Сегодня - 24.10.2020

Российские теоретики объяснили уникальный эксперимент

22 сентября 2020
 
 В лаборатории SLAC (США) впервые в мире была измерена долговременная динамика плазменной кильватерной волны. Эксперимент помогли интерпретировать теоретики Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН. Они рассчитали динамику волны до 1500 пикосекунд, что в 40 раз превосходит результаты других теоретических групп. Оказалось, что более 80 % начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию ее разлёта. Это делает оценки некоторых параметров будущих кильватерных ускорителей менее оптимистичными, чем считалось ранее. Статья об этом опубликована в Nature Communications
 
В эксперименте SLAC, предназначенном для уточнения механизмов кильватерного ускорения, в камеру с газом был направлен электронный пучок, поле которого настолько сильное, что разрывает связи между электронами и ионами атомов газа, в результате чего образуется плазма. В плазме хвостом пучка возбуждается кильватерная волна большой энергии. «Главной целью эксперимента было наблюдение эволюции плазмы на больших временах, — прокомментировал аспирант Новосибирского государственного университета Вадим Константинович Худяков. — Также физики пытались установить, каким образом энергия волны перераспределится после её затухания в плазме, и как она покинет камеру. Это нужно для ответа на важный технический вопрос: с какой частотой может работать кильватерный ускоритель, ведь между выстрелами вся энергия предыдущей волны должна быть удалена из камеры. В камеру специальным образом посылали лазерное излучение так, что плазменный канал оказывался для него непрозрачен, что давало тёмное пятно на изображениях. По размерам и скорости роста пятна можно судить, сколько энергии остаётся в плазме, и как быстро она достигнет стенок камеры».
 
Главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Константин Владимирович Лотов отметил, что эксперимент получился сложный не только в постановке, но и в обработке: «Его ставили признанные мастера своего дела. Темное пятно на экране расширялось намного быстрее, чем можно было ожидать из сколько-нибудь разумных соображений. Оказалось, что за быстрым ростом пятна стоит много новых эффектов, о которых раньше никто не подозревал. Для объяснения эксперимента объединили свои усилия две ведущих вычислительных команды: теоретики из Лиссабонского университета (Португалия) с кодом OSIRIS, и мы c программой LCODE. У них была возможность рассчитать, что происходит в плазме на начальных временах (до 40 пикосекунд). Мы же рассчитали динамику до 1500 пикосекунд — в 40 раз дальше португальцев и всего мира, и в итоге добились количественного согласия с экспериментом».
 
Моделирование динамики ионов в эксперименте SLAC
    Моделирование динамики ионов в эксперименте SLAC
 
Плазма имеет давление гораздо большее, чем у окружающего газа, и неизбежно начинает разлетаться к стенкам, но естественная оценка скорости этого разлёта не соответствовала наблюдаемой, и количества этой плазмы не хватило бы для пятна такого размера. Стало очевидно, что возникает большое количество новой плазмы, то есть происходит дальнейшая ионизация газа, пояснил Вадим Худяков.
 
LCODE — программа, разработанная в ИЯФ СО РАН под руководством Константина Лотова. Она предназначена для численного моделирования взаимодействия плазмы с пучками заряженных частиц при параметрах реальных экспериментов по кильватерному ускорению. С одной стороны, она позволяет сравнивать результаты экспериментов и моделирования и удостовериться, что физики правильно понимают происходящие явления. С другой — код помогает подсказать оптимальные параметры установок для будущих экспериментов и приблизиться к практической реализации кильватерного ускорителя. За счет использования оригинальных физических моделей LCODE существенно уменьшает время моделирования и позволяет рассматривать процесс на временах, недоступных другим, более «прямолинейным» кодам.
 
«Как только была высказана идея об ионизации газа разлетающейся плазмой, возникла необходимость учесть это в LCODE, — комментирует Вадим Худяков. — Но ионизация — сложный процесс, который может проходить разными способами, моей задачей и было составить правильную физическую модель и учесть все эти способы, а потом реализовать в программе LCODE. В итоге нам удалось достигнуть количественного согласия роста пятна в эксперименте и в нашем моделировании. Эксперимент (ввиду технической сложности) даёт гораздо меньше информации, чем моделирование, но когда получено согласие, можно доверять той дополнительной информации и ответить на интересующие вопросы. В моделировании мы выяснили, что в самом начале волна выбрасывает часть электронов из плазмы, в этом случае плазма расширяется не из-за собственного давления, а из-за того, что становится заряженной. Скорость такого разлёта оказывается гораздо выше, а совместное действие разных способов ионизации объясняет появление новой плазмы. Главным результатом оказалось то, что более 80% начальной энергии волны остаётся в плазме и переходит в энергию этого разлёта. Это делает оценки возможной частоты выстрелов менее оптимистичными, чем считалось ранее».
 
Авторы отмечают, что в моделировании также было замечено много нетривиальных эффектов, объяснением которых они планирует заниматься в будущем. В диагностике текущего эксперимента их было невозможно наблюдать, но они могут сыграть роль в последующих, более тонких наблюдениях.
 
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
 
Изображение предоставлено Вадимом Худяковым
 
Поделись с друзьями: 

Система Orphus