А.Ю. Фролов1, О.В. Дружинина2, А.Ю. Чирков3

1,3 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

2 Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» РАН (Москва, Россия); Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (Москва, Россия)

Постановка проблемы. Аналитическое и численное изучение Z-пинча, связанного с плазменной неустойчивостью, является одним из актуальных научных направлений. В круг важных проблем входит выявление возможных предпосылок формирования немаксвелловского спектра ионов, истекающих из Z-пинча. Подход к решению указанной задачи базируется на описании ионной компоненты плазмы посредством анализа взаимодействия идеального газа с твердой стенкой. Построение модифицированного распределения и вычислительные эксперименты по изучению его свойств направлены на развитие расчетных методов моделирования и исследования Z-пинча.

Цель. Установить принципиальную возможность формирования немаксвелловского распределения ионов в Z-пинче посредством адиабатического сжатия неустойчивой плазмы, разработать подход к описанию спектра в Z-пинче на основе моделирования процессов изменение энергетического распределения частиц при адиабатическом сжатии.

Результаты. Проведено моделирование процессов изменения энергетического распределения частиц при адиабатическом сжатии. Выполнены вычислительные эксперименты и продемонстрированы эффекты, связанные с влиянием сжатия. Показано, что однократное взаимодействие вещества с подвижной стенкой приводит к сдвигу его энергетического распределения в область более высоких энергий, при этом деформация самого распределения незначительна. Выполнен переход от детерминированного описания к стохастическому с использованием уравнения Фоккера–Планка. Отмечено, что моделирование адиабатического сжатия с учетом влияния термализации подтверждает, что экспоненциальный характер распределения не сохраняется в области высоких энергий. Применительно к Z-пинчам данный результат свидетельствует о возможности существования внутренних механизмов формирования степенной зависимости энергетического спектра ионов, истекающих из перетяжки. 

Практическая значимость. Предложенные модели и полученные результаты служат основой для изучения как механизмов формирования, так и свойств спектра при описании явлений в Z-пинче и могут найти применение при моделировании процессов в плазме.

Фролов А.Ю., Дружинина О.В., Чирков А.Ю. Моделирование процессов изменения энергетического распределения частиц при адиабатическом сжатии плазмы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2021. Т. 26. № 5. С. 5−14. DOI: https://doi.org/10.18127/j15604128-202105-01

1. Вихрев В.В., Королев В.Д. Генерация нейтронов в Z-пинчах // Физика плазмы. 2007. Т. 33. № 5. С. 397−429.
2. Haines M.G., Lebedev S.V., Chittenden J.P., Beg F.N., Bland S.N., Dangor A.E. The past, present and future of Z pinches // Phys. Plasmas. 2000. V. 7. № 5-2. P. 1672−1680.
3. Coverdale C.A., Deeney C., Velikovich A.L., Clark R.W., Chong Y.K., Davis J., Chittenden J., Ruiz C.L., Cooper G.W., Nelson A.J., Franklin J., LePell P.D., Apruzese J.P., Levine J., Banister J., Qi N. Deuterium gas-puff Z-pinch implosions on the Z accelerator // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. № 5. P. 056309-1-056309-7.
4. Olson C., Rochau G., Slutz S. et al. Development path for Z-pinch IFE // Fusion science and technology. 2005. V. 47. P. 633−640.
5. Кутеев Б.В., Гончаров П.Р., Сергеев В.Ю., Хрипунов В.И. Мощные нейтронные источники на основе реакций ядерного синтеза // Физика плазмы. 2010.Т. 36. № 4. С. 307−346.
6. Klir D., Kravarik J., Kubes P., Rezak K., Ananiev S.S., Bakshaev Y.L., Blinov P.I., Chernenko A.S., Kazakov E.P., Korolev V.P., Uustroev G.I., Juha L., Krasa J., Velyhan A. Neutron Energy Distribution Function Reconstructed from Time-of-Flight Signals in deuterium Gas-Puff Z-Pinch // IEEE Transactions on Plasma Science. 2009. V. 37. № 3. P. 425−432.
7. Бакшаев Ю.Л. Брызгунов В.А., Вихрев В.В.,Волобуев И.В. Дданько С.А., Казаков Е.Д., Королев В.Д., Клир Д., МироненкоМаренков А.Д., Пименов В.Г.,Смирнова Е.А., Устроев Г.И. Генерация и анизотропия нейтронного излучения в конденсированном Z-пинче // Физика плазмы. 2014.Т. 40. С. 516−530.
8. Вихрев В.В., Мироненко-Маренков А.Д. О спектре нейтронов из плазмы Z-пинча // Физика плазмы. 2012. Т. 38. № 3. С. 251−260.
9. Vikhrev V.V., Frolov A.Yu., Chirkov A.Yu. Neutron yield from Z-pinches at generation of the power-degree spectrum of fast deuterons // Journal of Physics: Conference Series. 2019. V. 1370. P. 012026-1−012026-5.
10. Гаранин С.Ф., Мамышев В.И. Двумерное МГД-моделирование работы плазменного фокуса с учетом ускорительного механизма генерации нейтронов // Физика плазмы. 2008. Т. 34. № 8. С. 695−709.
11. Дулатов А.К., Крапива П.С., Лемешко Б.Д., Михайлов Ю.В., Москаленко И.Н., Прокуратов И.А., Селифанов А.Н. Особенности генерации рентгеновского излучения камерами плазменного фокуса с дейтериевым и дейтерий-тритиевым наполнениями // Физика плазмы. 2016. Т. 42. № 1. С. 43−49.
12. Акунец А.А., Ананьев С.С., Бакшаев Ю.Л., Блинов П.И., Брызгунов В.А., Вихрев В.В., Волобуев И.В., Данько С.А., Зеленин А.А., Казаков Е.Д., Королев В.Д., Мещеров Б.Р., Недосеев С.Л., Пименов В.Г., Смирнова Е.А., Устроев Г.И., Черненко А.С., Щагин В.А. Образование горячих точек в Z-пинче из малоплотного дейтерированного полиэтилена // Физика плазмы. 2010. Т. 36. № 8. С. 747−756.
13. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учеб. пособие для вузов в 10 томах. Т. Х / Лифшиц Е.М., Питаевский Л.П. Физическая кинетика. Изд. 2-е, испр. М.: ФИЗМАТЛИТ. 2007.
14. Чирков А.Ю., Хвесюк В.И. К расчету функции распределения высокоэнергетических ионов// ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. 2003. № 1. С. 55−65.
15. Фролов А.Ю., Дружинина О.В. Устойчивость разностных схем численного решения обобщенной системы уравнений Максвелла в задачах моделирования Z-пинчей// Электромагнитные волны и электронные системы. 2020. Т. 25. № 3. С. 5−13.