научная статья по теме НЕЛОКАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС В ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЕ. ЧАСТЬ 2 Физика

Текст научной статьи на тему «НЕЛОКАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС В ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЕ. ЧАСТЬ 2»

^ ПРОЦЕССЫ

ПЕРЕНОСА

УДК 533.932

НЕЛОКАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС В ГОРЯЧЕЙ ПЛАЗМЕ. ЧАСТЬ 2

© 2014 г. А. В. Брантов, В. Ю. Быченков

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, Москва, Россия e-mail:brantov@sci.lebedev.ru,bychenk@sci.lebedev. ги Поступила в редакцию 31.10.2013 г. Окончательный вариант получен 18.12.2013 г.

Представлена вторая часть обзора, первая часть которого опубликована ранее (Физика плазмы, 2013, т. 39, № 9, с. 786—836). Описывается широкий круг электромагнитных явлений в лазерной плазме в условиях нелокального переноса, требующих кинетического рассмотрения; среди них: нелокальный перенос в плазме в магнитном поле, поглощение и проникновение лазерного излучения в плотную плазму, нелокальные эффекты обратнотормозного нагрева и пондеромоторного взаимодействия, плазменные флуктуации спеклованного лазерного пучка, распространение лазерного пучка и параметрические неустойчивости в малоплотной плазме, ионно-звуковая неустойчивость обратного тока. Значительная часть представленных результатов применима для произвольных соотношений между характерными пространственными и временными масштабами плазмы, что существенно продвигает представления о лазерно-плазменном взаимодействии в горячей плазме по сравнению с традиционными теориями бесстолкновительной либо сильностолкновительной плазмы.

Б01: 10.7868/8036729211406002Х

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение...................................................592

2. Нелокальный перенос в плазме в постоянном магнитном поле..................................................594

2.1. Электронная функция распределения в магнитоактивной плазме.................................595

2.2. Электронные потоки............................597

2.3. Теория переноса в сильно столкновитель-ном пределе......................................................598

2.4. Нелокальные коэффициенты переноса .................................................................. 599

3. Проникновение лазерного излучения в полуограниченную плазму...........................................602

3.1. Исходные соотношения.......................603

3.2. Джоулев нагрев плазмы и поглощение лазерной энергии в плазме..................................604

3.3. Использование диэлектрической проницаемости для построения модели поглощения лазерного излучения............................................ 609

3.4. Обсуждение результатов модели и сравнение с экспериментом........................................ 611

4. Нелокальные эффекты обратнотормозного нагрева и пондеромоторного взаимодействия.... 613

4.1. Кинетическое уравнение для медленно меняющейся части функции распределения с учетом пондеромоторного взаимодействия и обратно-тормозного нагрева.....................................613

4.2. Гидродинамические уравнения для электронов ...............................................................614

4.3. Уравнение для возмущения функции распределения электронов....................................615

4.4. Коэффициенты электронного переноса в лазерной плазме................................................616

4.5. Электронный тепловой поток...............619

4.6. Пондеромоторная сила для плазмы без электрического тока..........................................620

4.7. Определение теплопроводности электронов .....................................................................620

5. Флуктуации плазмы, вызываемые неоднородностью лазерного пучка......................................622

5.1. Основные соотношения........................622

5.2. Корреляционная функция лазерного излучения..................................................................625

5.3. Вынужденные флуктуации плазмы......625

5.4. Томсоновское рассеяние на вынужденных флуктуациях......................................................627

6. Параметрические неустойчивости в столкно-вительной плазме...............................................629

6.1. Дисперсионное уравнение....................629

6.2. Вынужденное рассеяние Мандельштама— Бриллюэна в столкновительной плазме..........630

6.3. Филаментационная неустойчивость в столкновительной плазме.................................632

6.4. Обсуждение результатов........................635

6.5. Стационарный филамент в плазме с произвольной столкновительностью.....................636

6.6. Резонансная неустойчивость лазерного филамента в столкновительной плазме...........640

7. Ионно-звуковая неустойчивость столкновительной плазмы..................................................642

7.1. Кинетическая теория ионно-звуковой неустойчивости с учетом нелокальности переноса....................................................................643

7.2. Инкремент ионно-звуковой неустойчиво-

сти .....................................................................644

7.3. ИЗ-неустойчивость при обратнотормоз-ном нагреве горячего пятна.............................647

7.4. Численное моделирование ионно-звуко-вой неустойчивости. Сравнение с теоретической моделью............................................................648

7.5. Обсуждение результатов ......................649

8. Заключение...............................................651

1. ВВЕДЕНИЕ

Представлена вторая часть обзора по теории нелокального переноса в горячей плазме. В первой его части [1] были изложены основные положения теоретических моделей нелокального переноса и диэлектрической проницаемости плазмы для произвольных соотношений между пространственно-временными характерными масштабами плазменных возмущений и пространственно-временными характеристиками столкновений частиц. Представленная здесь вторая часть обзора посвящена электродинамическим явлениям в плазме в условиях нелокального переноса. По сути, это важные приложения нелокальной теории с демонстрацией того, как нелокальный характер переноса частиц в плазме меняет представления о многих, известных ранее явлениях с участием как плазменных электромагнитных и электростатических полей, так и внешних полей, например, высокочастотного лазерного или квазистатического магнитного полей.

Как уже отмечалось в первой части обзора [1], сильная зависимость длины волны свободного пробега частиц от их кинетической энергии ограничивает применимость стандартной локальной теории очень пологими профилями температуры плазмы Ь. Величина Ь должна по крайней мере в сотни раз превосходить длину свободного пробега, чтобы широко используемый для вывода уравнений переноса метод Чепмена—Энскога [2] был применим [3]. Для описания плазмы с более сильными градиентами, характерными как для лазерной, так и, в ряде случаев, магнитоактивной лабораторной [4] и астрофизической плазмы [5], требуется кинетическое рассмотрение. Отметим, что кинетический подход уже показал изменение характера переноса в магнитоактивной плазме [6] по сравнению с классическими результатами [2]. Дальнейшее развитие теории требует перехода к нелокальности электронного переноса. Нелокальность электронного переноса — хорошо известный факт, установленный экспериментально. В ряде практических задач явления переноса протекают во внешнем квазистационарном магнитном поле, которое хотя и не является настолько сильным, чтобы менять существенным образом функцию распределения электронов, определяе-

мую столкновениями, тем не менее оказывает существенное влияние на электронный перенос [2]. Например, возникающие в лазерной плазме магнитные поля могут играть важную роль при описании ее эволюции [7, 8]. Это является важной мотивацией целого ряда исследований, направленных на изучение нелокального электронного переноса в столкновительной плазме, находящейся в квазистатическом магнитном поле [9— 14]. Еще 30 лет назад в рамках довольно простой качественной модели нелокального переноса в работе [9] делалось утверждение, что даже не очень сильные магнитные поля (для которых лар-моровский радиус электрона, р порядка длины свободного пробега) делают перенос электронов поперек магнитного поля локальным. Это объяснялось тем фактом, что в присутствии сильного магнитного поля электронный перенос в поперечном по отношению к магнитному полю направлении ограничен размером ларморовского радиуса электронов. По этой причине часто рассматривается только нелокальный перенос вдоль градиента температуры (см., например, [11]), в предположении его независимости от величины магнитного поля, что, строго говоря, не всегда является оправданным [14]. Ниже мы подробно остановимся на результатах расчета коэффициентов электронного переноса в магнитном поле в диффузионном приближении (см. разд. 2).

Воздействие на плазму лазерного поля приводит к быстрому нагреву электронов плазмы. Для рассматриваемых нерелятивистских лазерных импульсов, в первую очередь, это происходит за счет процесса обратного тормозного поглощения, которое играет важную роль в передаче энергии лазерного излучения электронам плазмы при их столкновениях с ионами. В случае плотной непрозрачной для лазерного излучения плазмы со скачкообразным профилем плотности поглощение излучения происходит на границе плазмы в тонком скиновом слое и описывается с помощью тензора диэлектрической проницаемости, для которого следует использовать полученное в первой части обзора [1] выражение. Последовательно выведенное выражение для диэлектрической проницаемости максвелл овской плазмы с куло-новскими столкновениями позволяет количественно строго описать дисперсионные свойства столкновительной плазмы. В частности, найденная поперечная диэлектрическая проницаемость достаточна для решения задачи о поглощении электромагнитного излучения полуограниченной твердотельной плазмой с произвольным соотношением между скиновой глубиной и длиной пробега электронов.

В последнее время вызывают значительный интерес исследования по взаимодействию ультракоротких лазерных импульсов с конденсированным веществом (см., например, обзор [15]).

Характерной чертой такого взаимодействия является быстрая ионизация вещества, что приводит к возникновению плотной, высокотемпе

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»