НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАГНИТНОГО ПЕРЕСОЕДИНЕНИЯ В 2D И 3D КОНФИГУРАЦИЯХ

А. Г. Франк

Институт общей физики РАН, Москва, Россия

    Процессы магнитного пересоединения могут реализоваться в высокопроводящей плазме в отдельных локализованных областях со значительной концентрацией электрического тока. Как правило, такие области возникают в окрестности особых линий магнитного поля и принимают форму токовых слоёв. Вспышечные явления в плазме, подобные вспышкам на Солнце, были воспроизведены в лабораторных условиях на основе эволюции 2D токовых слоёв, которые формировались в магнитных полях с нулевыми линиями как в линейных, так и в нелинейных режимах [1]. Экспериментально была установлена возможность образования токовых слоёв и в 3D магнитных конфигурациях с X-линиями, причём не только в присутствии, но и в отсутствие нулевых точек, в том числе в условиях, когда имелась сильная однородная компонента магнитного поля вдоль X-линии [2-4].
    Результаты экспериментальных исследований последнего времени позволили выявить границы диапазона начальных условий (по четырём параметрам), в которых происходило формирование токовых слоев. Наиболее важный параметр – это градиент поперечной (по отношению к току плазмы) компоненты магнитного поля в окрестности X-линии: его величина должна превышать некоторое критическое значение, которое тем больше, чем выше начальная плотность плазмы, величина электрического тока в плазме и продольная компонента магнитного поля.
    Как показано в [1], существенную роль в разрушении слоя играет аномально быстрый нагрев плазмы в пределах малой области внутри слоя, тогда как электрические поля напряженностью ~100 кВ/см имеют, по-видимому, вторичный характер. Вместе с тем, выяснение физических причин резкого увеличения температуры плазмы и природы электрических полей продолжает оставаться актуальной проблемой.
    Работа выполнена при поддержке РФФИ: проект 99-02-18351, и INTAS: grant N 96-456.

    Литература.

1. Богданов С Ю, Кирий Н П, Франк А Г. Труды ИОФАН 1996, 51, 3-74, M. Наука.
2. Богданов С Ю,Бурилина В Б, Марков В С, Франк А Г. Письма ЖЭТФ 1994, 59, 510-514.
3. Франк А Г, Богданов С Ю, Бурилина В Б. Известия АН, Cер. Физическая 1995, 59, 41-52.
4. Frank A G, Bogdanov S Yu, Kyrie N P, Markov V S. Proc. ICPP-98, Prague, 22C, 2196-99.

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МАГНИТОПЛАЗМЕННЫХ КОНФИГУРАЦИЙ В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ С ХЛИНИЕЙ.

С.Ю. Богданов, В.С. Марков, А.Г.Франк.

Институт общей физики РАН, Москва, Россия

    Экспериментально исследовано формирование токовых слоев в трехмерном магнитном поле с особой линией Х-типа. Исходное магнитное поле создавалось при суперпозиции двумерного квадрупольного поля с нулевой линией O_z и однородного продольного поля B_z. Величины и направление обоих полей могли изменяться независимо. Возбуждение в плазме электрического тока I_z  инициировало МГД течения, которые могли приводить к формированию токовых слоев и к эффективному сжатию плазмы в пределы слоя. Изображения формирующейся плазменной конфигурации регистрировались с торца камеры с использованием ЭОП'а в комбинации с узкополосным интерференционным светофильтром.
    Особенности плазменных конфигураций были исследованы в зависимости от структуры исходного магнитного поля. Установлено, что формирование плоского плазменного поля возможно и в присутствии достаточно сильной продольной компоненты магнитного поля. Более того, при малых градиентах квадрупольного поля, когда в двумерном магнитном поле с нулевой линией плоский слой не формируется, добавление продольного магнитного поля приводит к формированию слоя. Однако, если B_z-компонента превышает некоторую величину, вместо токового слоя формируется более сложное образование, разделенное на две части сравнительно тонкой протяженной наклонной щелью.
    Проведено экспериментальное исследование изменения структуры токово-плазменных образований в зависимости от относительных направлений продольного магнитного поля B_z, электрического тока в слое I_z и квадрупольного поля. Изменение относительного направления квадрупольного магнитного поля и тока I_z приводит к повороту магнитоплазменного образования на 90 градусов как целого; при изменении относительного направления тока I_z и поля B_z происходит зеркально-симметричное изменение структуры формирующихся магнитоплазменных образований.
    Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 99-02-18351) и INTAS (грант 96-456)

    Литература.

1. Frank A.G, Bogdanov S.Yu, Kyrie N.P, Markov V.S. Proc. ICPP-98, Prague 22С 2196-2199.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ТОКОВЫХ СЛОЕВ В УСТАНОВКЕ "ГАЛАТЕЯ ПОЯС".

С.Ю. Богданов¹, Г.И. Дудникова², М.П. Федорук², А.Г..Франк¹, В.С. Яковлев².

¹ Институт общей физики РАН, Москва, Россия
² Институт вычислительных технологий СО РАН, Новосибирск, Россия

    Проведено численное моделирование формирования и эволюции магнито-плазменных конфигураций в условиях, максимально приближенных к экспериментальным исследованиям на установке "Галатея-Пояс" (ИОФ РАН) [1]. В эксперименте плазменные конфигурации однородны вдоль длины установки и это направление в модели было принято за ось z. Расчеты проводились на основе уравнений одножидкостной магнитной гидродинамики с использованием двумерной модели, где электромагнитное поле, скорость, плотность и давление плазмы не зависели от z. Плотность тока в миксинах считалась заданной величиной, и тем самым пренебрегалось диффузией электромагнитного поля из плазмы в миксину. Этот подход позволил избежать расчета магнитного поля B в диэлектрической оболочке миксины. В начальный момент времени плазма предполагалась полностью ионизированной с однородными распределениями концентрации и давления. На стенках камеры задавалось внешнее электрическое поле. Течения плазмы считались симметричными относительно осей x и y.
    Численное моделирование продемонстрировало образование токового слоя в центральной области между миксинами. Показано, что на определенном этапе эволюции конфигурации начинается интенсивное взаимодействие плазмы с поверхностью миксин, что качественно совпадает с экспериментальными результатами [2]. Однако, расчеты демонстрируют нестабильность токового слоя, тогда как экспериментальные результаты свидетельствуют о его стабильности [2].
    Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 98-02-17115).

    Литература.

1. Богданов С.Ю, Марков В.С, Морозов А.И, Франк А.Г. Письма ЖТФ 1995 21 5-9.
2. Богданов С.Ю, Бурилина В.Б, Кирий Н.П, Марков В.С, Морозов А.И, Франк А.Г. Физика Плазмы 1998 24 467-480.

НОВЫЙ ПОДХОД К ИЗМЕРЕНИЮ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЛАЗМЕ ТОКОВОГО СЛОЯ СПЕКТРАЛЬНЫМИ МЕТОДАМИ

В.П. Гавриленко^*, Н.П. Кирий^**, А.Г. Франк^**

^*НИЦПВ Госстандарта РФ, Москва, Россия
^**ИОФ РАН, Москва, Россия

    Цель работы состояла в определении плотности плазмы токового слоя спектральными методами. Измерения проводились на установке ТС-3D в режиме высокого давления [1]. Профили спектральных линий HeII 656.0 нм и Ha 656.3 нм регистрировались в одном импульсе работы установки с помощью многоканальной оптической регистрирующей системы МОРС-3 [2].
    Ранее концентрация электронов в плазме токового слоя определялась по штарковскому уширению линии HeII 468.6 нм; ee максимальное значение составило N_e=9ґ 10¹⁶ см^-3 [2], что хорошо согласуется с оценкой N_e, полученной методом рефракции лазерного излучения в слое [1]. Однако, в этом же режиме было обнаружено возбуждение одномерных электрических полей в периферийных областях плазменного слоя [3], которые могли вносить определенный вклад и в уширение линии HeII 468.6 нм. Поэтому для проведения независимых измерений N_e была выбрана линия HeII 656.0 нм, которая более чувствительна к действию электрических полей, чем HeII468.6 нм.
    Теоретический анализ экспериментальных профилей HeII 656.0 нм, учитывающий возможность возбуждения квазистатических одномерных электрических полей, показал, что вклад этих полей в полуширину линии пренебрежимо мал, а уширения в основном обусловловлены электрическими микрополями заряженных частиц плазмы. При этом было установлено, что в центре слоя концентрация достигает величины N_e» 7ґ 10¹⁶см^-3, что удовлетворительно согласуется с предыдущими результатами [2]. Концентрация электронов в периферийных областях токового слоя определялась по профилям линии Ha и составила N_e»2ґ 10¹⁵см^-3.
    Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 97-02-17657) и INTAS (grant 96-456).

    Литература.

1. Богданов С Ю, Бурилина В Б, Франк А Г . ЖЭТФ 1998, 114, 1202-1215.
2. Бюшер Шт, Кирий Н П, Кунце Х-Й, Франк А Г. Физика плазмы 1999, 25, 162-167.
3. Гавриленко В П, Кирий Н П, Франк А Г. Оптика и спектроскопия 1999, 87.

ВОЗДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАМЯГКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА НИЗКОПЛОТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В.М. Лоборев, В.П. Петровский, ^*В.Е. Фортов, С.В. Холод

ЦФТИ МО РФ, Сергиев Посад, Россия
^*НИЦ ТИВ РАН, Москва, Россия

    В настоящее время большой интерес вызывает возможность использования веществ низкой плотности (5…50 мг/см³) в качестве защитных материалов, способных демпфировать кратковременные импульсные нагрузки. Одним из изучаемых является действие на такие материалы действие ультрамягкого рентгеновского излучения.
    В модели [1], описывающей процессы взаимодействия УМРИ с низкоплотным веществом, учитываются электронная теплопроводность, тепловой обмен между электронами и ионами, ионизация, тепловое излучение, лучистый перенос излучения. В основу этой модели положены одномерные уравнения двухтемпературной радиационной газовой динамики.
    Экспериментальное исследование воздействия УМРИ на низкоплотные вещества (агар-агар, аэрогель) проводилось на установке “Ангара-5-1” [2]. Измерялось время, за которое фронт тепловой волны, формирующейся в низкоплотном веществе под воздействием рентгеновского излучения, выходит на тыльную сторону образца. Условия экспериментов служили исходными данными для численного моделирования.
    В результате расчётов были получены значения электронной и ионной температур, плотности, скорости, давления и т.д. в различные моменты времени после начала действия импульса. В частности, наблюдались отличия в эволюции профилей температур и давления для различных эффективных температур планковского спектра (60 эВ и 120 эВ). Численно исследована временная зависимость положения фронта тепловой волны в материале. Показано согласие результатов расчётов с экспериментальными данными.

    Литература.

1. Базылев Б.Н., Лоборев В.М., Петровский В.П., Романов Г.С. Толкач В.И., Фортов В.Е., Математическое моделирование процессов взаимодействия рентгеновского излучения с конденсированными средами. Труды конф. “Уравнения состояния вещества”, Терскол, 1998, с. 97-98
2. M. Lebedev, K. Dyabilin, K. Eidmann, V. Fortov, E. Grabovskij, V. Smirnov. Supersonic heat wave in low density foams generated by soft X-radiation from a Z-pinch plasma, Physics Letters A 240 (1998) 73-76

Получение рентгеновских изображений и вычисление спектрального выхода при двумерном моделировании процессов в высокотемпературной плазме.

Кошелев С.В., Глазырин И.В., Диянков О.В., Красногоров И.В.

Российский Федеральный Ядерный Центр – Всероссийский Институт Технической Физики (РФЯЦ – ВНИИТФ), Россия, Челябинская обл., г.Снежинск, а/я 245.

    Для корректного сравнения результатов экспериментов и математического моделирования программа MAG [1] была дополнена возможностью вычисления пространственного и спектрального распределения излучения. На основе этого были получены изображения, аналогичные экспериментальным обскурограммам. Полученные изображения позволяют проводить сравнения с экспериментальными данными и оценивать качество проведенного моделирования.
    В данной работе описывается метод вычисления выхода излучения. Проводятся сравнения с экспериментальными данными рассчитанных спектров и обскурограмм для двух различных задач:
    1) сжатия двойного аргонового газового лайнера [2].
    2) взаимодействия лазерного излучения с газовой мишенью [3].

    Данная работа частично поддерживалась проектом МНТЦ №525.

    Литература:

1. MAG - two-dimensional resistive MHD code using arbitrary moving coordinate system. Oleg V.  Diyankov, Igor V. Glazyrin, Serge V. Koshelev. Computer Physics Communications  106(1997) 76-74
2. On Stabilization of Gas Puff Implosion: Experiment  and Simulation. R.B.Baksht, A.V.Fedunin, A.Yu.Labetsky,  A.G.Russkikh, A.V.Shishlov, O.V.Diyankov, I.V.Glazyrin,  S.V.Koshelev. Plasma Science, August 1998, V26, N4, p.1259.
3. Взаимодействие лазерного излучения с плотной газовой  мишенью.  А.Бартник, .М.Дякин, И.Ю.Скобелев, А.Я.Фаенов,  Г.Феодорович, М.Шурек.  Квантовая электроника, 24, N1(1997). стр.  71-74.

АНОМАЛЬНЫЕ  ПРОЦЕССЫ   В  ПЛАЗМЕ  И  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  ДОМЕНЫ

А.Г.Орешко

Московский  авиационный  институт,  Москва, Россия

    Электрические  домены  обнаружены  в плазме  тлеющего [1]  и  несамостоятельного  газового [2]   разрядов  и  во  взрывоэмиссионной  катодной [3]. Генерация доменов происходит  из-за  неравенства  потоков  направленного  дрейфа  электронов  и  ионов  за  время, превышающее  максвелловское  время  релаксации  объемного  заряда. В процессе  генерации домена  происходит  конверсия  кинетической  энергии  частиц  в  потенциальную  и  в  электромагнитное  излучение.  Домен  является  концентратором энергии  высокой  плотности.  Напряженность  индуцируемого  электрического  поля  на  домене  на  порядки  превышает  напряженность  поля  в  плазме,  обусловленную  падением  напряжения  от  источника.  Значение  напряженности  поля  может превышать  предельное  значение  для  появления  в  слабоионизованной  плазме  ударной  ионизации  и  лавинного  пробоя.  Благодаря  заначительному  напряжению  между  слоями  домена,  составляющему  сотни  киловольт,  домен  является  встроенным  в  плазму  ускорителем.   В  слабоионизованной  плазме  в  его  область   поступают  нейтральные  атомы.  Ионизация  последних  приводит к  появлению  в плазме  микропучков  ускоренных  частиц.  Энергия  ускоренных  ионов  достаточна  для  преодоления  кулоновского   баръера  и  последующего  синтеза  ядер  в  дейтериевой плазме.  Экспериментально  обнаружены  быстрые  ионы  в  плазме  высоковольтного (U = 22 кВ)  разряда  в  газе.  Доменный  формализм  позволяет дать   интерпретацию   аномальной  диффузии  и  аномальному  сопротивлению  плазмы.  Уход  группы  электронов  в  плазме,  участвовавших  в  переносе  тока  из  свободного (токопроводящего)  состояния  в  связанное  -  в  слой  избыточного  отрицательного  заряда   при  формировании  домена  приводит к  падению  числа  носителей  и,  соответственно,  к снижению  проводимости  плазмы.  Получены  экспериментальные  ампер-вольтные  зависимости  для   плазмы  в  которой  имел  место  режим  с  задержкой  генерации доменов.

    Литература

1. Г.Д. Мыльников,  А.П. Напартович //  Физика  плазмы,  1975,  т. 1 ,  с. 892.
2. Г.Б. Лопанцева, А.Ф. Паль  и др.  // Физика  плазмы, 1979,  т.  5,  с. 1370.
3. А.Г. Орешко //  Физика  плазмы,  1991,  т.  17 ,  с. 679.

THE ROLE OF NOTTINGHAM EFFECT IN DYNAMICS OF HIGH VOLTAGE VACUUM BREAKDOWNS

Skvortsov V.A., Yarochkin A.V.

High Energy Density Research Center of the Russian Academy of  Sciences, 127412, Izhorskaya 13/19, Moscow, Russia

    A new approximation of integrals for current density of thermionic emission, field emission and the  transition region [1] as well as for  Nottingham  heat   flux  have  been  derived.  The  numerical investigation  of  the  dynamics  of   nanosecond   high   voltage discharges (for different  geometries  and  materials  of  cathode micro tips) have been carried out by using computer code [2]  with  taken into account the mentioned above formulas  for  calculations in the corresponding boundary conditions the  current  density  of emitted electrons  and  Nottingham heat  flux.   The  validity  of such formulas is determined by the electric field tensions (up  to 100 MV/cm for laboratory system or 300  GV/cm  for  neutron  stars  conditions).
    This work was supported in part by the INTAS (project No.96-0197).

    References.

1. Murphy E.L.,Good R.H. Phys. Rev.1956, Vol.102, No.6,pp.1464-1473.
2. Skvortsov V.A. Proc. 40 th IEEE Holm Conf. on Electrical Contacts. Chicago, 1994, pp.43-50.

ДИНАМИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИНТЕНСИВНЫХ МИКРОПУЧКОВ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ С ВЕЩЕСТВОМ

Скворцов В.А.

Обьединенный институт высоких температур, РАН, Москва, 127412, Москва, Ижорская, 13/19, ОИВТ, РАН

    Представлены  результаты  численного  моделирования   динамики взаимодействия релятивистских и субрелятивистских  интенсивных (с плотностью мощности до 3000 ТВт/см²) микропучков (с радиусом 5-100 мкм) тяжелых ионов с мишенями из золота и алюминия.  Расчеты  были выполнены с помощью двумерной математических модели, основанной на решении системы уравнений гидродинамики (методом крупных частиц) и теплопереноса  (включая,  лучистую  теплопроводность),   замкнутой соотношениями  для  расчета  уравнения  состояния  и  коэффициетов переноса  реальных  веществ   в   широком   диапазоне   параметров (температуры и  плотности),  а  также  тормозной  способности  при расчете объемного энерговыделения различных ионов (см.[1]).
    Обнаружен резонансный (поскольку  он  имеет  место  только  при определенных   параметрах   ионного   пучка)    эффект   генерации нелинейной волны разогрева во время действия  пучка  релятивистких ионов аргона  на  игло-подобную  мишень  из  золота.  Этот  эффект обусловлен "автоматической" подстройкой  движущейся  со  скоростью ударной волны области брэгговского пика с  областью  максимального (кумулятивного)  сжатия  вещества.  Кумулятивное  сжатие,  в  свою очередь, имеет место за счет того, что  ионы  пучка  на  периферии проникают более глубоко в золотую иглу, нежели  в  ее  центральной области, куда волна разрежения еще не успевает дойти.
    Показано, что при экстремальных  (когда  интенсивности  порядка 3000 ТВт/см²)  воздействиях микропучков тяжелых ионов  за  фронтом отошедшей вглубь облучаемой мишени ударной волны,  в  области  так называемой  плазменной   короны,   может   происходить   повторная кумуляция энергии, обусловленная как действием возвратных  ударных волн, так и схождением нелинейной тепловой  волны  в  шарообразную область с разреженной плотностью, в которой в свою  очередь  может происходить "запирание"  теплового  излучения.  Вследствие  такого существенно нелинейного процесса происходит  повторная (более  сильная), а затем  и  "тройная"  (более  слабая)  кумуляция энергии.
    Обсуждается возможность применения этих двух эффектов в схеме инерциального термоядерного синтеза с  использованием  интенсивных микропучков тяжелых ионов, наряду с другой оригинальной схемой [2], в которой с помощью одного микропучка ионов алюминия в слоенной  мишени (Au-DT-Au) генерируются навстречу друг другу сильные ударные сильные ударные волны и инициируется поджиг термоядерной мишени. Работа выполнена при частичной поддержке ИНТАС (проект 96-0197).

Литература

1. Skvortsov V.A., Fortov V.E. SPIE Proceedings from Conference Vol.1629: "Intense Microwave and Particle Beams III".  Los Angeles, USA, 1992, pp.379-390.
2. Skvortsov V., Vogel N., Lebedev A. Proc. ISDEIV-XVII, Berkeley, USA, 1996, Vol.2, pp.813- 817.

SUPER HIGH POWER THERMONUCLEAR DETONATION AND EXPLOSION  ON THE SURFACE OF NEUTRON STAR INDUCED BY ITS STORMS

V.A. Skvortsov

High Energy Density Research Centre of the Russian Academy of Sciences, 127412, Moscow, Iyhorskaya 13/19, Russia

    As it is well known in crust of neutron stars (NS) the  formation  and accumulation of deuterium is possible due to inverse   beta-decay  and following neutrons capture by protons [1]. Up to day the following   3 possible  mechanisms  of  ignition  of  the    observed  thermonuclear explosions on NS have been considered in result of [1]: 1) accretion; 2) internal  processes of NS  heating; 3) residual radioactivity   of external shell produce after previous explosions. In this paper it  is shown that ignition of thermonuclear detonation and  explosion can  be in result of electrodischarge  processes  near   the   neutron   stars surface in preference to mentioned above three mechanisms. Earlier  in [2], a new hypothesis of the nature and mechanism of  charge  particle jets generation from the neutron stars (pulsars and  from  nuclear  of quasi stellar radio source- QSS 3C273) was proposed, which  is   based on the nonlinear electrodischarge phenomena (current self-focusing and defocusing, generation of "shooting solitons") and recently have  been confirmed by  direct  computer  simulation  [3-6].   This    processes accompanies by generation of strong  shock waves and crater  formation in crust on the surface of NS. This work is  further continuation   of [2-5] and deals with the direct computer simulation of  the  processes of thermonuclear detonation  and   explosions  on  the  NS  by   using  different 2D codes [3] with some  modifications  for   accounting   of  the specific of NS conditions. It is shown that considered thermonuclear detonation take place under definite initial temperature of hot spot (T>25 eV) on the surface of NS.
    This work was supported in part by the INTAS (project No.96-0197).

    References.

1. Lipunov V.M. The Astrophysics of neutron stars. Moscow: Nauka, 1987.
2. Skvortsov V.A., Vogel N.I.  Proceeding of Int.Conf.on the Physics   of Strongly Coupled Plasma. Binz, 1995, World Sci. Publishing Co. Pte.Ltd., 1996, pp. 343-350.
3. Skvortsov V.A. Plasma-emissive dynamics of vacuum-spark discharges. Science Proceedings of High Energy Density Research Center of  the RAS for 1996. Moscow, IVTAN, 1997, pp.145-162 (in Russian).
4. Skvortsov V.A., Vogel N.I. Proc.of the 11-th Int. Conference on High Power Particle Beams. Prague, 1996, Vol.1, pp.513-517.
5. Skvortsov V.A., Vogel N.I. Proc.ICPIG-XXIII, Toulouse, 1997, Vol.3, pp.14-15.Vogel N.I.,Skvorsov V.A.  Resonance self-channeling of directed energy flows and acceleration of ions under laser-spark discharges  in air. Preprint "IVTAN"- association, Moscow 1997, No.5-407, pp.1-32.

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ ГЕЛИЕВЫХ БЛИСТЕРОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПЛАЗМЕННЫХ ПОТОКОВ НА ПОВЕРХНОСТЬ ТВЕРДОГО ТЕЛА.

А.Л. Бондарева, Г.И. Змиевская

ИПМ им. М.В. Келдыша РАН.

    Образование дефектов типа блистерообразующих трещин в приповерхностных слоях твердого тела, находящегося в плазменном потоке, является одной из современных радиационно-технологических проблем. Работа посвящена математическому моделированию флуктуационной стадии кластеризации дефектов (вакансионных пор, внедренных ионов и др.) в твердом теле на примере системы He-Ni с параметрами, характерными для высокотемпературного блистеринга (Т=0,58Т_{плавления}). Физическая постановка задачи следующая: образец никеля облучается по нормали к поверхности Ni ионами Не с энергией 10 кэВ. При этом на глубине среднего проекционного пробега Не в Ni (70 нм) происходит образование пузырьков газа, необходимо определить распределение дефектов типа блистеров по размерам и заполнение ими приповерхностного слоя твердого тела.
    Для численного моделирования применяется кинетический подход. Процесс образования зародыша кластера рассматривается как фазовый переход первого рода в системе твердое тело – внедренные частицы (или вакансии). Использована модель Броуновского движения взаимодействующих кластеров дефектов сферической формы, уравнения которого формулируются как кинетические уравнения в частных производных /УМФ/. Изменение размеров кластеров (в первом приближении) описывается диффузионными марковскими процессами. Для решения этой задачи применен метод стохастического аналога, основной идеей которого является замена УМФ стохастическими дифференциальными уравнениями. Нами решается задача Фольмера-Зельдовича /ФЗ/ (УМФ  Фоккера-Планка-Колмогорова) для определения размера кластера и УМФ Фоккера-Эйнштейна для диффузии зародышей кластеров в конфигурационном пространстве при учете дальнодействующей части потенциала их взаимодействия. При решении задачи ФЗ учитывались химические потенциалы старой и новой фаз, поверхностное натяжение на границе твердое тело – газ в пузырьке, упругая реакция решетки.
    Примененный подход позволяет численно оценивать

• математическое ожидание случайных величин фазовых координат модели,
• их дисперсию, возникающую при численной реализации случайных процессов,
• а также плотность переходной вероятности случайного процесса, интерпретируемую как функцию распределения кластеров дефектов по размерам в пространстве кристаллической решетки.

МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЕРХЗВУКОВОГО ТЕЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ В МАГНИТНОМ СОПЛЕ С УЧЕТОМ РЕКОМБИНАЦИИ

Г.И.Димов,  С.Ю. Таскаев

Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН,  Новосибирск, Россия

    В настоящее время для межпланетных полётов рассматривается возможность создания плазменного двигателя космического корабля [1].
    Преобразование текущего в магнитном сопле сверхзвукового потока плазмы в поток нейтрального газа возможно в результате рекомбинации. Скорости рекомбинаций существенно зависят от параметров плазмы и поэтому простых оценок при рассмотрении происходящих процессов явно недостаточно.
    В данной работе изучение течения плазменной струи в магнитном сопле проводится в рамках магнитной гидродинамики. Такое рассмотрение применимо, поскольку из-за достаточно высокой необходимой плотности плазмы длина свободного пробега ионов и электронов меньше характерных размеров изменения магнитного поля. Система уравнений включает в себя уравнение непрерывности, движения и потока тепла как для электронов, так и для ионов. Используется численный код, описанный в работах [2, 3], дополненный в уравнения непрерывности и потока тепла вкладом ударно-радиационной рекомбинации в тройных столкновениях.
    В работе приводятся результаты численного счёта, обсуждаются основные процессы течения плазмы в магнитном сопле с учётом рекомбинации и даются рекомендации по выбору сценария проведения возможных экспериментов.

    Литература.

1. Chang-Diaz F. R. Research status of the variable specific impulse magnetoplasma rocket. Int. Conf. on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement, Novosibirsk, Russia, 27-31 July, 1998, p. 78 // Fusion Technology, January 1999 issue.
2. Таскаев С.Ю. Препринт 94-72, Новосибирск, ИЯФ СО РАН, 1994.
3. КабанцевА. А., Соколов В. Г., Таскаев С.Ю. Физика плазмы 21 (1995) 775.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СЛИПАНИЯЕ-ВОЛОКОН В ТОКОВОМ СЛОЕ

В.Я.Карпов, ^*В.М.Фадеев

Институт математического моделирования, Москва, Россия
^*НПП ВНИИ Электромеханики

    Волокнистая структура токового слоя является энергетически более выгодным состоянием по сравнению с однородным распределением его характеристик [1]. Однако такое состояние является неустойчивым относительно слияния волокон [2]. Это свойство естественно использовать, например, для турбулизации и нагрева плазмы слоя.
    В приближении одножидкостной магнитной гидродинамики с конечной проводимостью, использованной в линеаризованном виде при создании теории тиринг-неустойчивости [3], рассмотрен нелинейный процесс формирования и деградации волокнистого токового слоя (пространственно-периодической тиринг-структуры). Выделяются четыре стадии развития тиринг-моды: начальная (линейная и квазилинейная) t = t_R - 3t_R , обострения t = 3t_R - 7t_R , метастабильная ( волокнистая) t = 7t_R - 11t_Rи втрая стадия обострения или слияния волокон t > 11t_R . Последняя стадия представляет практический интерес.
    Обсуждается вопрос о возможности раздельного существования в реальной (сжимаемой) плазме двух типов структур - рассмотренной в данной работе (принципиально связанной с вихревой скоростью) и пинч-структур Кварцхава (существующих при нулевой скорости [4]).

    Литература

1. Фадеев В.М. Равновесие и формирование пространственно-периодических силовых структур сильноточных разрядов. - Дисс. Канд.ф.-м. Наук, М.: ИОФАН, 1989.
2. Finn J.M. and Kaw P.K. - Phys.Fl., 1977, V.20, N1, P.72.
3. Furth H.P., Killen I., Rosenbluth M.N. - Phys.Fluids. 1963, v.6, N.4. P.459.
4. Фадеев В.М., Кварцхава И.Ф., Комаров Н.Н. Самофокусировка локальных плазменных токов. - Ядерный синтез, 1965, т.5, N.5, с.202.

ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЕННЫХ СТРУКТУР H-ТИПА В РАМКАХ МАГНИТНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ

С.Т. Суржиков, ^*В.М. Фадеев

Институт проблем механики, Москва, Россия
^*НПП ВНИИ Электромеханики, Москва, Россия

    Дана формулировка 3D уравнений магнитной гидродинамики вязкой, сжимаемой, электропроводной жидкости в полностью консервативном и характеристическом видах. Представлены формулировки МГД уравнений с сингулярными и несингулярными матрицами. В рамках однотемпературной 2D МГД модели выполнены численные исследования разлета вытянутых вдоль магнитного поля азимутально неоднородных плазмоидов.
    В вычислительных экспериментах установлено :

1. При увеличении напряженности магнитного поля улучшаются условия развития начальных неоднородностей в крупномасштабные плазменные лепестки. В этом смысле разработанная вычислительная модель правильно отражает результаты экспериментов [1].
2. Возникновение закручивающихся плазменных выбросов (похожих на протуберанцы в солнечной короне) обнаружено лишь при первоначальной закрутке плазменных сгустков.
3. При дополнительном задании азимутальной составляющей магнитного поля , то есть при разлете плазменного столба в винтовом магнитном поле, процесс развития начальных неоднородностей становится более отчетливым.
4. Разработанная вычислительная МГД-модель позволяет описать явление развития крупномасштабных плазменных неоднородностей, начиная с определенного начального возмущения.

а)  б)   в)
 

Рис.1. Пространственно периодические структуры H-типа:    а)  сечение плазменного столба при H = 10  и 1 кЭ, t = 0;  б)  то же при  H = 10 кЭ , t = 2 мкс;   в) то же при  H = 1 кЭ, t = 2 мкс.

1. Dickinson H. At al. Phys. Fluids. 1962. 5.9 1048
2. Кварцхава И.Ф., Кервалидзе К.Н., Гваладзе Ю.С. - ЖЭТФ.1960.38.5.1641

НАКОПЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ТОКОВЫХ СЛОЕВ - ТРЕХМЕРНОЕ МГД МОДЕЛИРОВАНИЕ.

^*А.И. Подгорный и И.М. Подгорный

^*Физический институт им. Лебедева РАН, Москва 117 924, Ленинский проспект, 53.
Институт астрономии РАН, Москва. 109 017, Ул. Пятницкая,48

    Накопление энергии в токовом слое в солнечной короне позволяет объяснить происхождение солнечных вспышек. Ранее [1, 2] трехмерным МГД моделированием было показано, что токовый слой может образоваться над активной областью в окрестности особой линии магнитного поля. Энергия токового слоя медленно аккумулируется за счет небольших фотосферных возмущений. При этом втекание плазмы в слой происходит с обеих его сторон.
    Показано, что в процессе образования токовый слой обладает высокой устойчивостью благодаря стабилизирующей роли течения вдоль слоя. Динамика плазмы в слое определяется величиной нормальной компоненты магнитного поля. Ускорение силой магнитного натяжения приводит к выбросу плазмы из слоя со скоростью, превышающей локальную альфвеновскую. Струя ускоренной плазмы может быть эжектирована в межпланетное пространство. Вследствие ускорения плазмы в слой под действием силы магнитного давления и в дальнейшем ускорения вдоль слоя силой магнитного натяжения вблизи слоя наблюдается значительное уменьшение плотности плазмы. Такое падение плотности вблизи слоя может привести к нарушению стабилизации слоя окружающей плазмой и, как следствие, к вспышечному процессу.
    Результаты численного моделирования, а также наблюдательные факты позволили построить электродинамическую модель и объяснить основные проявления вспышки, включая потоки жесткого рентгеновского излучения и образование послевспышечных петель. В рамках этой модели объясняется генерация продольных токов, которые замыкаются токами Педерсена в хромосфере. Эти токи осуществляют перенос энергии в нижние слои солнечной атмосферы.
    Другая возможность образования токового слоя возникает при взаимодействии сверхальфвеновского потока плазмы с поперечным магнитным полем [3]. Слой переходит в неустойчивое состояние после прекращения потока плазмы. Образование такого слоя может произойти вследствие ускорения плазмы токовом слое, созданном фокусировкой. Таким образом объясняется появление часто наблюдаемой вторичной солнечной вспышки. Для моделирования процесса образования токовых слоев в различных условиях, в том числе и над активной областью Солнца, использовалась программа ПЕРЕСВЕТ, позволяющая решать систему МГД уравнений диссипативными членами для сжимаемой плазмы. Использовалась абсолютно неявная разностная схема, что обеспечивает ее высокую устойчивость. Схема решалась методом итераций. Для постановки граничных условий применяется метод характеристик. Уравнения на характеристиках также решались с помощью неявной схемы методом итераций.

    Литература.

1. Podgorny A.I.//Solar Phys. 1995. V.156. P.41.
2. Podgorny A.I., and Podgorny I.M.//Solar Phys. 1998. V. 182. P.159.
3. Podgorny,A.I. and Podgorny I.M.// Solar Phys. 1995. V.161. P.165.

ГЕНЕРАЦИЯ И ДИНАМИКА ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР   ПРИ ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ В БЕССЕЛЕВОМ ЛАЗЕРНОМ ПУЧКЕ

Бычков С.С., Горлов С.В., Макаров А.В., Марголин Л.Я., Пятницкий Л.Н., Тальвирский А.Д.

Институт высоких температур РАН, Москва, Россия.

    Протяженная лазерная искра возникает при пробое газа в поле бесселева лазерного пучка, амплитуда поля которого в направлении распространения практически постоянна, а в радиальном описывается функцией Бесселя. Этот разряд обладает рядом особенностей, таких как высокая коммутационная способность, цилиндрическая симметрия плазменного канала, а также его большая длина (в лабораторных условиях до 1 м и более) при малом
(~ 100мкм) диаметре. Указанные свойства обеспечивают привлекательность протяженных искр для фундаментальных исследований и приложений.  Другая особенность, проявляющаяся в большинстве реализаций разряда, наличие у плазменного канала квазипериодической продольной структуры, напротив, ограничивает возможности его использования.  Причины появления структуры неизвестны. В докладе представлены
результаты экспериментов и теоретических исследований указанной структуры искрового канала.  Эксперименты проводились в аргоне атмосферного давления с использованием греющего излучения мощного лазера на неодимовом стекле наносекундного диапазона. Исследовались развертки и кадровые изображения фрагментов искры с наносекундной экспозицией при различных значениях углов наклона лучей к оси g (от 1°  до 10° ). Отдельно изучались влияния независимой предъионизации и наличия аэрозольных частиц.
    Показано, что в начальной стадии искра практически однородна, а затем появляется довольно сложная продольная структура. Во всех случаях в ней присутствует компонент с пространственным периодом ~2Чl/g²  (l - длина волны излучения). Наличие предъионизации (до 10⁷ l/см³) и аэрозольных частиц    практически не оказывает влияние на этот компонент продольной структуры. Предложена модель генерации периодических структур в плазменном канале протяженной лазерной искры, основанная на неоднородной рефракции греющего излучения при превышении критического для данного g значения концентрации электронов.
    Модель позволяет объяснить наблюдавшуюся зависимость периода структуры от условий эксперимента и исчезновение структур при низких давлениях и коротких лазерных импульсов.
    Работа выполнена при частичной поддержке Американского фонда независимых гражданских исследований (CRDF), проект RP2-130.

ГЕНЕРАЦИЯ СИЛЬНЫХ ЛЕНГМЮРОВСКИХ ПОЛЕЙ ПРИ МИКРОВОЛНОВОМ И ОПТИЧЕСКОМ ПРОБОЕ ГАЗОВ

А.М. Быстров, В.Б. Гильденбург

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия

    Целью работы является теоретическое исследование эффекта резонансного возбужде-ния плазменных (ленгмюровских) колебаний в процессе пробоя газа электромагнитным из-лучением высокой интенсивности. Возбуждение происходит в момент перехода плазмы, об-разующейся при пробое, через критическое значение, отвечающее частоте ионизирующего излучения. Возникшее ленгмюровское поле оказывает в дальнейшем определяющее влияние на динамику пробоя. Данное явление может быть использовано для генерации сверхсильных электрических полей различных частотных диапазонов и представляет интерес в связи с раз-нообразными проблемами динамики и кинетики микроволновой и лазерной плазмы.
Нами были проведены численные и аналитические исследования данного явления в рамках простейшей («конденсаторной») модели с однородным полем. Динамика поля и плазмы описывалась системой нелинейных уравнений, включающей в себя уравнение поля (уравнение ленгмюровского осциллятора с меняющейся собственной частотой во внешнем гармоническом поле) и уравнение баланса электронов, связывающее скорость изменения ленгмюровской частоты с амплитудным или мгновенным значением поля в плазме. Рассмот-рены два различных механизма ионизации газа: (а) ионизация электронным ударом, харак-терная для СВЧ разрядов низкого давления; (б) прямая (туннельная) ионизация атомов элек-трическим полем. В первом случае при приближении к точке плазменного резонанса оказы-вается существенной инерционность нагрева электронов в переменном поле, приводящая к необходимости дополнения исходной системы уравнений уравнением баланса для средней энергии электронов. Во втором случае скорость рождения электронов зависит от «быстрой» фазы осциллирующего поля, что, вообще говоря, не позволяет (ввиду возможности появле-ния параметрических резонансов) достигнуть упрощений, связанных с использованием обычного адиабатического (ВКБ) приближения. Для обоих случаев на основании прибли-женных аналитических расчетов и компьютерного моделирования были проанализированы основные характеристики процесса «переходного» возбуждения собственных ленгмюров-ских колебаний плазмы и последующего преобразования их частоты и амплитуды; найдены максимальные значения амплитуды и плотности плазмы, определяемые скоростью прохож-дения через резонанс, диссипативными процессами и насыщением амплитудной зависимости скорости ионизации.

E-mail: gil@appl.sci-nnov.ru

РЕЗОНАНСЫ НА МАГНИТНЫХ СИЛОВЫХ ЛИНИЯХ КАК ПРИЧИНА ДИСКРЕТНЫХ ДУГ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ

В.Т. Тихончук, Р. Ранкин^*, Дж. Самсон^*

Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва
^*Кафедра физики, Университет Альберты, Эдмонтон, Канада

    В докладе будет представлена модель, описывающая возбуждение и нелинейную динамику стоячих альфвеновских волн (низкочастотных магнитосферных резонансов, 1-4 мГц) в дипольном магнитном поле полярной магнитосферы Земли. Модель учитывает дисперсионные эффекты, обусловленные  инерцией электронов,  их тепловым  движением  и гироскопическим   вращением   ионов,   а   также   пространственную неоднородность параметров плазмы и нелинейные эффекты, вызываемые деформацией    плотности плазмы пондеромоторной силой. Расчеты, проведенные для реалистических параметров полярной магнитосферы, демонстрируют формирование солитоно-подобных структур электрического и магнитного полей, параллельных токов и провалов плотности плазмы, характеристики которых находятся в согласии с данными спутниковых наблюдений в полярных широтах на высотах 4000 - 6000 км (FREYA, FAST). Модель также указывает ту область полярной магнитосферы, где должно происходить ускорение электронов, и таким образом позволяет рассматривать магнитосферные резонансы как одну из возможных причин дискретных дуг полярных сияний.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА ЧЕРЕЗ АТМОСФЕРУ

А.И. Голубев, Т.Г. Сысоева, В.А. Терехин, В.Т. Тихончук^*
Российский Федеральный Ядерный Центр — ВНИИЭФ, Саров
^*Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва

    Будут представлены результаты исследования прохождения короткого электромагнитного импульса (ЭМП, длительность порядка 1 нс и менее) через земную атмосферу. Процесс моделируется с помощью кинетического электромагнитного кода, включающего совместное решение уравнений Максвелла для электрического и магнитного полей и кинетического уравнения Больцмана (в двучленном приближении) для свободных электронов. Рассмотрены два характерных типа ЭМИ: биполярный видео-импульс с амплитудой 10² - 10⁴ В/см у поверхности Земли и квазимонохроматический импульс той же амплитуды, с той же огибающей и с несущей частотой -10 ГГц.
    Расчеты показывают, что видео-ЭМИ с длительностью менее 1 нс проходит через атмосферу без существенных потерь энергии, если его амплитуда не превышает 300 В/см. При больших амплитудах хвостовая часть импульса поглощается в создаваемой им плазме. Ионизация атмосферы возникает на высотах 40 - 70 км, которые ограничены условиями пробоя снизу по амплитуде импульса, а сверху по его длительности. Вблизи верхней границы функция распределения электронов неравновесна. Она содержит значительное количество быстрых электронов (с энергиями 5-10 эВ), которые могут приводить к свечению атмосферы. Квазимонохроматический импульс взаимодействует с атмосферой значительно слабее. Поглощение энергии ЭМИ возникает при амплитудах 1-1.5 кВ/см, причем ионизация происходит на больших высотах.