INFLUENCE OF A UNIFORM MAGNETIC FIELD ON THE GENERATION OF STRONG SMALL-SCALE MAGNETIC FIELDS DURING THE INJECTION OF A PLASMA WITH HOT ELECTRONS INTO AN INHOMOGENEOUS COLD PLASMA LAYER

V. V. Kocharovsky; Кочаровский В. В.; M. A. Garasev; Гарасёв М. А.; E. V. Derishev; Деришев Е. В.; A. A. Nechaev; Нечаев А. А.; A. N. Stepanov; Степанов А. Н.

doi:10.31857/S2686740023030094

ВЛИЯНИЕ ОДНОРОДНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ГЕНЕРАЦИЮ СИЛЬНЫХ МЕЛКОМАСШТАБНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИНЖЕКЦИИ ПЛАЗМЫ С ГОРЯЧИМИ ЭЛЕКТРОНАМИ В НЕОДНОРОДНЫЙ СЛОЙ ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ

Авторы: Кочаровский В.В.¹, Гарасёв М.А.¹, Деришев Е.В.¹, Нечаев А.А.¹, Степанов А.Н.¹
Учреждения:
1. Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук
Выпуск: Том 510, № 1 (2023)
Страницы: 22-29
Раздел: ФИЗИКА
URL: https://journals.rcsi.science/2686-7400/article/view/135931
DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740023030094
EDN: https://elibrary.ru/OYUOUZ
ID: 135931

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Проведено численное моделирование инжекции плазмы с горячими электронами в тонкий слой холодной плазмы в присутствии внешнего магнитного поля и показано, что оно может значительно влиять на возникающие мелкомасштабные токовые филаменты и слои, даже если не замагничивает частицы и в целом не изменяет динамику перераспределения общей концентрации плазмы в процессе инжекции. Обнаруженное влияние зависит от ориентации внешнего магнитного поля, параллельного плоскости, ограничивающей слой холодной плазмы, если инжекция происходит из узкой полосы, лежащей на этой плоскости. В указанной ситуации, отвечающей абляции плоской мишени пучком излучения фемтосекундного лазера с использованием цилиндрической фокусировки, исследована эволюция характерных структур формируемого мелкомасштабного магнитного поля. Установлено, что его генерация связана с неустойчивостями анизотропного распределения электронов по скоростям, а величина может во много раз превышать величину внешнего магнитного поля.

Ключевые слова

лазерная абляция, бесстолкновительная плазма, инжекция электронов, вейбелевская неустойчивость, магнитное поле

Список литературы

Sagdeev R.Z. Cooperative Phenomena and Shock Waves in Collisionless Plasmas // Reviews on Plasma Physics. V. 4. N.Y.: Consultants Bureau, 1966. P. 23.
Medvedev Y.V. Evolution of a density disturbance in a collisionless plasma // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2014. V. 56. P. 025005. https://doi.org/10 1088/0741-3335/56/2/025005
Albertazzi B., Chen S.N., Antici P., Boker J., Borghesi M., Breil J., Dervieux V., Feugeas J.L., Lancia L., Nakatsutsumi M., Nicolaı P., Romagnagni L., Shepherd R., Sentoku Y., Starodubtsev M., Swantusch M., Tikhonchuk V.T., Willi O., d’Humieres E., Pepin H., Fuchs J. Dynamics and structure of self-generated magnetics fields on solids following high contrast, high intensity laser irradiation // Physics of Plasmas. 2015. V. 22. № 12. P. 123108. https://doi.org/10.1063/1.4936095
Shaikh M., Lad A.D., Jana K., Sarkar D., Dey I., Ravindra Kumar G. Megagauss magnetic fields in ultra-intense laser generated dense plasmas // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2017. V. 59. № 1. P. 014007. https://doi.org/10.1088/0741-3335/59/1/014007
Zhou S., Bai Y., Tian Y., Sun H., Cao L., Liu J. Self-organized kilotesla magnetic-tube array in an expanding spherical plasma irradiated by kHz femtosecond laser pulses // Phys. Rev. Lett. 2018. V. 121. 255002. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.255002
Shukla N., Schoeffler K., Boella E., Vieira J., Fonseca R., Silva L.O. Interplay between the Weibel instability and the Biermann battery in realistic laser-solid interactions // Physical Review Research. 2020. V. 2. № 2. 023129. https://doi.org/10.1103/physrevresearch.2.023129
Ngirmang G.K., Morrison J.T., George K.M., Smith J.R., Frische K.D., Orban C., Chowdhury E.A., Mel Roquemore W. Evidence of radial Weibel instability in relativistic intensity laser-plasma interactions inside a sub-micron thick liquid target // Scientific Reports. 2020. V. 10. P. 9872. https://doi.org/10.1038/s41598-020-66615-4
Степанов А.В., Зайцев В.В. Магнитосферы активных областей Солнца и звезд. М.: Физматлит, 2018. 388 с.
Dudık J., Dzifcakova E., Meyer-Vernet N., Zanna G.D., Young P.R., Giunta A., Sylwester B., Sylwester J., Oka M., Mason H.E., Vocks C., Matteini L., Krucker S., Willi-ams D.R., Mackovjak S. Nonequilibrium Processes in the Solar Corona, Transition Region, Flares, and Solar Wind (Invited Review) // Solar Physics. 2017. V. 292. P. 100. https://doi.org/10.1007/s11207-017-1125-0
Srivastava A.K., Mishra S.K., Jelınek P., Samanta T., Tian H., Pant V., Kayshap P., Banerjee D., Doyle J.G., Dwivedi B.N. On the Observations of Rapid Forced Reconnection in the Solar Corona // ApJ. 2019. V. 887. P. 137. https://doi.org/10.3847/1538-4357/ab4a0c
Kakad A., Lotekar A., Kakad B. First-ever model simulation of the new subclass of solitons “Supersolitons” in plasma // Physics of Plasmas. 2016. V. 23. P. 110702. https://doi.org/10.1063/1.4969078
Pusztai I., TenBarge J.M., Csapo A.N., Juno J., Hakim A., Yi L., Fulop T. Low Mach number collisionless electrostatic shocks and associated ion acceleration // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2018. V. 60. P. 035004. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aaa2cc
Patel B.G., Behera N., Singh R.K., Kumar A., Das A. A 3D magnetohydrodynamic simulation of the propagation of a plasma plume transverse to applied magnetic field // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2021. V. 63. P. 115020. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac2617
Malkov M.A., Sagdeev R.Z., Dudnikova G.I., Liseykina T.V., Diamond P.H., Papadopoulos K., Liu C.-S., Su J.J Ion-acoustic shocks with self-regulated ion reflection and acceleration // Physics of Plasmas. 2016. V. 23. P. 043105. https://doi.org/10.1063/1.4945649
Нечаев А.А., Гарасёв М.А., Степанов А.Н., Кочаровский Вл.В. Формирование слоя уплотнения в бесстолкновительной электростатической ударной волне при расширении горячей плотной плазмы в холодную и разреженную // Физика плазмы. 2020. Т. 46. № 8. С. 694–713. https://doi.org/10.31857/S0367292120080053
Нечаев А.А., Гарасёв М.А., Кочаровский В.В., Кочаровский В.В. Вейбелевский механизм генерации магнитного поля при расширении сгустка бесстолкновительной плазмы с горячими электронами // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. 2019. Т. 62. № 12. С. 932–952.
Степанов А.Н., Гарасёв М.А., Кочаровский В.В., Кочаровский В.В., Нечаев А.А. Формирование и разлет токовых филаментов при распаде цилиндрической области плазмы с горячими электронами, нагретыми у поверхности раздела холодной плазмы и вакуума // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. Вып. 3. С. 325–330. https://doi.org/10.31857/S0040364422020089
Ivanov K.A., Shulyapov S.A., Ksenofontov P.A., Tsymbalov I.N., Volkov R.V., Savel’ev A.B., Brantov A.V., Bychenkov V.Y., Turinge A.A., Lapik A.M., Rusakov A.V., Djilkibaev R.M., Nedorezov V.G. Comparative study of amplified spontaneous emission and short pre-pulse impacts onto fast electron generation at sub-relativistic femtosecond laser-plasma interaction // Physics of Plasmas. 2014. V. 21. № 9. P. 093110. https://doi.org/10.1063/1.4896348
Borghesi M., MacKinnon A.J., Bell A.R., Gaillard R., Willi O. Megagauss magnetic field generation and plasma jet formation on solid targets irradiated by an ultraintense picosecond laser pulse // Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81. P. 112. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.112
Chatterjee G., Singh P.K., Robinson A.P.L., Blackman D., Booth N., Culfa O., Dance R.J., Gizzi L.A., Gray R.J., Green J.S., Koester P., Kumar G.R., Labate L., Lad A.D., Lancaster K.L., Pasley J., Woolsey N.C., Rajeev P.P. Micron-scale mapping of megagauss magnetic fields using optical polarimetry to probe hot electron transport in petawatt-class laser-solid interactions // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 8347. https://doi.org/10.1038/s41598-017-08619-1
Stepanov A.N., Garasev M.A., Kocharovsky V.V., Kory-tin A.I., Mal’kov Yu.A., Murzanev A.A., Nechaev A.A. Generation of magnetic fields behind the front of an electrostatic shock wave in a laser plasma / Proc. Int. Conf. Laser Optics 2018 (ICLO 2018). St. Petersburg, Russia, 4–8 June 2018. IEEE. 2018. P. 242. https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435840
Stepanov A.N., Garasev M.A., Kocharovsky Vl.V., Korytin A.I., Murzanev A.A., Nechaev A.A., Kartashov D.V., Samsonova Z.A. Investigation of the instabilities of an expanding plasma created during ablation of solid targets by intense femtosecond laser pulses / Proc. 2020 Int. Conf. Laser Optics (ICLO). St. Petersburg, Russia, 2–6 November, 2020. IEEE. 2020. P. 213. https://doi.org/10.1109/ICLO48556.2020.9285395
Arber T.D., Bennett K., Brady C.S., Lawrence-Douglas A., Ramsay M.G., Sircombe N.J., Gillies P., Evans R.G., Schmitz H., Bell A.R., Ridgers C.P. Contemporary particle-in-cell approach to laser-plasma modelling // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2015. V. 57. P. 113001. https://doi.org/10.1088/0741-3335/57/11/113001
Plechaty C., Presura R., Wright S., Neff S., Haboub A. Penetration of plasma across a magnetic field // Astrophys. Space Sci. 2009. V. 322. P. 195–199. https://doi.org/10.1007/s10509-009-9997-6
Forestier-Colleoni P., Batani D., Burgy F., Sorbo D.D., Froustey F., Hulin S., d’Humi`eres E., Jakubowska K., Merzeau L., Mishchik K., Papp D., Santos J.J. Space and time resolved measurement of surface magnetic field in high intensity short pulse laser matter interactions // Physics of Plasmas. V. 26. 2019. P. 072701. https://doi.org/10.1063/1.5086725