Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ. физика пучков заряженных частиц тради-
ционно развивается по таким направлениям, как электронная оптика, физическая электроника, ускорители заряженных частиц. В течение последних двадцати лет в нашей стране и за рубежом проводились многочисленные исследования, посвященные основам физики наносекундных релятивистских электронных пучков (РЭП) в вакууме, газах и плазме, а также вопросам техники генерации и транспортировки пучков и ряду приложении - генерации СВЧ-волн, импульсным лазерам, источникам рентгеновского излучения, коллективному ускорению ионов. Интенсивные релятивистские пучки заряженных частиц нашли применение в физике плазмы - в связи с проблемой "зажигания" термоядерной реакции. Высокие давления и температуры, реализуемые при взаимодействии РЭП с поверхностями твердых тел, позволяют исследовать поведение вещества в экстремальных условиях, а также изучать структурные и химические превращения.
Основное внимание в названных исследованиях уделяется анализу поведения электронных пучков в собственных и внешних электромагнитных полях, а также особенностям взаимодействия высоко-энергетичных потоков электронов с разреженными, конденсированными и плазменными средами. В то же время для многих практически важных приложений большое значение имеют эффекты, обусловленные характером источника электронов и геометрией устройств, в которых происходит распространение пучка. Одним из таких приложений является защита от воздействия ионизирующих излучений на различные технические об'єкта - спутники, управляемые снаряды, контрольно-измерительную аппаратуру, работающую в жестких радиационных условиях. В этих случаях потоки электронов релятивистского диапазона энергий могут возникать вследствие взаимодействия корпуса изделия и элементов его конструкции с падающим на них ионизирущим излучением в результате фото- или комптонов-ского эффектов.
Потоки эмиттирующих с поверхности электронов могут быть направлены как наружу, так и внутрь корпуса и имеют ряд специфических характеристик (энергетический и угловой спектры, временную форму и длительносгь импульса). Распространение импульса РЭП внутри технологического оборудования сопровождается генера-
цней высокочастотного электромагнитного поля <ЗМП>, что может влиять на работу электронных и кабельных систем. Поэтому представляет большой интерес исследование полей при внутренней эмиссии, вызванной ионизирующим излучением. Кроме того, эффект генерации внутреннего ЭМП ионизирующим излучением может быть положен в основу конструкции новых типов контрольно-измерительной аппаратуры. Очевидно, что при изучении данной проблемы геометрия об'єкта и свойства источника становятся факторами, выходящими на первый план и определяющими новые постановки задач.
Общепринятой системой уравнений, описывающей динамику бес-столкновительных потоков электронов, является система Власова -Максвелла. Исходная система уравнений существенно нелинейна, поскольку функция распределения электронов изменяется под действием электромагнитного поля, которое, в свою очередь, определяется из уравнений Максвелла, содержащих моменты функции распределения. Кроме того, для большинства практически важных случаев характерна нестационарность электромагнитных процессов, сопровождающих эмиссию электронов. Ввиду сказанного актуальной является разработка математических моделей для численного анализа возникающих на данном направлении задач.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью данной работы является:
разработка математических моделей генерации электромагнитных полей при внутренней эмиссии релятивистских электронов под действием ионизирующих излучений, в том числе в элементах технологического оборудования, имеющих сложную геометрическую форму;
разработка эффективных алгоритмов решения системы уравнений Власова - Максвелла на основе проекдионно - сеточного подхода;
создание и внедрение в практику комплекса прикладных программ для моделирования динамики релятивистских электронных потоков, движущихся как во внешних электромагнитных полях, так и в собственном поле в режиме самосогласования;
Разработаны новые дискретные математические модели внутренней электронной эмиссии, позволяющие решать практически важные задачи анализа электромагнитных полей в технологических об'єктах сложной геометрической формы в приближении аксиальной симметрии.
Построены эффективные алгоритмы, реализующие неявные про-екционно-сеточные схемы для системы уравнении Власова-Максвелла на неструктурированных треугольных пространственных сетках, адаптированных к геометрии расчетной области.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Созданный на основе разработок диссертации комплекс прикладных программ позволяет проводить теоретические и инженерные исследования ЭМП в об'єктах сложной геометрии при прохождении через них сильноточных пучков заряженных частиц. Методики, алгоритмы и программные комплексы, предложенные в работе, могут быть использованы в прикладных исследованиях свойств заряженной плазмы: ускорителях ионов, термоядерном синтезе, генерации и транспортировке РЭП и других процессов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались на Международной конференции imacs "Математическое моделирование и прикладная математика" (Москва, 1990 г.), конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1993г.), научном семинаре ТРИНИТИ (проф.Трощиев В.Е.,проф. Смирнов В.П.), совместном научном семинаре отделов n 18 и n 21 ИПМ им. М.В.Келдыша АН СССР, совместном научном семинаре ИПМат и ИММ РАН (проф. Леванов Е.И.), научном семинаре фИАН (проф. Розанов В.Б.).
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации опубликованы в 6 печатных работах (см. список публикаций), а также в ряде научно-технических отчетов ИПМ РАН.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Текст изложен на ^« машинописных страницах, диссертация содержит "7- рисунков. Список литературы включает 108 наименований.
