ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ МЕХАНИЗМОВ ФОРМИРОВАНИЯ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ СТРУКТУР В АСТРОФИЗИЧЕСКОЙ И ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ (промежуточный, этап 1)

Проведены эксперименты по исследованию динамики разлета плазмы, возникающей при облучении твердотельной мишени фемтосекундными лазерными импульсами с интенсивностью 10^17-10^18 Вт/см2. Плазма разлетается от поверхности мишени со скоростью примерно 10^7 см/с, определяемой скоростью ионного звука, что соответствует температуре электронов 100-1000 эВ. Поляриметрическими измерениями показано, что уже на ранних стадиях разлета плазмы появляются вытянутые перпендикулярно поверхности нити (филаменты) диаметром ~ 10 мкм с пространственным периодом ~30 мкм. В процессе разлета плазмы длина филамент увеличивается, диаметр же и период остаются примерно постоянными; подобная филаментация сохраняется в течение длительного времени, превышающего 10 нс. Восстановленная из поляриметрии величина магнитных полей, сопровождающих филаментацию плазмы, дает величину порядка 1МГс, что позволяет связать ее с развитием вейбелевской неустойчивости. Создан лабораторный стенд для проведения исследований по разлету лазерной плазмы в сильном магнитном поле. Создана магнитная система, обеспечивающая магнитное поле индукцией 20 Тл и позволяющая достичь уровня в 30 Тл. Разработаны и протестированы новые методы прецизионного управления положением мишени внутри магнитной системы, наведения на нее лазерным излучением с управляемой интенсивностью. Разработаны оптические диагностики, интерферометрия и поляриметрия, позволяющие с высоким разрешением измерять интегральную плотность и магнитное поле, а также исследовать токовою структуру наблюдаемой неустойчивости. Трёхмерное (3D3V) и двумерное (2D3V) PIC моделирование и аналитические оценки основных физических процессов при разлете плазмы с горячими электронами позволило указать причину и выяснить закономерности образования наблюдаемой экспериментально системы практически параллельных друг другу филаментов тока, вытянутых вдоль нормали к поверхности мишени. Показано, что исходные филаменты радиусом порядка микрон и связанное с ними мегагауссное магнитное поле зарождаются на субпикосекундных временах благодаря электронной вейбелевской неустойчивости в присутствии амбиполярного электрического поля и согласованного с ним потока высокоэнергичных электронов, созданных импульсом фемтосекундного лазера. После вовлечения в филаменты ионных токов на временах порядка десятков пикосекунд сформированная система параллельных z-пинчей с радиусом порядка десяти микрон устойчиво существует до 10 наносекунд и более, причем гирорадиус энергонесущих электронов оказывается порядка поперечных размеров наблюдаемых структур. Выполнено 3D моделирование гибридным кодом AKA всего процесса разлета плазмы с момента окончания мощного лазерного импульса. Исследована полная эволюция токовых структур начиная с момента, когда в PIC-моделировании размеры этих структур становятся сравнимыми с гирорадиусом электронов, до момента, соответствующего 10 нс в эксперименте. На основе гибридного моделирования были выявлены законы долговременной эволюции крупномасштабных токовых структур и их магнитных полей. Проведено тестовое сверхдлинное 2D моделирование бесстолкновительных ударных волн, в котором предварительно продемонстрирован ряд ранее неизвестных особенностей. Впервые обнаружен переход ударной волны в квазистационарный режим на временах, превышающих сто тыс обратных плазменных времен. Установлено, что сеть вытянутых вдоль нормали к фронту филаментов тока с магнитным полем, формируемых в результате вейбелевской неустойчивости, претерпевает "изотропизацию" на фронте ударной волны, а магнитное поле усиливается в результате действия вторичных неустойчивостей. В области отходящего потока магнитное поле представляет собой набор отдельных пятен. Частицы плазмы в таких пятнах замагничены, а магнитное поле в центральных областях пятен практически не затухает. Успешно опробован метод выделения частиц, отраженных от фронта, с которыми связано возникновение неустойчивости вейбелевского типа в области перед фронтом ударной волны. Проведена работа по подготовке к моделированию астрофизической плазмы: проанализированы основные особенности лабораторного эксперимента, отличающие его от астрофизической плазмы и выяснены наиболее перспективные объекты для моделирования. Выяснено, что моделирование физических процессов в ударных волнах в незамагниченной плазме требует либо увеличения размеров области взаимодействия, либо разработки особой геометрии эксперимента. В то же время параметры установок в существующей реализации позволяют моделировать ударные волн в замагниченной пламе, которые реализуются при столкновении звездных ветров или в основании аккреционных колонок, а также процессов, происходящих на границе плазма-магнитное поле на внутреннем краю аккреционных дисков. С помощью оптической схемы четырех-лучевого лазерного облучения шарообразной мишени мощным импульсным CO2 лазером создано сферически-симметричное облако лазерной плазмы с масштабами ~10 см. При исследовании разлета сферического облака лазерной плазмы в вакуум с внешним магнитным полем продемонстрировано формирование как прямого плазменного потока со средней скоростью порядка 100 км/c, так и отраженного потока. Плазма полностью вытесняет магнитное поле и формирует диамагнитную каверну, которая затем коллапсирует с аномально высокой скоростью также порядка 100 км/c. Показано, что независимо от степени замагниченности ионов, на фазе коллапса диамагнитной каверны формируется крупномасштабная (порядка диаметра каверны) структура азимутальных полей, связанных с холловскими токами. Определено, что эти токи вносят вмороженное в них ведущее магнитное поле обратно в объем плазмы, чем и объясняется аномальная скорость, с которой протекает коллапс каверны. Показано, что фоновая плазма заметно замедляет коллапс диамагнитной каверны вследствие подавления холловских магнитных полей, причем максимальный эффект достигается при концентрации фона порядка концентрации облака плазмы во время начала коллапса каверны.