"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 11, 2005

оглавление

дискуссия

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОЩНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА СО СЛОЕМ ГАЗОВОЙ ПЛАЗМЫ¹

 

Валуев В.В*.,  Корниенко В.Н**., Кулагин В.В***., Черепенин В.А.**

 

*    ФГУП «Астрофизика»

**   Институт радиотехники и электроники РАН

***  Государственный астрономический институт им. П.К.Штернберга

 

Получена 29 ноября 2005 г.

 

 

¹Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №  05-02-17297)

 

Аннотация

Методами вычислительного эксперимента исследованы условия формирования
релятивистского электронного зеркала из слоя плазмы коротким мощным
электромагнитным импульсом. Показано, что при использовании сфокусированного
лазерного излучения петаваттного уровня мощности, возможно формирование
тонкого зеркала с твердотельной плотностью, средняя энергия частиц в котором
составляет 600 МэВ.
 

 

Взаимодействие мощного лазерного излучения с плазмой сопровождается различными физическими эффектами, среди которых, в частности, можно отметить коллективное ускорение электронной компоненты плазмы до релятивистских скоростей. Одним интересным результатом такого взаимодействия может быть формирование электронного зеркала с твердотельной плотностью, движущегося с релятивистской скоростью [1].  Хорошо известно, что при отражении электромагнитной волны от релятивистского зеркала за счет эффекта Доплера  её частота преобразуется  в 4,  где , , с – скорость света [2]. Таким образом, принципиально можно получить импульсы когерентного излучения в рентгеновском и даже гамма–диапазонах длин волн [3].

Целью данной работы является изучение условий формирования релятивистского электронного зеркала из слоя плазмы газовой плотности коротким мощным электромагнитным импульсом с ограниченным поперечным размером.

В качестве примера будем рассматривать плазменный слой с плотностью 10¹⁹ см^-3, на который падает электромагнитный импульс с длиной волны 1 мкм, поперечный размер которого ограничен щелевой диафрагмой шириной 5 мкм, расположенной на расстоянии 2 мкм от границы плазменного слоя (рис.1.). Фронт падающего импульса имеет прямоугольный профиль по времени. Предположим, что вдоль оси z выбранной системы координат параметры слоя и импульса не изменяются.

Динамику заряженных частиц в поле электромагнитной волны будем исследовать при помощи двумерной самосогласованной модели, основанной на совместном решении уравнений Максвелла для электромагнитного поля и уравнений движения частиц [3]. Рассмотрим прямоугольную область, включающую в себя исходно покоящийся плазменный слой, на границах которой выполнены условия излучения электромагнитных волн. В начальный момент времени поле в рассматриваемой системе отсутствует. Источником волны является колеблющийся по синусоидальному закону во времени ток, положение которого в пространстве совпадает со щелевой диафрагмой. Частота колебаний тока равна частоте рассматриваемой волны (3*10¹⁴ Гц).

Рис.1. Геометрические параметры системы. 1- диафрагма, 2- плазменный слой

 

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что при начальной толщине плазменного слоя  устойчивое электронное зеркало начинает формироваться при амплитудах падающей волны, превышающих значение 2.5*10⁸ Гс. На рис.2. приведено пространственное распределение плотности электронов в различные моменты времени. Если амплитуда волны недостаточна, то происходит сильное возмущение электронов слоя в месте взаимодействия (рис.2.1), что в дальнейшем приводит к кулоновскому взрыву и образованию в мишени области, свободной от электронов. В противном случае, первый полупериод волны вытесняет электроны из плазменного слоя и сообщает им значительную продольную скорость (рис.2.2).

Плотность и средняя скорость электронов в зеркале зависит от амплитуды ускоряющей волны. На рис.3. показаны зависимости значения средней энергии частиц зеркала от времени для различных значений мощности падающей волны. Точка А соответствует моменту перехода большего числа электронов в тормозящую фазу волны, что приводит к разрушению зеркала. Из приведенных результатов следует, что при фокусировке падающего светового луча мощностью 2.4. ПВт в пятно диаметром 5 длин волн, из плазменного слоя может быть создано электронное зеркало, средняя энергия частиц в котором будет составлять около 600 МэВ, а время его существования - около 1 пс.

 

1)                        

а)                                                                         б)

              

в)                                                             г)

 

2)

            

а)                                                         б)

            

в)                                                         г)

Рис.2. Пространственное распределение электронной плотности в начальный момент времени (а), через 3 фс (б), 6 фс (в), 9 фс (г) при амплитуде падающей волны 10⁸ Гс (1) и 10⁹ Гс (2). Размеры даны в микронах.

 

Рис.3.  Зависимость средней энергии электронов зеркала от времени для различных значений мощности падающей волны (петаватт): 1) 2.3; 2) 9.4; 3) 58.6; 4) 115; 5) 234.

 

 

Выводы

            При использовании сфокусированного лазерного излучения петаваттного уровня мощности, возможно формирование из газового плазменного слоя толщиной, сравнимой с длиной волны, тонкого релятивистского электронного зеркала с твердотельной плотностью. Плотность частиц в зеркале превосходит начальную на два порядка, а средняя энергия составляет 600 МэВ.

 

Литература

1.  Ильин А.С., Кулагин В.В., Черепенин В.А.//Физика плазмы, 27 (2001), 1111.

2. Landecker K., Phys Rev., v. 86, N 6, 852-855 (1952)

3.  Vladimir A. Cherepenin, Victor V. Kulagin //Phys. Lettres A, 321 (2004), 103.

4.  В.Н.Корниенко, В.А.Черепенин // Труды школы-семинара "Волны-2004" Секция 4. стр.12-13