Введение к работе
Актуальность темы. Численное моделирование нестационарных плазменных процессов, имеющих общенаучное и прикладное значение, связано с формулировкой физико - математических моделей различной сложности и размерности. Основные законы, управляющие поведением плазмы, достаточно наглядны и просты: частицы движутся под действием хорошо известных сил Лоренца, оставаясь, как правило, в рамках классического описания. Вместе с тем, в плазме происходит огромное множество чрезвычайно сложных процессов с широким спектром пространственно - временных масштабов, теория которых еще далека от завершения. Трудности получения достаточного количества необходимой информации о плазменных процессах в лабораторных условиях, а также тот факт, что все существующие теоретические модели в реальных постановках очень сложны, приводят к необходимости использования дополнительного метода исследования - численного моделирования, а значит и разработки соответствующих численных алгоритмов для реализации существующих моделей. Численное моделирование позволяет интерпретировать и предсказывать результаты лабораторных исследований нелинейных плазменных процессов в тех случаях, когда применение аналитических методов встречает принципиальные трудности и, кроме того, оно создает основу для разработки новых теоретических моделей и постановки лабораторных экспериментов. Основные принципы вычислительной физики плазмы в нашей стране разрабатывались А.А.Самарским, Ю.А.Березиным, Ю.Н.Днестровским, Ю.С.Сиговым, В.П.Ильиным, К.В.Брушлинским, а также их коллегами и учениками.
Увеличение размеров и стоимости современных традиционных ускорителей заряженных частиц приводит к необходимости поиска новых нетрадиционных методов, которые обеспечили бы дальнейшее продвижение в область высоких энергий с разумными финансовыми затратами. В связи с развитием лазерных технологий, позволяющих получать очень короткие импульсы большой мощности, именно лазерные ускорители являются наиболее привлекательными с точки зрения использования их в практических целях. При мощности от десятков тераватт до петаватт интенсивность излучения современных лазерных систем достигает значений порядка 1020Вт/см2, а электрическое поле таких импульсов превышает характерное атом-
ное поле. При этих условиях на первый план выступают особенности нелинейной оптики плазмы. Наиболее существенными оказываются эффекты, связанные с релятивистским утяжелением частиц плазмы в поле излучения импульса. Происходит модификация известных ранее процессов и обнаруживаются совершенно новые эффекты. Это в первую очередь относится к таким явлениям, как самофокусировка электромагнитного излучения, трансформация энергии излучения в плазменные волны, генерация гармоник, формирование и распространение солитонов и электронных вихрей в плазме, насыщение вынужденного комбинационного рассеяния и т.д. В качестве примеров множества многообещающих приложений сверхмощных ультракоротких лазерных импульсов, кроме новых методов ускорения заряженных частиц коллективными полями в плазме, можно отметить концепцию быстрого зажигания мишени в проблеме управляемого термоядерного синтеза, создание источников мощного электромагнитного излучения рентгеновского диапазона.
Цель работы состоит в исследовании процессов, происходящих при взаимодействии лазерного импульса с плазмой докритической плотности, создании численной модели, адекватной исследуемым явлениям, разработке и реализации созданных алгоритмов на вычислительных системах современной архитектуры. Научная новизна работы состоит в следующем:
на основе двумерной физико - математической модели, включающей в себя уравнения Власова для электроной и ионной компонент плазмы и полную систему уравнений Максвелла для электромагнитного поля, создан алгоритм решения задачи эволюции лазерного импульса произвольной поляризации в бесстолкновительной плазме;
разработан алгоритм параллельных вычислений для решения поставленной задачи, реализованный на мультипроцессорном комплексе CRAY ТЗЕ (Болонья, Италия); на основе построенного алгоритма решена задача взаимодействия мощного лазерного импульса с плазмой докритической плотности,в частности:
а) исследованы особенности взаимодействия мультитераватт-ных лазерных импульсов с плазмой докритической плотности;
б) определен механизм генерации квазистационарного магнит
ного поля в кильватерном следе лазерного импульса реляти
вистской амплитуды;
в) исследована нелинейная эволюция кильватерной плазмен
ной волны;
г) доказана возможность осуществления плавной инжекции
электронов в ускоряющую фазу электрического поля в резуль
тате нелинейного опрокидывания кильватерной волны;
исследована динамика взаимодействия лазерного импульса с
фольгой.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнениями с имеющимися аналитическими оценками, удовлетворительным согласием с результатами работ других авторов, а также тестированием и контролем точности проведенных расчетов. Научная: и практическая ценность. Проведенные в диссертации исследования позволили выявить основные закономерности взаимодействия лазерных импульсов большой мощности с плазмой докри-тической плотности, определить структуру и механизм генерации магнитных полей в релятивистских режимах, детально изучить нелинейную эволющию плазменной волны, что имеет важное значение для физики бесстолкновительной плазмы и теории нелинейных волн, а также коллективных методов ускорения заряженных частиц. На защиту выносятся:
-
разработка численной модели взаимодействия лазерного импульса с бесстолкновительной плазмой на основе кинетического приближения для электронов и ионов;
-
создание эффективных алгоритмов последовательных и параллельных вычислений для решения задачи долговременной эволюции лазерного импульса в плазме;
3) результаты моделирования взаимодействия мощного лазерного
импульса с плазмой докритической плотности и с тонкой фольгой.
Аппробация работы. Основные результаты диссертации докла
дывались и обсуждались на Всероссийской конференции "Теорети
ческие основы и конструирование численных алгоритмов решения
задач математической физики" (Пущино, 1996); XI Международ
ной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск,
1997); XVI Международной школе - семинаре по численным методам
механики вязкой жидкости (Новосибирск, 1998); Российско - Ита-
льянском совещании "Нелинейные процессы в астрофизической и лабораторной плазме" (Звенигород, 1998); XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, 1998); Национальном конгрессе по физике сплошных сред (Римини, Италия, 1998), а также на научных семинарах в ИВМиМГ СО РАН (г.Новосибирск), ИВТ СО РАН (г.Новосибирск), ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск), ИЛФ СО РАН (г. Новосибирск), ИТПМ СО РАН (г.Новосибирск), Университете г.Пиза (Италия).
Публикации. Содержание диссертации отражено в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Структурно работа состоит из введения, трех глав и списка цитируемой литературы из 9-і наименований. Объем диссертации составляет So страниц, включая ^таблиц и ^рисунков.