Нелинейная динамика мощного электронного пучка в процессе развития плазменной турбулентности

Коллективное взаимодействие электронного пучка с плазмой является одним из самых распространенных и наиболее фундаментальных явлений в физике плазмы. Несмотря на более чем полувековую историю исследований в этой области [1,2], различные аспекты задачи продолжает активно изучаться как применительно к космическим явлениям [3−5], так и применительно к схеме быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [6,7]. В данной работе основное внимание уделено изучению тех режимов коллективной релаксации пучка, которые интересны с точки зрения нагрева лабораторной плазмы до высоких температур. Мотивацией для таких исследований является недавний прогресс, достигнутый в экспериментах по нагреву плазмы в открытых ловушках [8,9].

Несмотря на обилие теоретических моделей, описывающих различные режимы пучково-плазменного взаимодействия, задача предсказания с их помощью результатов реальных экспериментов все еще далека от решения. Дело в том, что максимально приближенная к эксперименту постановка задачи зачастую требует отказа от привычных для теории идеализаций, таких как слабое или сильное магнитное поле, гидродинамический или кинетический характер пучковой неустойчивости, приближение случайных фаз возбуждаемых в плазме турбулентных пульсаций. Кроме того, при длительной инжекции пучка эволюция пучково-плазменной системы может проходить через целую последовательность стадий, определяемых совершенно различными нелинейными процессами. В связи с этим становится актуальным создание численных моделей, которые бы позволили с единых позиций изучить всю картину проходимых пучком этапов релаксации и помогли бы определить адекватность существующих теоретических представлений о механизмах насыщения пучковых неустойчивостей.

Целью диссертационной работы является изучение основных физических явлений, происходящих в пучково-плазменной системе в процессе длительной инжекции пучка, когда в плазме не только устанавливается квазистационарное турбулентное состояние, но и когда это состояние успевает значительно измениться за счет эволюции макроскопических параметров плазмы. Это предполагает.

• изучение линейной стадии неустойчивости электронного пучка в замаг-ниченной плазме в рамках точной кинетической теории,.

• исследование сценария установления и нелинейной эволюции возбуждаемой пучком турбулентности, а также ,.

• создание теоретических и численных моделей, способных описывать релаксацию мощных электронных пучков в плазме на масштабах реальных экспериментов.

Первые теоретические подходы к решению задачи о релаксации электронных пучков в плазме основывались на квазилинейной теории [10,11]. Применительно к задаче об инжекции пучка в плазменное полупространство квазилинейный механизм предполагает, что линейный эффект раскачки пучком плазменных колебаний стабилизируется другим линейным эффектом выноса этих колебаний из области релаксации с групповой скоростью [12]. Для более сильных неустойчивостей существенную роль в их стабилизации начинают играть плазменные нелинейности [13,14]. В этом случае плазменные колебания выходят из резонанса с пучком благодаря различным нелинейным процессам типа волна-волна или волна-частица-волна, вероятность которых при достаточно низком уровне насыщения энергии может быть вычислена в рамках последовательной теории возмущений, составляющей основу слаботурбулентного подхода [15,17]. При взаимодействии еще более мощных электронных пучков с плазмой происходит переход к режиму сильной турбулентности, когда в игру вступают такие нелинейные эффекты, как модуляционная неустойчивость и коллапс ленгмюров-ских волн [16,18,19]. Важным шагом в решении задачи о релаксации пучка в этом режиме стали работы [20,21], где в уравнения, описывающие квазилинейную диффузию пучка на резонансных колебаниях, была включена эффективная частота их нелинейной диссипации, созданная модуляционной неустойчивостью. Предпринятые позднее попытки более детального описания турбулентности, непрерывно возбуждаемой пучком, основывались на численном решении динамических уравнений Захарова [22−24] и ограничивались рассмотрением пространственно однородной задачи. Подобные численные расчеты, выполненные в двухи трехмерной геометрии, легли затем-в основу двухкомпомпонентной модели сильной турбулентности [25].

Все эти теоретические и численные подходы, однако, основывались на представлении о линейном характере возбуждения резонансных с пучком колебаний, которое позволяло отождествлять скорость накачки энергии в турбулентность с линейным инкрементом пучковой неустойчивости. Очевидно, что при достаточно большой энергии резонансных волн это представление перестает быть верным, и динамика пучка оказывается нелинейной. Наиболее отчетливо влияние пучковых нелинейностей проявляется при раскачке регулярной волны в пространственно однородной задаче, когда захват пучка в создаваемую ей потенциальную яму приводит к насыщению волновой энергии [26,27]. В более реалистичной задаче об инжекции пучка через границу эффекты захвата способствуют формированию локализованных в пространстве волновых пакетов. Подобные пакеты были обнаружены экспериментально [28,29], а затем особенности их регулярной динамики были воспроизведены в численных расчетах, основанных как на методе частиц в ячейках (Particle In Cells, PIC) [30], так и на методах численного решения уравнения Власова [31,32].

Упомянутые исследования, однако, не отвечают на вопрос о том, какую роль играют пучковые нелинейности в состоянии развитой турбулентности. Для изучения этого вопроса необходимо провести численное моделирование, которое, с одной стороны, будет способно на больших временах отслеживать эволюцию возбуждаемой пучком турбулентности, а с другой, позволит обеспечить достаточно подробное описание кинетических эффектов, связанных с захватом пучка. Такому моделированию, ставшему возможным только недавно благодаря появлению адекватных задаче вычислительных ресурсов, и посвящена данная работа.

Важной характеристикой возбуждаемой в плазме неустойчивости является ее линейный инкремент Г. Вычисление этой величины в широкой области волновых чисел позволяет определить тип и спектральный состав наиболее неустойчивых возмущений. В последнее время интерес к этой задаче значительно возрос благодаря’исследованиям по инерциальному термоядерному синтезу, в которых вопрос о релаксации генерируемых с помощью лазерного излучения релятивистских электронных потоков является весьма важным. В рамках этих исследований впервые были получены’численные решения точного дисперсионного уравнения для неустойчивости электронного пучка в изотропной плазме без использования каких-либо упрощающих предположений [33]. Прямые вычисления инкремента в рамках самой общей линейной теории стали поводом для пересмотра и уточнения результатов, полученных с помощью различных приближений. Даже в наиболее простом случае одномерной двухпотоковой неустойчивости более детальное исследование [72] показало, что гидродинамическое и кинетическое приближения способны предсказывать инкремент только по порядку величины. Чтобы определить доминирующие неустойчивости, возбуждаемые горячим пучком в замагниченной плазме, необходимо решать гораздо более сложные дисперсионные уравнения, что требует применения параллельных численных алгоритмов и больших вычислительных мощностей. Для произвольного магнитного поля и произвольного направления распространения колебаний эта задача была впервые решена в работе автора [74].

Для изучения той роли, которую играют эффекты захвата в процессе турбулентного нагрева плазмы электронным пучком, в данной работе предложены теоретическая [71] и две численные модели [75,76]. Подробное описание как плазменной турбулентности, так и кинетических эффектов, связанных с захватом пучка, может обеспечить PIC модель, однако полномасштабный учет кинетики и пучка, и плазмы в рамках этой модели оказывается весьма затруднительным даже в одномерном случае. Дело в том, что в численной модели вместе с медленной динамикой плазмы на временах инжекции пучка 0.1 — 1 мкс) необходимо описывать также и быстрые процессы возбуждения высокочастотных плазменных колебаний, а наряду с пространственным масштабом реального эксперимента 1 м) необходимо разрешать и микроскопические масштабы, соответствующие области поглощения волновой энергии. Для характерных значений плотности плазмы в открытых ловушках п = 1015 см 3 эти масштабы различаются на 6−7 порядков. Это обстоятельство делает актуальными попытки поиска более экономичных с вычислительной точки зрения моделей, способных в одномерном случае воспроизвести те же самые нелинейные эффекты, которые определяют коллективное торможение пучка в рамках более общих подходов. Если считать, что в режиме захвата турбулентные процессы в плазме практически не влияют на ту мощность, которую может отдать пучок [71], то для определения поглощаемого в плазме полного потока энергии детальное кинетическое описание плазмы представляется менее важным, чем описание пучка. В связи с этим для моделирования релаксации пучка и турбулентного нагрева плазмы на больших пространственных и временных масштабах разумно использовать упрощенную гибридную модель, в которой пучок следует моделировать набором отдельных частиц, оставляя в задаче связанные с ним кинетические эффекты, а медленную нелинейную эволюцию плазмы описывать усредненными гидродинамическими уравнениями с теми же плазменными нелинейностями, которые содержатся в уравнениях Захарова. Таким образом, для численного моделирования реальных экспериментов в данной работе используется одномерная гибридная модель, адекватность которой для описания основных турбулентных процессов в плазме проверяется с помощью более строгой PIC модели.

Положения, выносимые на защиту:

1. Впервые получены решения дисперсионного уравнения для системы горячий электронный пучок — холодная замагниченная плазма в рамках точной кинетической теории. Исследованы эффекты совместного влияния магнитного поля и углового разброса пучка на неустойчивость косых волн.

2. Построена теоретическая модель коллективной релаксации пучка в режиме захвата. Показано согласие предсказаний модели с результатами реальных экспериментов по пучковому нагреву плазмы в открытых ловушках.

3. Разработана гибридная численная модель, способная моделировать турбулентный нагрев плазмы мощным электронным пучком на масштабах реальных экспериментов.

4. Установлен сценарий нелинейной эволюции пучково-плазменной системы при длительной инжекции электронного пучка в плазму. Показано, что переход от динамической стадии к состоянию развитой турбулентности связан с развитием коротковолновой модуляционной неустойчивости. В установившемся состоянии обнаружен турбулентный режим с постоянной мощностью накачки, уровень насыщения которой не зависит от детальной структуры турбулентности и определяется исключительно пучковыми нелинейностями.

4.3.4 Выводы.

В данной части работы с помощью численного моделирования исследованы основные физические процессы, определяющие скорость нагрева плазмы в условиях длительной инжекции мощного электронного пучка. Показано, что сценарий установления квазистационарной турбулентности в этом случае состоит из нескольких характерных этапов. На динамической стадии пучок раскачивает регулярную ленгмюровскую волну, энергия которой нарастает до значений, значительно превышающих тепловую энергию плазмы, что приводит к развитию коротковолновой модуляционной неустойчивости. Установлено, что ранняя стадия этой неустойчивости адекватно описывается упрощенной теорией, учитывающей кинетические эффекты, связанные с конечной температурой электронов плазмы, а на нелинейной стадии в игру вступает сильная электронная нелинейность, которая приводит к поглощению нарастающих колебаний за счет пересечения электронных траекторий. После опрокидывания этих коротковолновых колебаний практически вся осцилляторная энергия плазменных электронов превращается в их тепловую энергию, в результате чего устанавливается турбулентный режим с более слабой накачкой V/ < пТ. На этом этапе перенос энергии из области возбуждения в область диссипации осуществляется как за счет коллапса, так и за счет эстафетного процесса рассеяния ВЧ колебаний на флукту-ациях плотности плазмы. С ростом температуры, однако, турбулентность переходит в режим, когда нелинейные процессы в плазме не способны обеспечить достаточно эффективную диссипацию резонансных с пучком колебаний, и мощность накачки энергии в турбулентность стабилизируется на уровне, определяемом только пучковыми нелинейностями. Это обстоятельство открывает возможность для моделирования реальных экспериментов по нагреву плазмы, поскольку вместо трудоемких PIC расчетов в режиме насыщения можно использовать более экономичные модели с более грубым описанием турбулентных процессов в плазме. С помощью предложенной в работе гибридной модели, результаты которой обнаружили хорошее согласие с PIC расчетами, установлена зависимость мощности нагрева плазмы от относительной плотности пучка и показано, что при различных угловых разбросах эта зависимость, выраженная в терминах линейного инкремента Г, имеет степенной характер.

Заключение

.

Сформулируем основные результаты диссертационной работы.

• Впервые получены решения дисперсионного уравнения для системы горячий электронный пучок — холодная замагниченная плазма в рамках точной кинетической теории. Исследована точность гидродинамического и кинетического приближений для продольной двухпотоковой неустойчивости. Исследованы эффекты совместного влияния магнитного поля и углового разброса пучка на подавление неустойчивостей косых волн [72,74].

• Построена теоретическая модель коллективной релаксации пучка в режиме захвата. Показано согласие предсказаний модели с результатами реальных экспериментов по пучковому нагреву плазмы в открытых ловушках [71].

• Исследован процесс нелинейного насыщения пучковой неустойчивости в пространственно однородной задаче за счет захвата электронов пучка полем возбуждаемой волны [73].

• Разработана двумерная численная PIC модель для изучения механизмов коллективного взаимодействия мощных электронных пучков q плазмой [75].

• Разработана одномерная гибридная модель с упрощенным описанием плазмы, способная моделировать реальные эксперименты по инжекции электронных пучков в плазму [76].

• Исследован последовательный сценарий нелинейной эволюции пучково-плазменной системы в условиях длительной инжекции пучка. Установлено, что переход от динамической стадии к состоянию развитой турбулентности связан с развитием коротковолновой модуляционной неустойчивости. Показано, что с ростом электронной температуры турбулентность переходит в режим с постоянной мощностью накачки, уровень насыщения которой не зависит от детальной структуры турбулентности и определяется исключительно пучковыми нелинейностями [76].

Пользуясь случаем, автор выражает глубокую признательность К. В. Лотову за постановку и обсуждения задач, А. В. Терехову за совместную плодотворную работу, а также А. В. Бурдакову и И. А. Котельникову за полезные дискуссии.