inp_ivtimofeev_201009.pdf

• Игорь Валериевич Тимофеев
• Андрей Валерьевич Терехов
• Константин Владимирович Лотов
• Алексей Сергеевич Аракчеев

'Коллективное взаимодействие электронного пучка с плазмой является одним из самых распространенных и наиболее фундаментальных явлений в физике плазмы. Несмотря на полувековую историю исследований в этой области, различные аспекты задачи продолжает активно изучаться как применительно к космическим явлениям, так и применительно к схеме быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе. 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 (ИЯФ СО РАН).

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.

Существующие теоретические сценарии слабой и сильной турбулентности основываются на представлении о линейном характере возбуждения резонансных с пучком колебаний, которое позволяет 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. Для изучения вопроса о том, какое влияние оказывают пучковые нелинейности на процесс раскачки неустойчивости в условиях развитой турбулентности, необходимо 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.

Таким образом, целью работы является изучение основных физических явлений, происходящих в пучково-плазменной системе в процессе достаточно 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 замагниченной 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.'

• I. V. Timofeev, K. V. Lotov, and A. V.Terekhov. Direct computation of the growth rate for the instability of a warm relativistic electron beam in a cold magnetized plasma. // Phys. Plasmas, 2009, v. 16, p. 063101.
• А. В.Терехов, И. В.Тимофеев, К. В.Лотов. Двумерная численная модель плазмы для изучения процессов пучково-плазменного взаимодействия. // Вестник НГУ, серия "Физика 2010, т. 5, №2, с. 8597.
• I. V. Timofeev, A. V.Terekhov. Simulations of turbulent plasma heating by powerful electron beams. // Phys. Plasmas, 2010, v. 17, p. 083111.