Ускорение частиц волнами пространственного заряда в неоднородной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

/

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НЖЩНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ -

ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ ИМЕНИ ПАТРИСЛ ЛУМУМШ

На правах рукописи

МОСКАЛЕВ Александр Николаевич

УДК 533.922

УСКОРЕНИЙ ЧАСТИЦ ВОЖАКИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯД* В НЕОДНОРОДНОЙ ШУШЕ (01.04.02 - теоретическая физика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991 г.

:рт1'<т1 Эа^ота выполнена в Университете Дружбы народов им. П.Лумумбы и Физической институте имени П.Н.Лебедева АН СССР.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

• профессор Л.Ы.ГОРБУНОВ Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Н.Е.АВДЕЕВ (ИВГАН) кандидат физико-математических наук А.Б.РОМАНОВ (МИРЗА) Ведущая организация - Институт общей физики АН СССР

Защита диссертации состоится " ЯУ/бп'ЬЯ 1991г. 8 /4? часов (?0 мин на заседании специализированного совета К 053.22.01 в Университете Дружбы народов им. П.Лумумбы по адресу: П7293, Москва, ул.Орджоникидзе, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Университета Дружбы народов им. П.Лумумбы по адресу: 117198, Ыосква, ул.Миклухо-Маклая, д.б.

Автореферат разослан "199/г.

~7

Ученый секретарь Специализированного Совета доцент

О.И.ЗАПАРОВАННЫЙ

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш диссертйции. В последнее время активно разрабатываются новые метода ускорения частиц до высоких энергий. Ряд из таких методов связан с ускоренней частиц в поле быстрых волн пространственного зареда (ленгмюровских волн) в плазме. Для возбуждения этих волн используют либо короткие (модулированные или немодулиро ванные) лазерные импульсы, либо короткие сгустки электронов. Если ленгыюроЕСкая волна возбуждается двух частотным лазерным импульсом, то основанный на данном методе возбуждения ускоритель получил название лазерного ускорителя на волне биений. Соответственно, для одночастотного лазерного импульса ускоритель получил название лазерного ускорителя на кильватерной волне. Проведены первые эксперименты по ускорению электронов волной биений, показавшие высокую эффективность возбуждения болн пространственного заряда и ускорения электронов в поле этих волн. Одной из центральных проблем для дальнейшего развития работ в этом направлении является проблема создания однородной плазмы с хорошо контролируемой концентрацией. Даже малые вариации плотности плазмы могут ухудшать возбуждение волн пространственного заряда, а такжз выводить ускоряемую частицу из фазы ускорения. Как показали первые эксперименты, по ускорению электронов волной биений, обычно плазма существенно неоднородна, поэтому можно сказать, что в предполагаемых экспериментах по ускорение электронов полем кильватерной волны плазма так же будет неоднородной. В настоящее время, вопрос о влиянии неоднородности плазмы на ускорение электронов как в поле волны биений, так и в поле кильватерной волны исследован недостаточно полно и привлекает значительный интерес.

Цель работы: исследование влияния неоднородности плазмы на процесс возбуждения волн плотности заряда лазерными импульсами и

ускорения ими электронов. Для достижения этой цели решались следующие основные задачи:

1. Разработка численного ыоделирования возбуждения нелинейных плазменных волн лазерными импульсами в неоднородной плазые

и ускорения электронов в поле этих волн.

2. Построение теории ускорения электронов в поле линейной волны биений в плазме с мелкомасштабной неоднородностью (/.*,<< где ¿у - характерный масштаб неоднородности, 1а - длина ускорения) .

3. Построение теории ускорения электронов в поле линейной кильватерной волны в плазые с мелкомасштабной неоднородностью.

4. Исследование зависимости энергии ускоренных электронов

и длины ускорения от плотности плазмы и начальной скорости инжектированных частиц.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие основные положения, определяющие научную новизну полученных в диссертации результатов:

1. Численно исследовано возбуждение нелинейной плазменной волны двухчастотным лазерным импульсом как с резким, так и с размытым передним фронтом в неоднородной плазма и ускорение электронов в поле этой волны. Показано, что в случае размытого фронта скачки фазы нелинейной плазменной волны уменьшаются, но сохраняются в области нелинейного резонанса. Электроны инжектированные на определенном расстоянии от переднего фронта импульса наиболее эффективно ускоряются в соответствующем этому расстоянию интервале плотности.

2. Найдено оптимальное расстояние от электрона до переднего фронта прямоугольного импульса, при котором влияние мелкомасштабной неоднородности на ускорение наименее существенно.

3. Показано, что в ускорителе на волне биений нельзя повысить эффективность ускорения за счет специального профиля плотности плазмы и добиться того, чтобы на электрон действовала постоянная ускоряющая сила.

4. Численно показано, что при ускорении электронов в поле кильватерной волны в слое неоднородной плазмы их энергия зависит от расстояния иежду импульсом и местом инжекции электрона. При определенной оптимальном для данного профиля плотности плазмы расстоянии, полученная электроном энергия максимальна.

5. Получены выражения для энергии электрона, ускоряемого в поле кильватерной волны, в случае линейного профиля плотности и слоя плазмы, масштаб неоднородности которых ¿^ Ln. • Сформулирован критерия пренебрехиыо малого влияния вариаций плотности пдазш на процесс ускорения. Показано, что результаты приближенной аналитической теории и точного численного расчета хорошо согласуются между собой.

6. Для лазерного ускорителя на кильватерной волне показано, что за счет малого увеличения начальной скорости электронов иокко поднять теш ускорения и значительно уменьшить размер ускорителя.

Научная и практическая ценность. Результаты диссертационной работы по ускорения электронов волнами пространственного заряда, возбуждаемыми лазерными импульсами в неоднородной плазме, могут быть использованы в экспериментальных исследованиях.

Апробация работы. Материал, изложенный в диссертации, докладывался на Международной конференции по генерации когерентного излучения и ускорению частиц (США, 1991г.), на Международной конференции по взаимодействию сильных электромагнитных полей с плазмой (Суздаль, 1990 г.), на конференциях факультета физико-математических и естественных наук Университета друибы народов (1990,

1991 г.г.), на Всесоюзном семинаре по параметрической турбулентности и нелинейным явлеьиям в плазме (Москва, 1990 г.), а также на научных семинарах ЙИАН и кафедры экспериментальной физики УДН.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в б печатных работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав основного текста, приложения, заключения и списка литературы из 67 наименований. Объем диссертации составляет 131 страницу.

содермние дассаргддаи

Во введении обсудден вопрос об актуальности теш диссертации, представлен обзор литературы, показана научная новизна работы к сформулированы основные положения диссертации.

В первой главе пргдетавлзкы рззультаты исследования возбуждения плазиеннш: соли при'распространении двухчастотнык лазерных импульсов различной йорш п неоднородной плазиз, а тают процесса ускорения электронов в поле эгях волн. Проведено числешоа моделирование возбуждения нелшейной плазменной полны прямоугольном импульсом в неоднородной плазме с линейным законом изменения концентрации, а та;си вгяульсом с плавко гшрастаюзца! передним фронтом. При численной моделировании основное Ениканиэ было сосредоточено на крупношештабнкх неоднородностях плазмы • Показано, что

в случае кшульса с плавно нарастаоящм породним фронтом скачки фазы плазменной волны уменьшаются, но сохраняются в окрестности нелинейного резонанса. Рассмотрено ускорение электронов в поле нелинейных плазменные ьолн, возбуждаемых лазерными импульсами. Показано, что электроны, инжектированию на определенном расстоянии от переднего фронта импульса, наиболее эффективно ускоряются в

&

соответствующей этому расстоянию интервале плотности, что подтверждает вывод работы / I / о нелинейной стабилизации фазы плазменной волны при данных условиях и предположение о наиболее эффективной ускорении электронов в этих условиях. В случае лазерного импульса с нарастающим передним фронтом, переходы электрона из ускоряющей фазы в тормозящую сглаживаются. Сохраняется режим нелинейной стабилизации фазы.

Рассмотрено прохождение ускоряемых электронов через области повьшенной концентрации на фоне плазмы с пониженной концентрацией. Показано, что влияние такой неоднородности плазмы на процесс ускорения существенно зависит от соотношения между связанным с неоднородностью масштабом резонансного возбуждения волны и длиной ускорения 1.а. • Бели область повшенной концентрации мала по сравнению с длиной ускорения, то данная неоднородность слабо влияет на ускорение и в определенных условиях может даке увеличивать темп ускорения. В случае, когда размер области повышенной концентрации сравним или больше длины ускорения и плотность плазмы в максимуме больше Ме (где - концентрация плазмы, при которой возникает нелинейный резонанс), масштаб резонансного возбуждения волны уменьшается и они локализуются по обеим сторонам от максимальной плотности. При этом существенно снижается эффективность ускорения. В качестве примера проведены расчеты, моделирующие эксперимент / 2 /, где использовалась неоднородная плазма с вшеуказаншаи свойствами. Показано, что только при приближении концентрации в максимуме к величине /4 начинается эффективное возбуждение волны к оно сохраняется при дальнейшем увеличении плотности. В отличии от этого энергия ускоренных электронов падает с повшением концентрации. Этот вывод согласуется с экспериментальными данными.

Развита аналитическая теория ускорения электронов в поле ли-

нейной волны биений в плазма с мелкомасштабной неоднородностью ( Ь, ) • Найдено оптимальное расстояние от электрона до переднего фронта лазерного импульса, при котором влияние мелкомасштабной неоднородности на ускорение наименее существенно. Также показано, что в ускорителе на волне биений, где возбукдвние продольных волн существенно зависит от неоднородности плазмы, повысить эффективность ускорения за счет специального профиля плотности плазмы и добиться того, чтобы электрон ускорялся под действием постоянной силы, нельзя.

Во второй главе диссертации анализируется влияние неоднородности плазмы на ускорение электронов в поле кильватерной волны, возбуждаемой коротким мовдым лэззрньы импульсом. С помощью численного моделирования показано, что в случае когда короткий лазерный ишуяьс движется в сторону возрастающей плотности плазмы с заданным линейным профилен; существует оптимальное расстояние от электрона до переднего фронта импульса, при котором энергия, приобретаемая электроном, больше, чей в однородной плазме. Это подтверждает вывод работы / 3 /, где было показано, что за счет специального профилирования пяотиости плазмы возможно более длительное удержание электрона в ускоршщой постоянной фазе. Рассмотрено прохождение электронов чэрез слой неоднородной плазмы. Показано, что в области максимальной плотности плазмы происходит регулярное ускорение электронов. Энергия, приобретаемая электроном, в этом случае зависит от расстояния между импульсом и местом ннгекцми электрона.

Развита аналитическая теория ускорения электронов в поле линейкой кильватерной волны в плазме с мсткомасштабной неоднородностью. Получены выражения для энергии элэктрона, ускоряемого в поле кильватерной волны, возбуждаемой прямоугольным и гауссовым импульсами. Сформулирован критерий пренебрежимо малого влияния мелхомас-

?

штабных вариаций плотности плазмы на процесс ускорения. Рассмотрено прохождение электронов через слой неоднородной плазмы. Показано, что регулярное ускорение возможно только при определенных начальных положениях частицы и соотношения менду характерной длиной »шпульса н длиной продольной волны в максимуме плотности плазмы. Получены выраиенип для энергии, приобретаемой электроном в результате регулярного ускорения в полз кильватерных волн, возбуэдхаеыых пряшугольнш и гауссовым импульсами. Проведено сравнение результатов численного и аналитического расчетов, как в случае линейного профиля плотности плазмы, так и в случае плазменного слоя. Оба котода расчета достаточно хорошо согласуются мевду собой.

В третьей главе иолуионы и проанализированы выражения для энергии и длины ускорения, зависящие от плотности плазмы и начальной скорости иннектированных электронов, ускоряющихся в гармони-чзексЗ волне пространственного заряда. На примерз лазерного импульса гауссовской фориы исследована зависимость теша ускорения от плотности плазмы и начальной скорости частиц. Темп ускорения электронов максимален в интервала плотности плазмы, где выполняете л условно соизмеримости характерной длины импульса и длины плазменной водны. Показано, что за счет малого увеличения начальной скорости инжектированных частиц можно поднять темп ускорения и значительно уменьшить размер ускорителя, при этом энергия ускоренные частиц уменьшается незначительно.

В приложении рассмотрены два метода расчета поля линейных плазменных волн: с помощью укороченного уравнения первого порядкб к полного уравнения второго порядка. Получено решение укороченного уравнения для лазерного импульса произвольной формы. В случае, когда дву&частотный лазерный импульс шеат треугольную форму, на( дены условия, при которых решения укороченного уравнения совпадав

с решениями полного уравнения второго порядка.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

ОСНОЕНШ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЕОШ

1. Проведено численное моделирование возбуждения нелинейной плазменной волны прямоугольным двухчастотнш лазерным импульсом в неоднородной плазме с линейным законом изменения концентрации. Исследовано ускорение электронов в поле такой волны и изменение их энергии со временем. Показано, что электроны инжектированные на определенном расстоянии от переднего фронта импульса наиболее эффективно ускоряются в соответствующем этому расстоянию интервале плотности, что подтверждает вывод работы / I / о нелинейной стабилизации фазы волны и предположение о наиболее эффективном ускорении электровоз при этих условиях.

2. Рассмотрено ускорение электронов в поле нелинейных плазменных волн, возбузушемых лазерниа импульсом с размытьы передним фронтом. Показано, что скачки фазы нелинейной плазменной волны уменьшаются, но сохраняются а области нелинейного резонанса. Соответственно, переходы электрона из ускоряющей фазы в тормозящую сглаживаются, сохраняется режим нелинейной стабилизации фазы.

3. Рассмотрено прохождение ускоряемых: электронов через области повшенной концентрации на фоне плазмы с пониженной концентрацией. Показано, что если область повшенной концентрации мала по сравнению с длиной ускорения, то данная неоднородность слабо влияет на ускорение и в определенных условиях может увеличивать темп ускорения. В случае, когда данная область сравнима или больше длины ускорения и плотность плазмы в максимуме больше той, при которой наступает нелинейный резонанс, эффективность ускорения суще--

ственно ухудшается, что согласуется с экспериментом./ 2 /.

4. Развита аналитическая теория ускорения электронов в поле линейной волны биений в плазме с мелкомасштабной неоднородностью ( ¿V ^-¡-л. )• Найдено оптимальное расстояние от электрона до переднего фронта прямоугольного лазерного импульса, при котором влияние мелкомасштабной неоднородности на ускорение наименее существенно.

5. Показано, что в ускорителе на волне биений, где возбуждение продольных волн имеет резонансный характер и существенно зависит от неоднородности плазмы, нельзя повысить эффективность ускорения за счет специального профиля плотности плазмы и добиться того, чтобы на электрон действовала постоянная ускоряющая сила.

6. Проведено численное моделирование влияния крупномасштабной неоднородности плазмы на ускорение электронов в поле кильватерной волны, возбуждаемой коротким лазерным импульсом большой интенсивности. Показано, что при ускорении электронов в слое неоднородной плазмы их энергия зависит от расстояния между импульсом

и местом инжекции электрона. При определенном оптимальном для данного профиля плотности плазмы расстоянии, полученная электроном анергия максимальна.

7. Развита аналитическая теория ускорения электронов в поле линейной кильватерной волны в плазме с мелкомасштабной неоднородностью. Получены выражения для энергий электрона ускоряемого в поле такой волны в случае линейного профиля плотности и сдоя плазмы. Сформулирован критерий пренебрежимо малого влияния вариаций плотности плазмы на процесс ускорения. Показано, что регулярное ускорение электронов в слое неоднородной плазмы возможно только при специальном подборе начального положения электрона и соотношения между длиной плазменной волны в области максимальной концентрации

плазмы и характерной длиной лазерного импульса. Показано, что результаты приближенной аналитической теории и точного численного расчета хорошо согласуются между собой.

8. Исследована зависимость энергии электронов и длины их ускорения в поле волны плотности заряда, от плотности плазмы и начальной скорости инжектированные электронов. Для лазерного ускорителя на кильватерной волне показано, что за счет малого увеличения начальной скорости электронов можно поднять темп ускорения и значительно уменьшить размер ускорителя.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Gorbanov I/.M., biosialev А .Я. líumerical investigation of beat-wave electron acceleration in inhomogeneous plasmas // Proo. of International Workshop on Strong Microwaves in Plasmaa,' Suadal, USSK, Sept. 18-23, 1990. liishny Novgorod, Hizhego-rodskaya Previa, 1991, V.2, P.551-566.

2. Москалёв A.H. Возбуждение быстрых ленгыюровских волн в плазме двухчастотныы лазерным импульсом произвольной формы// Тезисы докладов ХХУ1 научной конф. факультета физ.-мат. и естественных наук. М., УДН, 1990, с.17.

3. Москалёв А.Н. О методах расчета возбуждения плазменных волн двух частотным лазерным импульсом// Тезисы докладов ХХУ1 научной конф. факультета физ.-мат. и естественных наук. Ы., УДН» 1990. С. 16.

4. Gorbunov Ь.М., Moskalev A.H. Effects of plasma inbomogeneity in laser accelerators // Proc. of Int. Conference "Research. Trends in Coherent Radiation Generation and Particles Accelerators", California, La Jolla, 11-13 Feb., 1991. AIP, МЛ„ 1991, P.148-171.

>. Москалёв A.H. Зависимость длины ускорения электронов в волне

пространственного заряда от начальной энергии// Тезисы докладов ХХУП научной конф. факультета физ.-мат. и естественных наук. и. Ш, 1991. с.64. • 6. Горбунов Л.Ы., Москалев А.Н. К теории лазерного ускорителя на кильватерной волне. Кр. сообщ. по физике, 1991, № 6, с.33-37.

ЛИТЕРАТУРА

I. Горбунов Л.М., Кирсанов В.И. К теории ускорения частиц волной биений в неоднородной плазме.// НЭТЙ, 1989, Т.96, вып.2(8), С.583-590.

Zl Kitада«a Y. et al. Demonstration of Electron Acceleration by a Beatwave excited Plasma Wave // Preprint Institute of Laser Engineering, Osaka, Japan, N9001 P, 1989.

3. Горбунов Л.И.. Кирсанов В.П.. Мтингва С.К., Рамаэашвили P.P. Повшение эффективности ускорения электронов волной плотности заряда за счет специального профилирования плотности плазмы. // Кр.сообщ. по физике, 1989, » 10, с.27^29.