Введение к работе
Актуальность работы. Радиационная кинетика и процессы нелокального переноса энергии в высокотемпературной плазме играют важную роль в расчетах энергобаланса плазмы и ее диагностике. Поэтому для плазменных систем со сложной радиационной кинетикой значительный теоретический и практический интерес представляет разработка аналитических методов и получение результатов, как выявляющих основные физические закономерности (включая законы подобия), так и пригодных к использованию в качестве универсальных блоков в численном моделировании. Развитие таких методов наиболее актуально для систем, характеризуемых сильной взаимозависимостью физических процессов с существенно различными пространственными и временными масштабами. Фактическим механизмом такого рода взаимозависимости в высокотемпературной плазме является прямой обмен энергии между различными точками среды путем поглощения/испускания квантов электромагнитного поля - как поперечного (фотонов), так и продольного (плазмонов) - с длиной пробега, сравнимой с размерами системы. Формируемый таким образом перенос энергии оказывается нелокальным (недиффузионным), а характерная для него резкая чувствительность к спектральным/угловым зависимостям локальных характеристик среды (коэффициентов поглощения/испускания) приводит к взаимозависимости переноса и сложных макро- и микроскопических процессов - от кинетики ионизационного распределения и распределения частиц по скоростям до элементарных радиационно-столкновительных процессов, кинетики населенности атомных уровней, включая такие процессы формирования населенностей и спектральных функций как многочастичные механизмы уширения спектральных линий. Среды, в которых реализуется такая радиационная кинетика, достаточно разнообразны и охватывают, в частности, высокотемпературную плазму в термоядерных системах магнитного и инерционного удержания [1-3], оптически плотную горячую плазму с
многозарядными ионами (МЗИ) в источниках коротковолнового излучения [4,5], оптически плотную плазму с сильно неравновесной динамикой и др. В этих и других исследовательских проектах [1-6] важной задачей является разработка методов спектроскопической диагностики.
В диссертации представлены результаты разработки универсальных методов радиационной кинетики на трех различных уровнях описания: вероятностей элементарных радиационно-столкновительных процессов, кинетики (населенности атомных уровней и ионизационное распределение), процессов нелокального переноса. Разрабатываемые методы являются развитием существующих методов на всех трех вышеуказанных уровнях описания (см. монографии и обзоры [7-20]).
1. Разработка аналитических методов описания вероятностей и кинетики
радиационно-столкновительных электрон-атомных процессов в плазме,
позволяющих использовать их в качестве универсальных блоков в численном
моделировании плазменных систем со сложной радиационной кинетикой.
2. Исследование механизмов нелокального (недиффузионного) переноса тепла
электромагнитными волнами в высокотемпературной плазме в дискретном и
непрерывном спектрах, существенных для ее энергобаланса и диагностики, и
разработка универсальных аналитических методов их описания. Создание
численного кода и упрощенного расчетного блока («симулятора» для общих
транспортных кодов) для расчета плотности радиационных потерь на
электронное циклотронное излучение в магнитных термоядерных реакторах.
3. Анализ и развитие методов лазерной томсоновской диагностики
плазмы/газов в различных плазменных системах в условиях существенной
неравновесности распределения электронов по скоростям (токамаки, открытые
ловушки, искусственные газовые образования в ионосфере).
1. Впервые квантовомеханическое обоснование применимости
классического/квазиклассического подхода дано для широкого круга
радиационно-столкновительных электрон-атомных процессов, основанное на
последовательном разложении как самих волновых функций, так и матричного
элемента общего вида. В этих рамках получены новые аналитические
результаты для элементарных актов (тормозное и рекомбинационное излучение
на многоэлектронных ионах) и кинетических задач (радиационный каскад в
ридберговском атоме).
-
Исследованы новые поляризационные механизмы излучения при столкновениях для широкого круга процессов в плазме с участием иона с остовом и электронов в непрерывном и дискретном спектрах, включая связанно-связанные поляризационные переходы, многофотонное вынужденное поляризационное тормозное излучение и его интерференцию с обычным тормозным излучением.
-
Разработан новый универсальный метод аналитического описания нелокального (недиффузионного) переноса энергии (обобщение известного метода тэфф в переносе излучения в спектральных линиях). На этой основе создан численный код CYNEQ (и его практически приемлемый упрощенный аналог для общих транспортных кодов типа кода АСТРА) для расчета плотности мощности потерь на электронное циклотронное излучение (ЭЦИ) в магнитных термоядерных реакторах (МТР).
-
Впервые исследована роль неравновесности функции распределения электронов, обусловленной переносом собственного интенсивного излучения плазмы, на основе самосогласованного описания переноса излучения и квазилинейной диффузии электронов плазмы по скоростям. Этот эффект для ЭЦИ в МТР исследован с помощью созданного численного кода CYNEQ-KIN.
-
Развит новый подход к переносу тепла продольными волнами в плазме, основанный на формализме интегрального уравнения типа уравнения Бибермана-Холстейна в теории переноса резонансного излучения.
-
Рассеяние резонансного излучения в газе, инжектированном в разреженную атмосферу, впервые изучено в рамках кинетического описания эволюции функций распределения атомов и фотонов.
-
Исследовано влияние конечности рассеивающего объема на спектры излучения, некогерентно рассеянного релятивистской плазмой, и показана ошибочность широко распространенной в литературе трактовки этого эффекта.
-
Предложены новые методы определения характеристик неравновесной функции распределения электронов по скоростям в различных плазменных системах по спектру томсоновского рассеяния лазерного излучения.
-
Метод 2-мерной квазиклассики для неупругих (включая многоквантовые) переходов электрона в центральном поле притяжения и квантовомеханическое обоснование новых классических методов расчета широкого круга радиационно-столкновительных электрон-атомных процессов. Универсальная формула для спектра тормозного излучения электронов на многоэлектронных атомах с произвольной кратностью ионизации.
-
Аналитическое описание - в рамках единого поляризационного подхода -процессов испускания излучения атомами и ионами с остовом: поляризационного излучения в непрерывном и дискретном спектрах (в том числе нового процесса - связанно-связанных поляризационных переходов), многофотонного вынужденного поляризационного тормозного излучения и его интерференции с обычным тормозным излучением, ударного и статического механизмов разрушения метастабильного атомного уровня в плазме.
-
Аналитическое описание населенностей уровней ридберговского атома при радиационном каскаде (обобщение радиационной части задачи Беляева-
Будкера на квантовый случай) и нестационарного ионизационного распределения многоэлектронных атомов в горячей плазме.
4. Обобщенный метод прострельного выхода в теории нелокального
(недиффузионного) переноса тепла электромагнитными волнами,
распространяющий известный метод тэфф в теории переноса излучения в
спектральных линиях на случай непрерывного спектра, и основанный на нем
численный код CYNEQ для описания переноса электронного циклотронного
излучения (ЭЦИ) в магнитных термоядерных реакторах при заданной функции
распределения электронов по скоростям. Расчеты плотности мощности потерь
на ЭЦИ в токамаках-реакторах и упрощенный аналог кода CYNEQ для
транспортных кодов и моделирования сценариев токамака-реактора ИТЭР.
5. Модели нелокального переноса тепла ЭМ волнами в плазме: интегральное по
пространству уравнение нелокального переноса тепла продольными волнами в
плазме типа уравнения Бибермана-Холстейна в теории переноса резонансного
излучения и расчеты нестационарной тепловой волны; модель
самосогласованного описания нелокального переноса излучения в
непрерывном спектре и квазилинейной диффузии электронов по скоростям;
численный код CYNEQ-KIN и расчеты неравновесности электронов,
обусловленной переносом собственного ЭЦИ плазмы в токамаке-реакторе.
6. Новые результаты в теории рассеяния диагностического лазерного
излучения: новые методы определения характеристик функции распределения
электронов по скоростям по измеренным спектрам томсоновского рассеяния
лазерного излучения (в токамаке при безындукционной генерации тока, в
открытой ловушке при электронно-циклотронном нагреве плазмы);
исправление ошибок, широко распространенных в мировой литературе по
некогерентному рассеянию лазерного излучения высокотемпературной плазмой
и релятивистскими электронными пучками; аналитическое описание
характеристик рассеяния лазерного излучения атомами тяжелого газа,
инжектированного в разреженную атмосферу, для задач лидарного зондирования искусственных облаков в ионосфере.
Достоверность и обоснованность.
1. Для задач аналитического описания радиационно-столкновительных
электрон-атомных процессов, развитые новые методы обоснованы детальным
квантовомеханическом анализом, основанным на специально развитом методе
2-мерной квазиклассики для неупругих (включая многоквантовые) переходов
электрона в центральном поле притяжения. Для тормозного излучения
проведено также сравнение аналитических результатов с точными квантовыми
численными расчетами группы Р. Пратта (США) и экспериментами.
2. В задаче переноса ЭЦИ в термоядерной плазме, созданный код CYNEQ для
расчета плотности мощности потерь в магнитных термоядерных реакторах
успешно протестирован в недавнем бенчмаркинге четырех численных кодов
(американских кодов SNECTR и CYTRAN, и европейского кода ЕХАСТЕС) для
цилиндрического плазменного шнура. Результаты расчетов кодом CYNEQ для
реальной геометрии используются в программе ИТЭР, а протестированный
«симулятор» кода CYNEQ (его практически приемлемый упрощенный аналог
для общих транспортных кодов) введен в код АСТРА для расчета сценариев
работы ИТЭРа.
3. В задачах лазерной томсоновской диагностики горячей плазмы и
релятивистских электронных пучков проведен критический анализ
существующих результатов и исправлен ряд ошибок, включая укоренившиеся в
литературе, в том числе в широко известной монографии [18]. Признание
справедливости указанного критического анализа применительно к
диагностике пучков в лазерах на свободных электронах содержится в
монографии [6].
Практическая ценность работы.
-
Разработанные аналитические методы описания радиационной кинетики и нелокального переноса энергии выявляют основные физические закономерности (включая законы подобия) систем со сложной, многопараметрической радиационной кинетикой и представляют практический интерес для использования в качестве универсальных блоков в численном моделировании таких плазменных систем. Работы [АЗ,А5,А12] стали основной причиной участия В.И. Когана и автора в проекте #076 Международного научно-технического центра «Атомные и радиационные процессы в плазме и газах» (1995-1997), объединившем российских экспертов по радиационным свойствам неравновесной горячей плазмы для прикладных задач.
-
Результаты расчетов кодом CYNEQ используются в программе ИТЭР, а протестированный «симулятор» кода CYNEQ (его упрощенный аналог для общих транспортных кодов) введен в транспортный код АСТРА для расчета сценариев работы ИТЭРа.
-
Результаты теоретического анализа томсоновского рассеяния лазерного излучения в горячей неравновесной плазме и релятивистских электронных пучках использованы в разработке методики измерения электронной температуры плазмы и диагностической аппаратуры для токамака Т-14 в ТРИНИТИ и в диагностике параметров пучка для лазера на свободных электронах в ИОФ РАН.
-
Работа по аналитическому описанию рассеяния резонансного излучения в газах, испытывающих квазисвободное расширение в среде, была теоретической частью проекта лидарного зондирования оптически плотных искусственных облаков в ионосфере с борта космической станции «МИР» и с поверхности Земли. Полученное нами аналитическое описание сделало практически достижимым проведение математиками численного моделирования (методом Монте-Карло) переноса зондирующего излучения в облаке.
Апробация и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались на следующих
международных конференциях (МК) и симпозиумах:
14-й, 20-й, 21-й и 22-й конференциях МАГАТЭ по физике плазмы и
управляемому синтезу (Wuerzburg, Германия, 1992; Vilamoura, Португалия,
2004; Chengdu, Китай, 2006, Женева, 2008),
17-й, 20-й, 24-й, 31-й, 32-й, 33-й и 34-й конференциях Европейского
физического общества по физике плазмы и управляемому синтезу (Амстердам,
1990; Лиссабон, 1993; Berchtesgaden, Германия, 1997; Лондон, 2004; Tarragona,
Испания, 2005; Рим, 2006; Варшава, 2007),
XIX МК по явлениям в ионизованных газах (ICPIG, Белград, 1989),
III МК по диагностике плазмы (Дубна, 1983),
Советско-Британских Симпозиумах по спектроскопии многозарядных ионов
(Москва 1986, 1991),
XI и XII МК по уширению спектральных линий (ICSLS) (Carry La Rouet,
Франция, 1992; Торонто, Канада, 1994),
МК по физике плазмы (Нью-Дели, Индия, 1989),
III и IV МК по плотным Z-пинчам (Лондон, 1993; Ванкувер, 1997),
МК по открытым плазменным системам для управляемого синтеза
(Новосибирск, 1993),
Советско-Американском симпозиуме по физике D- Не реакторов (Москва,
1991) и Американо-Японском совещании по физике D- Не плазмы (Нагоя,
Япония, 1994),
6-м и 7-м Симпозиумах «Современные направления в международных
термоядерных исследованиях» (г. Вашингтон, США , 2005 и 2007 гг.),
а также на семинарах в РНЦ "Курчатовский Институт", ФИ РАН, ИОФ РАН,
ТРИНИТИ, ИВТ РАН, Национальной морской лаборатории США (г.
Вашингтон), Питтсбургском университете (США), Университете г. Павия
(Италия).
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [А1-А32]. Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 6 глав, Заключения и имеет объем 349 страниц, включая 62 рисунка. Список цитированной литературы включает 281 работу.
