Физика

Российские ученые рассчитали динамику плазменной кильватерной волны

LOASIS/Berkeley Lab

Ученые из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН помогли интерпретировать результаты американского эксперимента по измерению долговременной динамики плазменной кильватерной волны. Российским физикам удалось рассчитать ее на времени до 1500 пикосекунд, что в 40 раз дольше других исследовательских групп. Оказалось, что более 80% начальной энергии волны остается в плазме и переходит в энергию ее разлета, что делает перспективы кильватерных ускорителей менее оптимистичными. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Дороговизна и сложность классических ускорителей элементарных частиц заставляет ученых искать альтернативные методы. Одним из них является плазменное кильватерное ускорение. Этот метод основан на использовании пучка, проходящего через плазму. В результате этого образуется волна, которая разгоняет летящие следом электроны. Этот процесс можно сравнить с волнами на воде, которые остаются за кормой идущего судна. Именно из такого сравнения метод и получил свое название.

В американской ускорительной лаборатории SLAC недавно впервые была измерена долговременная динамика плазменной кильватерной волны. В ходе исследования ученые направили в камеру с газом электронный пучок. Его поле было настолько сильное, что разрывало связи между электронами и ионами атомов газа. В результате образовывалась плазма. «Главной целью эксперимента было наблюдение эволюции плазмы на больших временных интервалах. Также физики пытались установить, каким образом энергия волны перераспределится после ее затухания в плазме и как она покинет камеру. Это нужно для ответа на важный технический вопрос: с какой частотой может работать кильватерный ускоритель, ведь между выстрелами вся энергия предыдущей волны должна быть удалена из камеры. В камеру специальным образом посылали лазерное излучение так, что плазменный канал оказывался для него непрозрачен, что давало темное пятно на изображениях. По размерам и скорости роста пятна можно судить, сколько энергии остается в плазме и как быстро она достигнет стенок камеры», — пояснил один из авторов работы, аспирант НГУ Вадим Худяков.

«Темное пятно на экране расширялось намного быстрее, чем можно было ожидать из сколько-нибудь разумных соображений. Оказалось, что за быстрым ростом пятна стоит много новых эффектов, о которых раньше никто не подозревал. Для объяснения эксперимента объединили свои усилия две ведущих вычислительных команды: теоретики из Лиссабонского университета (Португалия) с кодом OSIRIS и мы c программой LCODE. У них была возможность рассчитать, что происходит в плазме на начальных временах (до 40 пикосекунд). Мы же рассчитали динамику до 1500 пикосекунд — в 40 раз дальше португальцев и всего мира — и в итоге добились количественного согласия с экспериментом», — рассказал доктор физико-математических наук, профессор НГУ, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН Константин Лотов.

Плазма имеет гораздо большее давление, чем окружающий газ. Из-за этого она неизбежно начинает разлетаться к стенкам. Однако естественная оценка скорости такого разлета не соответствовала наблюдаемой, и количества этой плазмы не хватило бы для пятна такого размера. Поэтому стало очевидно, по словам ученых, что возникает большое количество новой плазмы, то есть происходит дальнейшая ионизация газа.

«Как только была высказана идея об ионизации газа разлетающейся плазмой, возникла необходимость учесть это в LCODE. Но ионизация — сложный процесс, который может проходить разными способами. Моей задачей и было составить правильную физическую модель и учесть все эти способы, а потом реализовать в программе LCODE. В итоге нам удалось достигнуть количественного согласия роста пятна в эксперименте и в нашем моделировании. Эксперимент ввиду технической сложности дает гораздо меньше информации, чем моделирование, но, когда получено согласие, можно доверять той дополнительной информации и ответить на интересующие вопросы. В моделировании мы выяснили, что в самом начале волна выбрасывает часть электронов из плазмы, и в этом случае плазма расширяется не из-за собственного давления, а из-за того, что становится заряженной. Скорость такого разлета оказывается гораздо выше, а совместное действие разных способов ионизации объясняет появление новой плазмы. Главным результатом оказалось то, что более 80% начальной энергии волны остается в плазме и переходит в энергию этого разлета. Это делает оценки возможной частоты выстрелов менее оптимистичными, чем считалось ранее», — отметил Худяков. Авторы отмечают, что в моделировании также было замечено много необычных эффектов, объяснением которых они планируют заниматься в будущем.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.