- Построена магнитогидродинамическая модель для описания динамики плазмы в капиллярных разрядах на основе двухтемпературной МГД в одномерном приближении. Учтены все важные в рассматриваемых режимах диссипативные процессы. Разработана модель для описания уравнения состояния и степени ионизации как для плазмы с достаточно высоким атомным номером ионов, так и для водородной плазмы. Учтено испарение вещества стенки канала.
- В работе создано новое научное направление, отвечающее теории нелинейной динамики плазмы капиллярных разрядов. Впервые проанализированы методами МГД-моделирования различные режимы развития капиллярного разряда внутри канала в веществе. С существованием достаточно многих типов капиллярных разрядов связан широкий диапазон параметров задач, включая параметры внешней электрической ценпи, исследованных в работах на которых основана данная диссертация.
- Исследована динамика плазмы капиллярных разрядов, используемых для создания лазеров в мягком рентгеновском диапазоне. Показано, что около оси разряда в результате кумуляции сходящейся ударной волны образуется горячая плотная сердцевина (керн), где и происходит усиление излучения неоноподобного аргона. Обнаружено, что перераспределение электрического тока между аргоновой плазмой , образовавшейся в результате испарения стенок капилляра, оказывает существенное влияние на параметры плазмы керна. Найдены безразмерные параметры, описывающие динамику плазмы в капилляре и зависимости максимальных значений плотности и температуры плазмы в керне от параметров разряда.
- Рассмотрен разряд в капилляре, заполненном азотом или парами бора. Определены оптимальные параметры, при которых в керамическом капилляре с неиспаряющимися стенками может происходить усиление спонтанного излучения водородоподобных ионов азота или бора. Показано, что эффективное усиление спонтанного излучения бора (26.23 нм) возможно при более низком максимуме электрического тока и при большем полупериоде тока, чем в случае азота (13.38 нм). Удается достичь коэффициента усиления, который на порядок выше, чем для азота. Это связано с тем, что в случае бора нужна более низкая электронная температура, чтобы получить нужное количество полностью ионизованных атомов. Оценки влияния испарения стенок капилляра указывают на серьезное препятствие на пути использования рекомбинационной схемы создания инверсной заселенности переходов водородоподобных ионов с большими Z. Чтобы получить эффективное усиление спонтанного излучения, капилляр должен быть сделан из неиспаряющегося в рассматриваемом интервале импульсов тока материала.
- Показано, что заполненные газом капиллярные разряды представляют интерес для каналирования лазерных импульсов. МГД моделирование показывает, что в относительно медленных разрядах в заполненных водородом капиллярах формируются плазменные каналы с параболическим профилем плотности, причем плазма в нем полностью ионизована. Время жизни такого плазменного волновода достаточно велико, что снимает проблему синхронизации каналируемого лазерного импульса и капиллярного разряда. Кроме того, как показали наш оценки, капилляр можно использовать для каналирования лазерного излучения более тысячи раз практически без изменения его свойств.
- Показано, что плотная (пе ~ 1018 см-3) плазма с температурой несколько эВ может быть создана в капиллярном разряде с испаряющимися стенками. На начальной стадии происходит быстрое сжатие плазмы (или пинчевание) от стенок канала к его оси. Максимальные значения электронной и ионной температур достигаются приблизительно в момент максимума электрического тока. Давление плазмы почти постоянно вдоль сечения капилляра после короткой (~ 60 не) начальной стадии разряда. Значение давления плазмы при t > 60 не, полученное при моделировании, значительно превосходит давление магнитного поля, создаваемого электрическим током разряда. Поэтому в первом приближении можно пренебречь силой Ампера и считать, что капиллярная плазма удерживается в радиальном направлении стенками капилляра. Максимум электронной температуры на оси Те приводит к образованию на оси минимума электронной плотности пе при условии сохранения высокой степени ионизации, когда электроны дают существенный вклад в давление плазмы.
- Получена двухтемпературная МГД модель замагниченной плазмы, состоящей из электронов и двух сортов ионов в случае, когда масса ионов сорта 1 много меньше массы ионов сорта 2, mi <^ та^. Ионная компонента описывается одной скоростью, температурой и плотностью. В плазме, состоящей из электронов и двух сортов ионов, возникает новый параметр, описывающий состояние такой плазмы - её состав, который может изменяться в пространстве и во времени.
- Полученная система уравнений отличается от известной системы уравнений Брагинского. В ней появилось новое уравнение, описывающие эволюцию концентрации примеси, и новые физические процессы, связаные с потоком примеси. В полученной системе уравнений учтено возможное существование сторонних электрических зарядов и токов, которые могут создаваться, например, высокоэнергичными пучками заряженных частиц. Кроме того конечная форма МГД уравнений, в отличие от уравнений Брагинского, не содержит членов, описывающих электронную инерцию. Было показано, что в первом приближении по малому параметру lei/L <^ 1 этими членами следует пренебречь.
- Выражения для диссипативных потоков отличаются от полученных в работе С.И.Брагинского не только из-за наличия двух сортов ионов, но и вследствие того, что учтено возможное различие кулоновских логарифмов для столкновений частиц разных сортов. Все кинетические коэффициенты вычислены как аналитические функции степеней ионизации. Электронная вязкость имеет вид, отличный от приведённого в обзоре С.И.Брагинского.
- 10. Рассмотрено простейшее равновесное решение системы уравнений для плазмы, состоящей из электронов и двух сортов ионов в случае аксиально-симметричной конфигурации плазмы и магнитного поля. Показано, что плотности тяжелых и легких ионов ведут себя по-разному.
2.Боброва Н.А, Буланов СВ., Разинкова Т.Л., Сасоров П.В., Динамика пинчевого разряда в тонком, канале, Физика Плазмы 22, 387-402 (1996).
3.Bobrova N.A., Bulanov S.V., Farina D., Pozzoli R., Razinkova T.L., Sasorov P.V., Mag-netohydrodynamic Simulation of Capillary Plasmas, X-ray Lasers. Inst. Phys. Conf. Ser. (Proc. of X-ray Lasers 1996 Conf., Lund, Sweden. IOP Publ. Lmt., 1996, p.197-199).
4.Bobrova N.A., Bulanov S.V., Farina D., Pozzoli R., Razinkova T.L., Sasorov P.V., Mag-netohydrodynamic Simulation of Capillary Plasmas, Dense Z-pinches (Ed. N. Pereira, J. Davis, P. Pulsifer. AIP Conf. Proc, AIP Press., NY., 1997, p.225-228).
5.Имшенник B.C., Боброва Н.А, Динамика столкновительной плазмы Энергоатомиздат, Москва, (1997).
6.Bobrova N.A., Bulanov S.V., Farina D., Pozzoli R., Razinkova T.L., Sakai J.-L, Sasorov P. V., Dissipative MHD Simulation of Capillary Plasmas for Guiding of Intense Ultrashort Laser Pulses, Journal of the Physical Society of Japan 67, 3437-3442 (1998).
7.Боброва Н.А, Буланов СВ., Поццоли Р., Разинкова Т.Л., Сасоров П.В., Фарина Д., МГД моделирование плазмы капиллярных разрядов, Физика плазмы 24, 3-8 (1998).
8.Боброва Н.А, Буланов СВ., Есаулов А.А., Сасоров П.В., Капиллярные разряды для каналирования лазерных импульсов, Физика плазмы 26, 12-23 (2000).
9.Bobrova N.A., Bulanov S.V., Farina D., Pozzoli R., Razinkova T.L., Sakai J.-L, Sasorov P.V., Sokolov I.V., MHD simulations of plasma dynamics in pinch discharges in capillary plasmas, Laser and Particles Beams 18, 623-638 (2000).
10. Vrba P., Vrbova M., Hebenstreit M., Neger Т., Poeckl M., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Estimation of the Electron Temperature in Ы2СОЗ Discharge, 7th International Confer¬ence XRL´2000, Saint Malo.( Orsay: Universote Paris-Sud, 2000, p.62-66).
11.Vrbova M., Jancarek A., Pina L., Vrba P., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Kala M., A Study of Electrical Discharge in Polyacetal Capillary, 7th International Conference XRL´2000, Saint Malo.( Orsay: Universote Paris-Sud, 2000, p.67-70).
12.Vrba P., Vrbova M., Hebenstreit M., Neger Т., Poeckl M., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Estimation of the Electron Temperature in Ы2СОЗ Discharge, Journal de Physique IV (France) 11, 555-558 (2001).
13.Vrbova M., Jancarek A., Pina L., Vrba P., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Kala M., A Study of Electrical Discharge in Polyacetal Capillary, Journal de Physique IV (France) 11, 575-578 (2001).
14.Janulevich K.A., Rocca J.J., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Lucianetti A., Bortolotto F., Sander W., Nickles P.V., Fast Capillary Discharge as a Preformed Active Medium of X-ray lasers. Ablative capillary discharge plasma as a preformed medium for soft x-ray laser, Soft X-Ray Lasers and Applications IV (Eds.: E. E. Fill, J. J. Rocca) Proceedings of SPIE4505, 7-13 (2001).
15.Bobrova N.A., Esaulov A.A., Sakai J.-L, Sasorov P.V., Spence D.J., Butler A., Hook¬er S.M., Bulanov S.V., Simulations of a hydrogen-filled capillary discharge waveguide, Physical Review E 65, 016407-1-11 (2002).
16.Vrba P., Vrbova M., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Cachoncinlle C, Pouvelse J.M., Robert E., Sarroukh O., Gontiez Т., Viladrosa R., Fleurier C, Dynamic and Emission Charac¬teristics of Xenon Capillary Discharge, X-Ray Lasers 2002 (eds. J. J. Rocca et al. AIP, 2002, pp.133-138).
17.Vrba P., Vrbova M., Jancarek A., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Limpouch J., Pina L., Nadvornikova L., Fojtik A., EUV Emission and Gain in Polyacetal Capillary Discharge, X-Ray Lasers 2002 (eds. J.J. Rocca et al. AIP, 2002, pp.139-143).
18.Janulevich K.A., Bortolotto F., Lucianetti A., Sander W., Nickles P.V., Rocca J.J., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Fast capillary discharge plasma as a preformed medium for longitudinally pumped collisional x-ray lasers, J. Opt. Soc. Am. В 20, 215-220 (2003).
19.Pogorelsky I.V., Pavlishin I.V., Ben-Zvi I., Kimuta Т., Kamiya Y., Hirose Т., Greenberg В., Zigler A., Andreev N., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Transmission of high-power C02 laser pulses through a plasma channel, Applied Physics Letters 83, 3459-3461 (2003).
20.Hirose Т., Pogorelsky I.V., Ben-Zvi I., Yakimenko V., Kusche K., Siddons P., Kimuta Т., Kamiya Y., Zigler A., Greenberg В., Kaganovich D., Pavlishin I.V., Diublov A., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Counter-Propagation of Electron and C02 Laser Beams in a Plasma Channel, 17TH International Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry. AIP Conference Proceedings 2003, Vol. 680, pp.815-819.
21.Vrba P., Vrbova M., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Pinching discharge in nitrogen filled capillary as a tool for soft x-ray laser recombination pumping , Czechoslovak Journal of Physics Suppl.C 54, 244-249 (2004).
22.Pogorelsky I.V., Pavlishin I.V., Ben-Zvi I., Yakimenko V., Kimuta Т., Kamiya Y., Zigler A., Diublov A., Andreev N., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Experiments on Laser and e-Beam Transport and Lnteraction in a Plasma Channel, Eleventh Advanced Accelerator Concepts Workshop. AIP Conference Proceedings 2004, Vol. 737, pp. 504-511.
23.Bobrova N.A., Lazzaro E., Sasorov P.V., Magnetohydrodynamic two-temperature equa¬tions for multicomponent plasma, Physics of Plasmas 12, 022105 (2005).
24.Vrba P., Vrbova M., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Modelling of a nitrogen x-ray laser pumped by capillary discharge, CEJP 3, 564-580 (2005).
25.Кочарян А.Э., Боброва Н.А, Сасоров П.В., Неоднородность химического состава плазмы в капилляных разрядах , Физика плазмы 32, 963-972 (2006).
26.Боброва Н.А, Кочарян А.Э., Сасоров П.В., Кинетические коэффициенты для тяжелой примеси в многокомпонентной плазме , Физика плазмы 33, 782-794 (2007).
27.Боброва Н.А, Имшенник B.C., Высокоэнергетичная плазмодинамика, главы 1-6, «Энциклопедия низкотемпературной плазмы». Гл. ред. серии В.Е. Фортов. Серия Б. «Справочные приложения, базы и банки данных». Тематический том IX -2. (Отв. ред. А.С. Кингсеп. Москва, ЯНУС-К, 2007, cl-133).
28.Боброва Н.А, Буланов СВ., Сасоров П.В., Высокоэнергетичная плазмодинамика, глава 11, «Энциклопедия низкотемпературной плазмы». Гл. ред. серии В.Е. Фортов. Серия Б. «Справочные приложения, базы и банки данных». Тематический том IX -2. (Отв. ред. А.С. Кингсеп. Москва, ЯНУС-К, 2007, с250-277).
29.Vrba P., Vrbova M., Bobrova N.A., Sasorov P.V., A study of Z-pinch in capillary filled by boron vapors, EPJ, 54, 481-486 (2009).
30.Vrba P., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Vrbova M., Hubner J., Modeling of capillary Z-pinch recombination pumping of boron and EUV lasers, Physics of Plasmas, 16, p.073105 - 073105-11 (2009).
31.Kameshima Т., Kotaki H., Kando M., Daito I., Kawase K., Fukuda Y., Chen L. M., Homma Т., Kondo S., Esirkepov T. Zh., Bobrova N. A., Sasorov P. V., Bulanov S. V., Laser Pulse Guiding and Electron Acceleration in the Ablative Capillary Discharge Plasma, Physics of Plasmas, 16, 093101 - 093101 -10 (2009).
32.Vrba P., Bobrova N.A., Sasorov P.V., Vrbova M., Hubner J., Modelling of Capillary Z-Pinch Recombination Pumping of Hydrogen-Like Ion EUV Lasers, X-Ray Lasers 2008, Springer Proceedings in Physics, Volume 130. ISBN 978-1-4020-9923-6. Springer Nether-lands, 2009, p. 239.