиковой температуры поверхности и удельное энерговыделение по сечению пучка. В расчетах учитывались: нагрев графита, фазовые переходы, тепловое излучение, теплопроводность вглубь графита, потери тепла за счет приповерхностной плазмы (теплопроводность и конвекция).
    В результате получено интегрированное по времени импульса двумерное распределение энерговыделения пучка с пространственным разрешением ~2% по радиусу пучка и детектируемой неоднородностью температуры ~1%. Абсолютная величина энергозапаса пучка определялась с точностью лучше 20%.

Литература

1.  Arzhannikov A.V., et al., Transactions of Fusion Technology, 1999, 35, No.1T, 112.
2. Astrelin V.T., et al., Nuclear Fusion, 1997, 37, 1541.

РАССЕЯНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛИНЕЙНО ПОЛЯРИЗОВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН АХИЕЗЕРА √ ПОЛОВИНА НА ПЛАЗМОННЫХ ДИФРАКЦИОННЫХ РЕШЕТКАХ

А.В. Боровский, А.Л. Галкин, В.В. Коробкин, О.Б. Ширяев

Институт общей физики РАН, Москва, Россия

    В последние годы в связи с развитием сверхмощных лазерных систем внимание исследователей привлекает тематика взаимодействия релятивистски интенсивного лазерного излучения с веществом и, в частности, проблема рассеяния электромагнитных волн высокой интенсивности в плазме (см., напр. [1,2,3]). В настоящей работе представлены результаты исследования неустойчивости релятивистски интенсивных плоских линейно поляризованных электромагнитных волн в холодной плазме докритической плотности.
    В качестве опорной волны для исследования неустойчивости используется строгое решение уравнений Максвелла и релятивистской гидродинамики, зависящее от сопутствующей переменной x√ qt , где q √ фазовая скорость электромагнитного излучения (решение задачи Ахиезера √ Половина) [3]. Эти решения описывают стационарное нелинейное распространение структуры типа электромагнитная волна √ плазмон, при чем немонохроматическое линейно поляризованное электромагнитное излучение испытывает амплитудную и фазовую самомодуляцию.
    Рассчитаны инкременты неустойчивости данных решений, соответствующей вынужденному рассеянию электромагнитного излучения на плазмонах и гидродинамическому аналогу эффекта Комптона. Показано, что рассеяние происходит в дискретный набор вложенных конусов. В пределах каждого конуса рассеяние анизотропно по азимутальному углу. Периодические колебания электронной компоненты плазмы приводят к формированию ⌠плазменной дифракционной решетки■, при чем углы рассеяния определяются аналогом соотношения Брэгга √ Вульфа: k_sin_J= mk_p , где k_p и k√ величины волновых векторов плазмона и рассеянного излучения излучения, а  m √ целые числа.

Литература

1. Krushelnick K. et al. Phys. Rev. Lett., 1997, v. 78, p. 4047
1. Сахаров А.С., Кирсанов В.И. Физика плазмы, 1995, т. 21, стр. 632
1. Borovsky A.V. et al., Phys. Rev. E, 1998, v. 59, p. 2253

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕГАВАТТНОГО ПРОТЯЖЕННОГО ПУЧКА ПО ИЗЛУЧЕНИЮ СВЕТА И НЕЙТРОНОВ.

^*И.А. Банников, И.И. Морозов, М.Ю. Степанов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск, Россия
^*Новосибирский государственный технический университет, Новосибирск, Россия

    Представлены результаты экспериментального исследования мегаваттных пучков ионов. Измерялись интенсивность излучения линии Бальмер-a атомов дейтерия (l =656.5 нм) и водорода (l =656.3 нм), возбуждаемых при прохождении ионного пучка через остаточный газ в камере установки, и регистрировались нейтроны, образующиеся в реакциях синтеза в результате взаимодействия дейтонов пучка с атомами остаточного газа дейтерия.
    По оптическим измерениям определялось распределение интегральной плотности тока пучка в поперечном сечении, расходимость и размеры пучка. Данные, измеренные оптическим методом, используются для исследования зависимости интенсивности свечения от плотности тока и длительности пучка с учетом изменения давления газа в камере.
    Быстрые нейтроны регистрировались водородсодержащим сцинтиллятором [1]. Используемая система позволяет измерять потоки нейтронов на детектор в диапазоне от 10³ до 2╢10⁵ нейтронов/с с временем измерения 4 мс. Вычисленный ток пучка по нейтронным измерениям согласуется с величиной тока пучка измеренной контактными методами.
    Предложенные методики успешно используются в качестве мониторинга мощного ионного пучка. На основе оптического метода разрабатывается метод реконструктивной томографии пучка, что позволит измерять не только интегральные плотности тока пучка, но и определять распределение плотности тока по сечению.

Литература

1. Морозов И.И., Соколов В.Г., Степанов М.Ю. Приборы и техника эксперимента, 1999, 2, стр.95-99.

СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЕННОГО РЕЛЯТИВИСТСКОГО ЧЕРЕНКОВСКОГО СВЧ-ГЕНЕРАТОРА

П.С.Стрелков, Д.К.Ульянов.

Институт общей физики РАН, Москва, Россия, Вавилова 38, e-mail: dox@fpl.gpi.ru, fax: (095) 135-80-11

    В работе представлены результаты исследований работы плазменного релятивистского СВЧ√генератора в различных режимах ПРГ на ускорителе "Терек-2" (500 кэВ, 2 кА, 30 нс). Показано, что частота СВЧ-излучения может регулироваться от 4 ГГц до 28 ГГц за счёт изменения плотности плазмы в диапазоне 3Ч10¹²ё 7Ч10¹³ см^-3 при уровне мощности 30ё60 МВт (к.п.д. ~  5%). Ширина спектра излучения ~ 4 ГГц.
    Основным результатом данной работы являются спектры излучения МПРГ полученные для различных значений длин взаимодействия L, значений магнитного поля B, радиусов плазмы R_p (радиус РЭП во всех экспериментах постоянный r_b = 0.6 см). Полученные результаты приведены в таблице:

    В первых трёх столбцах таблицы указаны значения параметров, при которых проводился эксперимент. Остальные параметры имели следующие значения: P = 0.45 мТор, r_b = 0.6 см, U = 500 кВ, I_b = 2.0 кА. В четвёртом столбце представлена пороговая плотность плазмы, при которой возникает генерация. В пятом, представлена минимальная генерируемая частота. В шестом, указана плотность плазмы, при которой получена максимальная частота генерации. Средняя ширина полосы генерации для всех серий составила D f ~4 ГГц.
    Совпадение зависимостей частоты генерации от плотности плазмы, полученных теоретически и экспериментально доказывает, что возбуждается азимутально-симметричная низшая по азимутальному индексу мода плазменного волновода.

К ТЕОРИИ НЕДИФФУЗИОННОГО ПРОНИКНОВЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ПРОВОДЯЩУЮ СРЕДУ.

В.Ю. Забурдаев

РНЦ Курчатовский Институт.

    Исследование особенностей проникновения тока и, следовательно, магнитного поля в плазму импульсных систем, имеющих малые характерные времена и масштабы, может быть выполнено в рамках электронной магнитной гидродинамики (ЭМГ). В данной работе в приближении ЭМГ рассмотрен процесс быстрого проникновения магнитного поля сильноточного пучка заряженных частиц (или, что тоже, тока пучка) при его инжекции в плазму. В условиях, когда инерция электронов доминирует над возможной нелинейностью, получено решение, описывающее эволюцию начального скачка магнитного поля в виде бегущего с токовой скоростью разрыва, который экспоненциально затухает во времени.

ОБРАЗОВАНИЕ БЛИСТЕРОВ И ДЕГРАДАЦИЯ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ, ОБЛУЧАЕМОЙ ИОНАМИ

А.Л. Бондарева, Г.И. Змиевская

Институт прикладной математики им. М.В.Келдыша РАН, Москва, Россия

    Исследование механизмов захвата гелия и водорода кристаллической решеткой твердого тела при контакте с быстрыми ионами представляет интерес как для задач управляемого термоядерного синтеза так и при изучении элементарных физических процессов, инициирующих фазовые переходы в материалах, помещенных в плазменные потоки. Изучение деградации металлических поверхностей под воздействием диагностирующих лазерных импульсов, под действием плазмы разряда, также как и изменение свойств зеркал для лазерной локации в космосе, когда внедрение ионного потока происходит под воздействием термоциклирования и других факторов космического пространства. Образование вакансионно- газовых пор в кристаллической решетке никеля под действием ионов гелия при энергии > 10 кэВ и дозах, соответствующих высокотемпературному блистерингу, моделируется как процесс кластеризации радиационных дефектов. Процесс создания начального распределения зародышей макродефектов решетки представляет собой неравновесную стадию фазового перехода первого рода, исследование которой ведется численно методом стохастического аналога и результатом которого является кинетическая модель броуновского движения в решетке кластера дефектов переменной массы. Численное решение систем стохастических дифференциальных уравнений Ито-Стратоновича позволяет восстановить временную эволюцию кинетических функций распределения дефектов (блистеров гелия) по размерам и по пространственным координатам (узлам или междоузлиям слабоанизотропной кубической решетки) на временах, соответствующих флуктуационной стадии фазового перехода (~10-100 нсек). Решаются последовательно две задачи: во-первых, уравнения Фоккера- Планка-Колмогороова для описания стохастической диффузии в пространстве размеров кластеров дефектов, находящихся в узлах решетки, во-вторых, первоначально равномерно распределенные дефекты по пространству совершают диффузионное перемещение согласно уравнению типа Крамерса с нелинейным коэффициентом диффузии и в потенциале дальнодействующих сил взаимодействия кластеров. Слияние кластеров различных размеров в результате столкновений учтено уравнениями типа Больцмана, количественная характеристика эффективности этих процессов получена решением стохастических уравнений Ито для скачкообразного Марковского процесса. Исследование флуктуационно неустойчивого процесса образования зародышей газовых пузырьков при нескольких моделях блистеринга, т.е. захват, удержание и газовыделение гелия в процессе термоциклирования образца и на сегрегацию кластеров дефектов в приповерхностном слое по направлению внедрения гелия.

КИНЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОХАСТИЧЕСКОГО РЕЗОНАНСА В АНСАМБЛЕ БИСТАБИЛЬНЫХ ОСЦИЛЛЯТОРОВ.

Г.И. Змиевская, А.В. Иванов

Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша, Москва, Россия

    Явление стохастического резонанса неоднократно рассматривалось ранее[1,2].Стохастический резонанс проявляется во многих физических системах и может оказывать влияние на протекание различных процессов, в т.ч. приводить к появлению фазовых переходов.
    В данной работе численно анализируется кинетическое уравнение осцилляторной модели среды, находящейся под воздействием внешних шумов и периодической силы. Используется кинетическое описание системы с помощью уравнения Фоккера-Планка, которое заменяется эквивалентной системой стохастических дифференциальных уравнений Ито-Стратоновича, решаемой численным методом Артемьева[3].
    Стохастический резонанс в такой системе может влиять при некоторых условиях на возникновение различных когерентных структур. Этот процесс может быть проинтерпретирован как фазовый переход.

Литература

1. Анищенко В.С. и др. УФН 1999г. том 169,╧1, стр.7-38
2. Климонтович Ю.Л. УФН 1999г. том 169,╧1, стр.39-47
3. Змиевская Г.И. Физика плазмы 1997г. том 23 ╧4 стр. 368-382