Тараканов, Владимир Павлович. Теоретический и численный анализ нелинейных задач физики плазмы посредством кода КАРАТ

Краткое описание

Тараканов, Владимир Павлович. Теоретический и численный анализ нелинейных задач физики плазмы посредством кода КАРАТ : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.08 / Тараканов Владимир Павлович; [Место защиты: Институт общей физики РАН].- Москва, 2011.- 264 с.: ил. РГБ ОД, 71 12-1/69

Учреждения Российской академии наук
Объединенный институт высоких температур
и Институт общей физики им. A.M. Прохорова
05201151299 и
На правах рукописи
ТАРАКАНОВ Владимир Павлович
ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ И ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ
НЕЛИНЕЙНЫХ ЗАДАЧ ФИЗИКИ ПЛАЗМЫ
ПОСРЕДСТВОМ КОДА КАРАТ
01.04.08 — физика плазмы
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 2011

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ и АЛГОРИТМЫ 9
1.1. Основные уравнения физической модели....'. 9
1.2. Решение уравнений Максвелла 11

1.2.1. Конечноразностная схема в 3D случае 11
1.2.2. Особенности схемы в осесимметричном 2D случае 12
1.2.3. Конечноразностная схема в XZ случае 13
1.2.4. Граничные условия 13
1.2.5. Уравнение Пуассона 15

1.3. Решение уравнений движения 17
1.4. Применение РіС-метода и цифровая фильтрация 18
1.5. Основные моделируемые физические явления 20

1.5.1. РіС-моделирование пучков частиц и плазменных областей 20
1.5.2. Моделирование столкновительных процессов 21
Упругие столкновения электронов в объеме 22
Ионизация в объеме 23
Столкновения с поверхностью 24
Тормозное излучение на ядре: генерация гамма-квантов 26
DD-рсакция 28
1.5.3. Феноменологически моделируемые объекты 29
Проводящие, диэлектрические и магнитоактивные среды без дисперсии 29
Среда Друде 30
Среда Лоренца 31
RLC-цепи 36
1.5.4. Идеально согласованный слой (PML область) 37
1.5.5. Граница с конечной проводимостью 39
1.5.6. Вычисление поля источника в дальней волновой зоне 40
ГЛАВА 2 СТРУКТУРА КОДА 41
2.1. Последовательность вычислений 41
2.2. Структура базы данных (DB) 43

2.2.1. Меню OUTINFO 44
2.2.2. Меню CALCINFO 47
2.2.3. Меню PHYSINFO 48
2.2.4. Меню GEOMINFO 56
Особенности задания геометрии в 3D 60
2.3. Анализ результатов расчета 61
ГЛАВА 3 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ 64
3.1. Результаты ID моделирования 64
3.1.1.Формирование виртуального катода (ВК) 64
3.1.2. Динамика плазменного слоя 66
3.1.3. Динамика лазерной мишени 67
3.2. Результаты 2D моделирования в плоской геометрии 69
3.2.1. Фокусировка пучка и шланговая неустойчивость 69
3.2.2.Инжекция ленточного пучка в плазму 71
3.2.3.Анизотропная Weibel-неустойчивость 72
3.2.4.Сканирующий электронный пучок 75
3.2.5. Взаимодействие сверхинтенсивного лазерного импульса с мишенью 76
Ускорение ионов 78

Оглавление З
Генерация гамма квантов тормозного излучения 84
Инициация DD-реакции и генерация нейтронов 91
Моделирование процесса ионизации полем 93
3.2.6. Формирование электронных сгустков при облучении пленок лазерами 100
3.2.7. Распространение сверхширокополосного импульса в среде Лоренца 103
3.3. Результаты 2D моделирования в осесимметричной геометрии 107
3.3.1. Моделирование ТЕМ-импульса в волноводе 107
3.3.2. Излучение СШП импульсов через коаксиальный ТЕМ-рупор 108
3.3.3.Формирующая линия с секцией спирального типа 115
3.3.4. Моделирование устройств с виртуальным катодом 121
3.3.5. Электронная ловушка источника ионов 125
3.3.6. Цилиндрический виркатор как источник нейтронов 137
3.3.7.Ускоритель заряженных частиц на спутнике 140
3.3.8.Гибридная магнитная фокусирующая система 142
3.3.9.Коаксиальный диод с магнитной самоизоляцией 144
3.3.10. Обратный диод-рекуператор 145
3.3.11. Релятивистская лампа обратной волны 146
3.3.12. Генерация СВЧ-излучения с мощностью больше мощности пучка 149
3.3.13.Кильватерные поля для ускорителя 153
3.3.14. Отражение электронов от коллектора 154
3.3.15. Моделирование СВЧ устройств с плазмой 163
Результаты при моделировании плазмы средой Друде 168
Результаты при моделировании плазмы РіОметодом 176
3.3.16. ВЧ индукционный разряд в системе с нейтральным контуром 184
3.3.17.Моделирование пучково-плазменного разряда 195
3.3.18. Парное взаимодействие пылевых частиц в плазме 201
3.4. Результаты 2D моделирования в полярной системе координат 204
3.4.1.Моделирование гладкого магнетронного диода 204
3.5. Результаты моделирования в 3D декартовой системе координат 219
3.5.1. Широкополосная рупорная антенна 219
3.5.2. Нагрев парафина в скважине 225
3.5.3. Фокусировка пучка и шланговая неустойчивость 228
3.5.4. Сжатое состояние пучка 229
3.5.5. Двухсекционный виркатор 232
3.5.6. Кильватерные поля для ускорителя 237
3.6. Результаты 3D моделирования в цилиндрической системе координат 241
3.6.1. Моделирование магнетрона 241
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 244
БИБЛИОГРАФИЯ 253

Список литературы

Кратко резюмируем результаты диссертационной работы. •
Физическая модель кода КАРАТ включает описания процессов, характерных для электродинамики, с уникальной на настоящее время широтой охвата и полнотой. Используемая в коде конечноразностная- схема решения уравнений Максвелла на- мо¬мент начала работы над кодом отличалась от известных на тот момент и оказалась пригодной для широкого круга задач. Разработаны и реализованы граничные условия для электромагнитного поля, обеспечивающие запуск в расчетную область волн всех типов, встречавшихся в поставленных ведущими лабораториями задачах. Оптимизи-ровано применение цифровой фильтрации в счетных областях сложной формы при наличии заполнителей с различными физическими свойствами. Введено несколько типов РІС частиц для моделирования одновременно нескольких объектов и обеспече-ния возможности выделения вклада каждого объекта. Также впервые РІС частицам придана дополнительная характеристика, уровень ионизации, что позволило описы-вать процессы в плазмах с ионами различной зарядности.
Граничные условия для инжектируемых пучков частиц, а также начальных ус-ловий в плазменных образованиях, описывают широкий спектр функций распределе-ния по энергиям и пространственным зависимостям, удовлетворявших всем встре-тившимся постановкам задач. В частности, реализовано граничное условие, соответ-ствующее границе плазменного объекта с полупространством, заполненным плазмой с заданными свойствами. Для моделирования столкновений реализованы алгоритмы, использующие известные модели столкновительных процессов, в том числе упругих и неупругих столкновений заряженных частиц в объеме. Возникшие вторичные час¬тицы также описываются РІС моделью и осуществляется самосогласованное их моде-лирование. Тип вторичных частиц, для удобства изучения процесса, может быть вы-бран отличным от типа первичных частиц. Для моделирования столкновений с по-верхностью в коде используются алгоритмы, соответствующие экспериментальным результатам. Для плазмы в поле сверхинтенсивного лазера моделируется генерация гамма-квантов при тормозном излучении электронов на ядре. В этих полях ионы так¬же приобретают высокие энергии, и если это дейтроны, то они могут вступать в DD-реакцию. Такой процесс с рождением ядер гелия и нейтронов также описывается ко-дом.