Успехи прикладной физики

В настоящем обзоре представлены результаты исследований резонансного нагрева плазмы мощным лазерным излучением в сильном магнитном поле. Такие исследования могут представлять интерес для систем лазерного термоядерного синтеза. Описаны результаты исследований резонансных взаимодействий при распространении лазерного импульса вдоль направления сильного магнитного поля и перпендикулярно к нему.

При продольном распространении импульса малой амплитуды в докритической плазме в области ЭЦР имеет место модуляционная неустойчивость с периодом модуляции, равным длине возбуждаемой плазменной волны. Для волн больших амплитуд с ростом величины внешнего магнитного поля растет максимальная амплитуда возбуждаемого продольного электрического поля, величина которой может достигать значений порядка 30 % от амплитуды электрического поля лазерной волны. Было обнаружено, что при таких амплитудах возникает значительное число электронов с большими скоростями, движущихся в направлении движения лазерного импульса. В области ЭЦР значение релятивистского фактора для таких электронов достигало значений . При амплитудах энергия, передаваемая лазерным излучением электронам плазмы в сильном внешнем магнитном поле, возрастает в несколько раз по сравнению со случаем изотропной плазмы. Сильный рост энергии электронов начинается уже при магнитных полях намного меньших резонансного значения. Показано, что такое поглощение лазерного излучения слабо зависит от электронной температуры. На основе полученных спектров возбуждаемых в плазме полей сделан вывод о том, что физическая причина такого существенного нагрева электронов заключается в переходе модуляционной неустойчивости при больших амплитудах в стохастический режим. Средняя энергия электронов в таком режиме может достигать значений порядка нескольких МэВ. Наибольший нагрев имеет место для частоты лазерного излучения близкой к электронной циклотронной частоте при условии. Существенный нагрев происходит и при значительно меньших магнитных полях, начиная со значений.

Следует сказать об области применимости рассмотренной постановки задачи для продольного распространения. Резонансное значение внешнего магнитного поля при характерной длине волны лазерного излучения 1 мкм составляет порядка 100 МГс. Хотя уже имеются данные экспериментов по созданию сверхсильных магнитных полей, сравнимых по величине с этим значением, но пока речь идет о квазистационарных полях с меньшими значениями. Однако, быстрый прогресс экспериментальных исследований в этом направлении позволяет надеяться на получение в скором времени магнитных полей с та-кими резонансными величинами.

В случае поперечного распространения по отношению к магнитному полю был исследован процесс распространения необыкновенной лазерной волны в плазме в области параметрического резонанса на удвоенной верхнегибридной частоте. Численные эксперименты показали, что при этом происходит значительный дополнительный нагрев электронов. Нагрев наблюдался при значительных расстройках относительно основного параметрического резонанса, что обусловлено большой амплитудой возбуждающей волны. Этот факт приводит, в частности, к снижению резонансной величины сильного магнитного поля.

Из результатов моделирования [32, 33] следует, что при этом происходит распад волны накачки на два верхнегибридных плазмона, а также возбуждаются волны Бернштейна. Взаимодействие этих колебаний вызывает значительный нагрев электронов плазмы. По сравнению c нагревом на удвоенной верхнегибридной частоте в магнитных ловушках рассматриваемый лазерный нагрев обеспечивает передачу электронам значительно большей энергии электромагнитной волны. Однако, в этом случае для выполнения резонансных условий необходимо наличие сверхсильного магнитного поля. Из распределений электрического поля в момент достижения лазерным импульсом правой границы плазменного слоя следует, что в области параметрического верхнегибридного резонанса имеет место сильное поглощение поперечного электрического поля лазерного импульса и нарастание продольного поля. При этом возникает отраженная электромагнитная волна на верхнегибридной частоте. Сделан вывод о том, что такая волна является следствием нелинейного процесса, вызванного распадом волны накачки в резонансной области на верхнегибридные плазмоны.

Проведенное численное моделирование показало, что эффективность нагрева плазмы лазерной волной в области параметрического резонанса сильно зависит от амплитуды волны и от значений циклотронной и плазменной частоты. При этом наибольший нагрев достигается в случае, когда циклотронная частота превышает плазменную. Безразмерная амплитуда, использованная в численном моделировании, для стандартной длины волны лазерного излучения мкм соответствует интенсивности 21017 Вт/см2. Для получения значения в этом случае необходимо магнитное поле в 50 МГс. При использовании высших гармоник излучения это значение может быть значительно снижено. Такие параметры вполне могут быть реализованы при взаимодействии лазерного излучения с тонкими фольгами [42].