Суперкомпьютерное моделирование генерации терагерцового излучения при фокусировке мульти-гигаваттных электронных пучков в плазме

Задача генерации ТГц излучения гигаваттного уровня мощности сегодня актуальна для весьма широкого круга фундаментальных и прикладных исследований в физике, химии, биологии и медицине, а также для систем безопасности и ТГц локации. Лидерами в освоении ТГц диапазона частот являются лазеры на свободных электронах, однако необходимость ускорения электронов до ультрарелятивистских энергий влечёт за собой огромные размеры и низкую доступность этих установок. В данном проекте с помощью численного моделирования предполагается исследовать новый подход, основанный на коллективном взаимодействии килоамперных электронных пучков с плазмой. Сочетание компактности и высокой мощности излучения в этом подходе становится возможным благодаря использованию электронов с относительно низкой энергией (1.5-2 МэВ), а также благодаря высокой эффективности их релаксации в плазме. Наши исследования показывают, что возбуждаемые электронным пучком плазменные колебания могут эффективно конвертировать значительную часть своей энергии в электромагнитные (ЭМ) волны, если размер пучково-плазменной системы сопоставим с длиной волны излучения. Килоамперные пучки, способные фокусироваться в пятно с диаметром 1 мм, могут, в частности, производиться на линейном индукционном ускорителе, разработанном в ИЯФ СО РАН, поэтому большой интерес представляет численное моделирование будущего лабораторного эксперимента по инжекции таких мульти-гигаваттных электронных пучков с малым эммитансом в газ или плазму. Современные вычислительные ресурсы позволяют провести моделирование такого пучково-плазменного взаимодействия и сопутствующих эмиссионных процессов в реальном масштабе. В рамках проекта планируется разработать численные модели фокусировки в газ электронного пучка с энергией 1.5-2 МэВ, которые основывается на 2D3V аксиально-симметричной и полной 3D3V кинетической модели с учётом процесса ионизации. А также разработать и реализовать методы диагностики возникающего электромагнитного излучения. Для численного решения основных уравнений будет создан эффективный параллельный код, который реализует высокоэффективные методы решения уравнений движения частиц и уравнений электромагнитных волн в плазме, позволяющие проводить вычисления на современных гибридных вычислительных системах петафлопсного класса (до 10^15 операций в секунду) и задействовать для вычислений несколько тысяч процессорных ядер одновременно. Для приближения к условиям реального эксперимента предлагается учесть в модели ионизацию газа электронным ударом, создать открытые граничные условия, допускающие непрерывную инжекцию электронного пучка в газовую или плазменную среду, а также набор диагностик, позволяющих исследовать характеристики выходящего из фокуса излучения. Полученные в ходе выполнения проекта численные результаты позволят оценить возможность генерации в такой системе ТГц импульсов гигаваттного уровня мощности и выбрать оптимальную схему реализации этого явления в лабораторных экспериментах с линейными индукционными ускорителями в ИЯФ СО РАН.