научная статья по теме ГЕНЕРАЦИЯ ТОКОВЫХ СЛОЕВ И ГИГАНТСКИХ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИОНИЗАЦИИ ВАКУУМА В ЭКСТРЕМАЛЬНО СИЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «ГЕНЕРАЦИЯ ТОКОВЫХ СЛОЕВ И ГИГАНТСКИХ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИОНИЗАЦИИ ВАКУУМА В ЭКСТРЕМАЛЬНО СИЛЬНЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЯХ»

Письма в ЖЭТФ, том 102, вып. 3, с. 173-178 © 2015 г. 10 августа

Генерация токовых слоев и гигантских квазистатических магнитных полей при ионизации вакуума в экстремально сильных световых

полях

А. А. Муравьев+*1\ С. И. Бастраков*, А. В. Башинов+*, А. А. Гоносков+*, Е. С. Ефименко+*, А. В. Ким+*,

И. Б. Мееров*, А. М. Сергеев+*

+ Институт прикладной физики РАН, 603950 Н. Новгород, Россия * Нижегородский государственный университет им. Лобачевского, 603950 Н. Новгород, Россия

Поступила в редакцию 9 июня 2015 г.

Рассматривается самосогласованная динамика образующейся при генерации квантово-электродинамических (С^ЕБ) каскадов электрон-позитронной плазмы в сверхсильном поле падающих навстречу линейно-поляризованных волн. Показано, что при полях, превышающих определенный порог, в динамике каскада важную роль играет образование тонких (в масштабе длины волны) токовых слоев, генерирующих квазистатические магнитные поля с величинами, соизмеримыми с соответствующими полями падающих волн. Трансформация лазерной энергии в энергию квазистатического магнитного поля достигает значений выше 20 %.

БО!: 10.7868/80370274X15150047

Достижения последнего времени в области лазерных технологий сделали мощные лазерные системы петаваттного класса доступным рабочим инструментом для проведений широкого фронта фундаментальных и прикладных исследований по взаимодействию сверхмощных излучений с веществом, а также привели к проектированию установок следующего поколения - мультипетаваттного класса [1]. В частности, российский проект ХСЕЬБ ориентируется на получение суммарной мощности 200 ПВт в 12 сходящихся лазерных пучках, что позволит достичь пиковой интенсивности на уровне 1025 —1026 Вт/см2 [2]. Данный уровень интенсивностей позволит приступить к лабораторным исследованиям фундаментальных свойств нелинейности вакуума [3, 4], ярким примером чего является генерация электрон-позитронной плазмы в сверхсильном поле на основе механизма квантовоэлектродинамического каскада [5]. Первые теоретические исследования данного нелинейного эффекта в сходящихся пучках лазерного излучения [6-9] показали, что возникающая в таких условиях электрон-позитронная плазма представляется интересным новым объектом нелинейной физики, уникальность которого состоит в рождении самого объекта из вакуума.

В настоящее время рождение электрон-позитрон-ных пар на основе С^ЕБ-каскадов достаточно актив-

e-mail: sashamur@gmail.com

но исследуется, главным образом с помощью численного моделирования ввиду сложности исходных уравнений и одновременного учета нескольких элементарных процессов, составляющих основу электромагнитной лавины. Во-первых, это расчет траекторий электронов (и позитронов) в лазерном поле с учетом сил реакции излучения, для которых важную роль играет дискретность излучаемых фотонов. Во-вторых, это расчет самого спектрального состава излучаемых фотонов, квантовая природа которых в данной задаче играет принципиальную роль ввиду соизмеримости их энергий с энергией самой излучаемой частицы. Кроме того, расчет рождающихся в лазерном поле при распаде жестких фотонов электрон-позитронных пар (гамма-квантов) должен быть произведен с учетом как структуры лазерного поля, так и диаграммы направленности излученных гамма-квантов. В общем случае такое самосогласованное моделирование может быть проведено только на основе суперкомпьютерных численных кодов. Следует отметить, что на данный момент уже разработаны различные варианты численных кодов, способных проводить моделирование с учетом этих процессов [10-12]. В основу данной статьи положен разработанный в нашей группе код PICADOR [1315], который предназначен для трехмерного моделирования плазмы методом частиц в ячейках на суперкомпьютерных системах. Он имеет высокоуровневый интерфейс PIC-MDK (module development kit), аб-

страгирующий детали внутренней реализации и значительно упрощающий разработку и интеграцию дополнительных модулей. В настоящее время он дополнен разработанными модулями учета ионизации вещества и рождения электрон-позитронных пар [16].

В данной работе рассматривается самосогласованная динамика образующейся в сверхсильном поле двух падающих навстречу друг другу плоских линейно поляризованных волн электрон-позитронной плазмы. Подобная геометрия взаимодействия рассматривалась ранее в работе [6]. Однако основное внимание в ней было уделено начальной стадии каскада, ее пробойным характеристикам, в частности распределению лазерной энергии по различным каналам ее трансформации: в электроны и позитроны, а также в гамма-кванты. Относительно развитой стадии такого разряда было отмечено, что в ее формировании важную роль играют потери лазерной энергии на генерацию гамма-квантов, заметная часть которых расходуется на рождение электрон-позитронных пар. Основной результат настоящей работы связан с принципиально новой нелинейной динамикой взаимодействия падающих волн с формирующейся электрон-позитронной плазмой. Нами показано, что при амплитудах падающих волн, превышающих определенный порог, в плазме генерируются тонкие токовые слои с шириной, много меньшей длины лазерной волны. Они создают квазистатические магнитные поля с характерными значениями, соизмеримыми с соответствующими значениями поля падающих волн. Такие токовые слои с высокой концентрацией заряженных частиц играют важную роль в формировании структуры поля и тем самым определяющим образом влияют на развитие такого "квантово-электродинамического" разряда в целом.

Задача рассматривается в одномерной постановке, соответствующей симметричному падению с противоположных сторон двух плоских линейно поляризованных (в одном и том же направлении) волн. Будем считать, что волны распространяются вдоль оси х и поляризованы вдоль оси z. Волны имеют одинаковые постоянные амплитуды, которые в дальнейшем будут представляться в релятивистских единицах а = где Е - напряженность электрического поля падающей волны, то - масса покоя электрона, с - скорость света в вакууме, ш - круговая частота волны. Длину волны обозначим А. Включение поля производится на одном периоде по закону 1 — cos2 Щ-. QED-каскад инициируется затравочными электронами, которые в численном моделировании генерируются случайным образом в центральной области в слое толщиной 1.5А и в общем случае образу-

ют несимметричное распределение заряженных частиц малой плотности. Данная постановка, несомненно, имеет модельный характер. В частности, в такой геометрии отсутствуют поперечные потери частиц, характерные для сфокусированных лазерных пучков. Тем не менее она позволяет должным образом представить мелкомасштабную (на масштабах, меньших длины падающей волны) динамику разряда и связанные с ней (как будет показано далее) новые нелинейные эффекты.

Для удобства восприятия отметим сначала важные для понимания рассматриваемой задачи характерные физические величины, позволяющие ориентироваться в типах соответствующих физических процессов. При амплитуде поля a > 1, соответствующей интенсивности лазерного излучения >2 х х 1018 Вт/см2 для широко используемой системы Ti:Sa на длине волны А = 0.8 мкм, движение частиц становится релятивистским. При a > 200 (> 8 х х 1022 Вт/см2) на движение частиц начинает оказывать заметное влияние сила радиационного трения, связанная с импульсом отдачи испускаемых ею фотонов. При этих амплитудах сила радиационного трения может становиться сравнимой с силой Лоренца. При полях a > 500 излучаемые заряженными частицами гамма-кванты начинают распадаться в лазерном поле на электрон-позитронные пары, тем самым приводя к развитию электромагнитного каскада, т.е. лавинного образования электрон-позитронной плазмы. Здесь следует отметить, что столь высокие значения полей обеспечивают такое ультрарелятивистское движение электронов и позитронов, при котором наблюдается эффект аномального радиационного захвата (anomalous radiation trapping, ART) [17] в поле стоячей волны, заключающийся в притяжении частиц к пространственному максимуму электрического (минимуму магнитного) поля. Эффект аномального радиационного захвата противоположен эффекту нормального радиационного захвата (normal radiation trapping, NRT), проявляющемуся в основном при более низких амплитудах (от 300) и приводящему к притяжению частиц к минимуму электрического поля или пондеромоторного потенциала. Эффект ART начинает доминировать над NRT при амплитудах свыше ~ 1500.

В проводимых нами численных экспериментах амплитуда поля падающих волн варьируется в пределах 500-7000. Начальная стадия пробоя вакуума носит достаточно общий характер. Вначале передний край волны перемещает все затравочные частицы к центру расчетной области х = 0, где образуется максимум электрического поля стоячей электро-

магнитной волны. Затем вблизи пространственного максимума электрического поля (согласно аномальному радиационному захвату [17]) начинается каскадное рождение пар: затравочные электроны, ускоряясь лазерным полем, излучают гамма-кванты, которые, в свою очередь, распадаются в лазерном поле на электрон-позитронные пары. Далее процесс образования пар повторяется. Лавинообразный рост количества частиц продолжается до тех пор, пока плазма не становится достаточно плотной для обратного влияния на падающие волны. Дальнейший сценарий развития каскада зависит лишь от величин прикладываемых полей, теряя свою зависимость от условий инициирования.

Важной характеристикой пробоя является скорость роста лавины. В электромагнитном поле важное значение приобретает и ее соотношение с несущей частотой, которое может значительно повлиять на последующую динамику разряда. Так, в работе [18] показано, что учет туннельного рождения электронов на периоде поля волны существенно минимизирует потери лазерной энергии для линейно поляризованного поля. В нашем случае при развитии QED-каскадов лавина в плоской линейно поляризованной волне имеет сложную пространственно-временную структуру. Это связано с особенностями движения электронов и позитронов. Кроме того, пространственное распределение частиц, а также спектр излучения фотонов могут сильно модифицироваться в результате ро

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком