Введение к работе
-3-I.
Актуальность теш. Данная диссертация посвящена изучению распространения электромагнитных пучков, в плавнонеодаородной незамагниченной , слабостолкновительной '.плотной плазме. Распространение электромагнитных волн в плазме является одним из традиционных разделов 'физики плазмы. Неослабевающий интерес к этой проблеме связан как с ее большим прикладным значением (лазерный термоядерный синтез, СВЧ-прогрев плазмы, распространение радиоволн в ионосферной и космической плазме и т.д.), так и с исключительным разнообразием линейных и нелинейных эффектов, возникащих при распространении электромагнитных волн в плазме.
Сложность протекающих в плазме процессов приводит к тому, что наиболее изученными теоретически обычно оказываются одномерные модели, соответствующие распространению плоской волны в одномерно-неоднородной (или однородной) плазме. При экспериментальном же изучении распространения элэктромагнитных волн в плазме ситуация часто оказывается неодномерной как с точки зрения волны (используются волновые пучки, а не плоские волны), так и с точки зрения плазмы (не всегда плазму можно считать одномерно-неоднородной). В результате экспериментально наблюдаемая картина определяется сложным переплетением собственно плазменных эффектов, обусловленных взаимодействием плазмы и волны на "микроскопическом" уровне, и развивающихся на фоне этих плазменных эффектов волновых процессов, связанных с отражением.рефракцивй и дифракцией электромагнитных пучков в плазме.
Целью работы является изучение вопроса о том, как именно влияет на распространение волны в плазме неодномерность геометрии волны и плазмы. Решение этой задачи осуществляется в основном аналитически в простейших (с точки зрения физики плазмы) предположениях, то есть в рамках. модели эффективной диэлектрической проницаемости плазмы [I]. Поскольку распространение электромагнитных волн в плазме с плотностью ниже критической является хорош изученной задачей классической теории дифракции, то основное внимание уделяется исследованию отражения
электромагнитной волны от плотной плазмы и возбуждения резонансного электрического поля на критической поверхности плазмы [1,2].
Задачи исследования. Достижение цели исследования осуществлялось последовательным решением следующих задач:
-
Проведено обобщение широко используемого в одномерной квазиклассике метода комплексных траекторий [3] (метода фазовых интегралов) на квазиоптическое приближение. Решение этой задачи позволило построить замкнутую квазиоптичаскую теорию распространения скалярных волновых пучков в плоскослоистой плавнонеоднородной среде без поглощения. Полученные при решении этой задачи результаты имеют самостоятельное значение (в случае, когда векторная природа электромагнитной волны, распространяющейся в плазме, несущественна), а также используются в качестве методической основы для решения более сложных (векторных) задач.
-
На основе полученных в предыдущем пункте результатов проведено изучение распространения электромагнитного пучка в плавнонеоднородной плоскослоистой слабостолкновительной плазме с максимальной плотностью, превышающей критическую. Решение этой задачи позволяет проследить, как именно влияет неодномерность падающей на плазменный слой волны на ее распространение и на возбуждаемое ею на критической поверхности резонансное электрическое поле.
-
Проведено изучение резонансного и обратно-тормозного поглощения электромагнитного пучка в сферически-неоднородном плазменном сгустке. Решение этой задачи позволяет выяснить, как именно изогнутость критической поверхности плазмы влияет на возбуждаемое на этой поверхности резонансное поле.
-
Проведено обсуждение некоторых линейных и нелинейных механизмов ограничения резонансного поля на критической поверхности плазмы, связанных с пространственной (неодномерность) или временной (немонохроматичность) неоднородностью падающей на плазму электромагнитной волны.
'' Научная новизна. Впервые предложено и обосновано применение метода комплексных траекторий в квазиоптике.
Впервые на квазиоптическом уровне точности проведен
-5-аналитический расчет отражения параксиального электромагнитного пучка от плавного одномерно-неоднородного плазменного слоя, а также расчет поперечного распределения резонансного электрического поля, возбуждаемого при этом на критической поверхности плазменного слоя.
Впервые введено понятие комплексного -эффекта Гооса-Хенхен и показано, что мнимый сдвиг Гооса-Хенхен играет существенную роль как при отражении электромагнитного пучка от плазменного слоя, так и при возбуждении этим пучком резонансного электрического поля на критической поверхности плазменного слоя.
Впервые получены простые аналитические формулы, позволяющие свести расчет поперечного распределения резонансного поля, возбувдаемого электромагнитным пучком на сферической критической поверхности сгустка плотной слабостолкновительной плазмы к двухкратным квадратурам (при произвольном профиле пучка). Получены простые расчетные формулы для интегрального коэффициента резонансного и обратно-тормозного поглощения пучка.
Впервые проведен аналитический расчет пространственно-временной структуры резонансного поля вблизи критической поверхности плазменного слоя в процессе установления стационарного распределения резонансного поля.
Впервые рассмотрен доплеровский механизм ограничения резонансного поля на критической поверхности движущегося плазменного слоя.
Автор защищает:
1-предложенный метод анализа отражения волновых пучков в рамках скалярной квазиоптики.
2-предложенный метод расчета отраженного от плоской критической поверхности поля и возбуждаемого на плоской критической поверхности резонансного поля.'
3-предложенный метод расчета резонансного электрического поля, возбуждаемого на сферической критической поверхности параксиальным электромагнитным пучком.
4-приведенше в диссертации формулы для коэффициентов резонансного и обратно-тормозного поглощения электромагнитного пучка сферическим сгустком слабостолкновительной плазмы, а также результаты проведенных по этим формулам расчетов.
5-резулътаты расчета процесса установления стационарного распределения резонансного поля на критической поверхности плазменного слоя.
6-нолучбнные оценки для доплеровского механизма ограничения резонансного поля на критической поверхности движущегося плазменного слоя, а такке для -магнитного поля, возбуждаемого вблизи критической поверхности падающим на слой электромагнитным пучком.
Научная и практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях по лазерному термоядерному синтезу и по СВЧ-прогреву плазмы.
Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на viii Всесоюзном семинаре но параметрической турбулентности и нелинейным явлениям в плазме (г. Москва, 1Э84 г.), на Семинаре по дифракции и распространению волн-ИРЭ АН СССР (г. Москва, 1985 г.), на IX Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (г. Телави, 1985 г.), на xv Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (г. Алма-Ата» 1987 г.), на Г Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (г. Винница, 1990 г.), на семинарах Лаборатории высокотемпературной плазмы ' ФТИ им. А-Ф.Иоффе (Санкт-Петербург, 1994-1995 г.Г.).
Основные материалы диссертации опубликованы' в журнальных статьях и трудах научных конференций, список которых приведен:.,б конце автореферата.
Объем к структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и четырех приложений. Содержание изложено на 281" странице (без учета приложений), включая 45 рисунков, I таблицу- и список литературы из 214 наименований.
