Particle-In-Cell: как сделать Dream Beam из пузырька

Известно, что в науке не все удачные идеи получают признание легко и непринуждённо. Некоторым из них приходится долгое время пылиться где-то на задворках, ожидая своего звёздного часа. Именно так случилось с одним из самых мощных методов современной физики взаимодействия лазерного излучения с веществом, методом моделирования плазмы частицами в ячейках (так называемым методом Particle-In-Cell или просто PIC-методом).

Метод Particle-In-Cell известен относительно давно. Он был впервые предложен ещё в середине 50-х годов XX века в работах американского учёного Харлоу и его сотрудников. Метод более или менее успешно использовался для анализа различных задач газодинамики, постепенно развивался, обрастал соответствующей теорией, выпускались научные статьи, монографии и учебные курсы. PIC-метод со временем становился рутиной в работе многих учёных.

В начале 90-х годов на стыке лазерной физики и физики плазмы появилось новое активно развивающееся направление — физика взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Хорошо известный и проработанный к этому времени PIC-метод, однако, практически не использовался работавшими в новом направлении исследователями. Господствовало убеждение, что метод недостаточно хорош для их задач, обладая невысокой точностью. И хотя отдельные работы использовали PIC-метод в тех или иных целях, безусловное преимущество отдавалось аналитическим результатам, полученным обычными математическими методами.

В середине 90-х годов в Европу из России приехал молодой кандидат наук Александр Пухов и привёз с собой собственноручно написанную программу, реализующую метод частиц в ячейках для задач взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой (сейчас эта программа известна как Virtual Laser Plasma Lab, VLPL). У молодого учёного была твёрдая убеждённость в том, что данный метод является одним из самых мощных инструментов в арсенале физиков и обладает предсказательной силой, сравнимой с лучшими аналитическими методами. Однако доказать это научному сообществу, разрушив сложившиеся стереотипы, было непросто.

Александр Пухов, ныне профессор Института теоретической физики в Дюссельдорфе
Александр Пухов, ныне профессор Института теоретической физики в Дюссельдорфе

Под руководством голландского физика Юргена Мейер-тер-Вена Пухов выпустил несколько работ весьма неплохого качества, однако для демонстрации силы PIC-метода этого было недостаточно. Был нужен действительно уникальный результат, который было бы невозможно получить другими методами. И учёному улыбнулась удача.

Одной из актуальных задач современной физики взаимодействия лазерного излучения с плазмой является проблема ускорения электронных сгустков. Лазерный импульс, распространяясь в прозрачной плазме, возбуждает позади себя плазменную волну, подобно тому, как возбуждают кильватерные волны корабли, идущие по воде. Эти волны так и называются — кильватерные плазменные волны. Интересно, что эти волны могут быть использованы для ускорения некоторой части электронов до очень высоких энергий. Механизм такого ускорения похож на механизм ускорения сёрфера на гребне волны. Подобные ускорители в перспективе могут заменить традиционные многокилометровые и очень дорогие линейные ускорители электронов. Лазерные ускорители отличаются компактностью и, как следствие, значительно более низкой стоимостью.

И вот, проводя рутинные расчёты по моделированию процесса распространения короткого лазерного импульса в прозрачной плазме, Пухов неожиданно для себя обнаружил совершенно новый режим взаимодействия. В этом режиме не возбуждалась плазменная волна в привычном виде. Вместо этого позади лазерного импульса наблюдалась плазменная структура, по форме напоминающая пузырёк. По этой причине новый режим получил название bubble-режима. Отличительным свойством нового режима являлось то, что ускоренные в нём электроны обладали замечательным свойством — их энергии были практически одинаковыми, в то время как в традиционном режиме электронный пучок получался с очень широким энергетическим спектром.

Так выглядит характерный bubble (зелёный), получающийся в результате численного моделирования. Красным показан лазерный импульс.
Так выглядит характерный bubble (зелёный), получающийся в результате численного моделирования. Красным показан лазерный импульс.

Поняв, что новый режим является значительно более перспективным по сравнению с режимом плазменной волны, Пухов решил, что новый результат заслуживает публикации в журнале самой высокого качества. Таковым в науке является журнал Nature. Посланная туда статья была, однако, отклонена рецензентами, которые обосновали своё решение тем, что результат был получен исключительно численным методом и не подтверждён аналитическими или тем более экспериментальными результатами. По их мнению, новый режим являлся скорее всего артефактом численного расчёта и не имел отношения к реальности.

Отказал в публикации статьи и первый по рангу физический журнал Physical Review Letters. В конце концов, революционный результат всё-таки увидел свет, но получил прописку в одном из второстепенных журналов. Несмотря на это фиаско, Пухову удалось договориться со знакомыми экспериментаторами о проведении необходимых опытов. Два года напряжённой работы, и вот, в 2004 году на обложке того самого Nature красуется тот самый bubble с говорящим названием Dream Beam. Проведённые эксперименты подтвердили, что результат, полученный PIC-методом, совпадает с реальностью.

Bubble-структура на обложке журнала Nature от 30 сентября 2004 года.
Bubble-структура на обложке журнала Nature от 30 сентября 2004 года.

Этот триумф стал поворотным моментом в изменении отношения научного сообщества к методу Particle-In-Cell. Стало очевидным, что численное моделирование может предсказывать результаты эксперимента не хуже аналитических методов. В то же время провести один, два или даже сто расчётов значительно проще, чем получить удобную для использования формулу. Число учёных, использующих PIC-метод для решения задач взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом, стало резко расти. Появились научные группы, практически исключительно специализирующиеся на усовершенствовании метода частиц в ячейках. И, пожалуй, вершиной признания стала публикация в журнале Nature Physics в 2010 году статьи, полностью основанной на численном расчёте методом Particle-In-Cell.


Этот текст был написан мною для статьи «Численное моделирование плазмы на суперкомпьютерных системах» в журнале «Суперкомпьютеры».

comments powered by Disqus