Коэффициэнт отражения от плотной плазмы Саитов Ильнур Миннигазыевич

Введение к работе

Диссертация посвящена коэффициенту отражения от плоского слоя равновесной низкотемпературной плотной плазмы ударно сжатого ксенона. Рассмотрены зависимости от частоты и угла падающего излучения и от плотности плазмы. В качестве основного подхода, используемого для расчета диэлектрической проницаемости (ДП) и коэффициента отражения, применяется теория функционала плотности (ТФП). Помимо ТФП значения ДП и коэффициента отражения вычисляются на основе плотности электронных состояний, вычисленной в рамках классического метода молекулярной динамики (МД). На основе такой модели плазмы исследованы также флуктуации некоторых термодинамических параметров плазмы.

Актуальность работы. Измерение коэффициента отражения и теоретический анализ их результатов является распространенным методом исследования фазовых диаграмм различных веществ [1 - 10]. Метод ТФП, используемый для расчета ДП в [5 - 10] имеет широкий спектр применения, в частности, в расчетах конденсированного состояния [11, 12].

Значения коэффициента отражения от ударно сжатого ксенона были получены в уникальных экспериментах [13 - 16] для различных длин волн лазерного излучения. Удовлетворительного теоретического объяснения этим результатам пока не найдено. Подходы [17 - 20], основанные на применении формулы Друде, не воспроизводят экспериментальную зависимость от плотности без искусственного увеличения ширины фронта. В работе [21] для расчета коэффициента отражения от плазмы ксенона был применен метод ТФП. Для расчета мнимой и действительной части ДП использовалось выражение Кубо-Гринвуда для поперечной компоненты тензора ДП (далее поперечное выражение) и преобразование Крамерса-Кронига. Однако этот подход также не дал удовлетворительного согласия с [13].

Цель работы. 1. Развитие подхода для расчета ДП плотной плазмы и коэффициента отражения от нее на основе продольного выражения для ДП.

1. Определение зависимостей от плотности плазмы, длины волны и угла падения для коэффициента отражения от плазмы ударно сжатого ксенона.

2. Исследование вклада свободных и связанных электронных состояний в ДП и коэффициент отражения. Анализ зависимости данных величин от плотности электронных состояний.

3. Исследование двойного электрического слоя, образующегося вследствие воздействия лазерного излучения на поверхность плазмы.

4. Анализ функций распределения флуктуации температуры и давления в системе свободных электронов и слабо связанных электрон-ионных пар.

Научная новизна работы. Предложен метод расчета коэффициента отражения от плотной плазмы, основанный на методе ТФП. Для мнимой ча-

сти ДП применяется продольное выражение [22, 23] вместо используемого в [21] поперечного выражения. Внесены изменения в код VASP [24], позволяющие более корректно рассчитывать ДП и коэффициент отражения для высоких температур. Для случая плазмы ударно сжатого ксенона данный подход заметно улучшает согласие с экспериментом как по сравнению с использованием формулы Друде [17 - 20], так и с подходом ТФП с формулой Кубо-Гринвуда для мнимой ДП.

Для анализа точности результатов используется расчет ДП через плотность электронных состояний, которая находится в рамках классического метода МД. Исследуется влияние различных электронных уровней и переходов между ними. Сравнение с экспериментальными значениями коэффициента отражения является дополнительной верификацией модели плазмы, предложенной в [25] и использованной нами для расчета плотности состояний.

В рамках модели плазмы [25] предложен подход к рассмотрению свойств уравнения состояния неидеальной плазмы через анализ флуктуации термодинамических параметров (температуры и давления). При этом обнаружены условия, при которых функция распределения флуктуации давления отклоняется от нормальной.

Практическая ценность работы. Результаты работы могут быть использованы при исследованиях оптических и транспортных свойств плотной плазмы и плотных разогретых веществ (WDM) и для их диагностики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод расчета коэффициента отражения в рамках ТФП.

2. Зависимости коэффициента отражения от плотности плазмы и длины волны и угла падающего излучения. Интерпретация результатов расчета с помощью плотности электронных состояний.

3. Приповерхностное распределение электронной плотности.

4. Флуктуации температуры и давления в системе свободных электронов и слабо связанных электрон-ионных пар.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" (2007-2012, Москва); "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" и "Уравнения состояния вещества" (п. Эльбрус, 2008, 2009, 2011, 2013); "Аэрофизика и физическая механика классических и квантовых систем" (Москва, 2009, 2010); XXV IUPAP Conference on Computational Physics (Москва, 2013); Annual Moscow Workshops on the Non-ideal Plasma Physics (Москва, 2009 - 2012); Strongly Coupled Coulomb Systems (Budapest 2011), 13th International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas (Черноголовка, 2009); EPS Conferences on Plasma Physics (Stras-

bourg 2011, Stockholm 2012); Workshops "Complex systems of charged particles and their interaction with electromagnetic radiation" (Москва, 2010, 2011).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4 статьях в реферируемых научных журналах, а также в сборниках и тезисах российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 93 страницах, включает 36 рисунков, библиографию из 123 наименований.