Введение к работе
Актуальность темы.
Вопросам ускорения заряженных частиц электромагнитными волнами конечной амплитуды в последние годы уделяется большое внимание, например, в связи с исследованиями механизмов генерации потоков быстрых зарядов в космических и лабораторных условиях С проблема происхождения космических лучей, взаимодействие VLF излучения с земной магнитосферой, возникновение надтепловых немаксвелловских хвостов функции распределения при взаимодействии мощного электромагнитного излучения с плазмой ), возбуждением электромагнитного излучения потоками заряженных частиц, нагревом плазмы электромагнитными волнами большой амплитуды, плазменными ускорителями на высокие энергии и др. Очевидно, что указанная проблема имеет как важное научное, так и практическое значение.
К настоящему времени по этой тематике были проведены обширные теоретические и экспериментальные исследования. Тем не менее, ряд важных вопросов изучен еае недостаточно полно. В частности, требует дополнительного анализа вопрос о динамике длительного удержания и одновременного ускорения частиц, захваченных в потенциальные ямы волн конечной амплитуды с переменными фазовой скоростью и глубиной потенциальной ямы. С математической точки зрения он сводится к исследованию общих закономерностей поведения изображавшей точки на фазовой плоскости для некоторых канонических уравнений
нелинейного осциллятора в нестационарной потенциальной яме. Решение этого вопроса позволяет установить динамику ускорения захваченных частиц, выявить условия эффективной передачи энергии от сильной электромагнитной волны ускоряемым частицам, исследовать бунчировку этих частиц и характер затухания самой ускоряющей волны. Учет неоднородности плазмы и нестационарности волны дает также возможность сформулировать оптимальные условия взаимодействия гэрядов с волной, Этот пробел и восполняется в настоящей диссертации применительно к регулярной динамике взаимодействия волна-частица в неоднородной плазме.
Поскольку аналитическое исследование нелинейных уравнений с переменными коэффициентами весьма затруднительно, наиболее конструктивный подход к данной проблеме состоит в комбинированном аналитико-численном методе исследования. Использование численных методов позволяет, помимо прочего, без существенных затруднений учесть всю гамму дополнительных факторов, например, различные модели неоднородности, радиационное трение, спектральный состав пакета волн и т.д. Основное внимание при этом следует уделять проблеме упрощения базовой системы уравнений, описывающих нелиьейное взаимодействие волна-частица в неоднородной плазме, выбору адекватных моделей неоднородности, численных методов решения и исходных параметров задачи, наиболее подчеркивающих эфффекты неоднородности.
Выполненные в диссертации исследования весьма важны как с Фундаментальной, так и с прикладной точек зрения для плазменных методов ускорения заряженных частиц, взаимодействия
вистлеров с земной магнитосферой, просветления волновых барьеров, радиотехнических систем связи, пучково-плазменного взаимодействия и т.д.
Цель работы
Целью представленной работы является теоретическое исследование С с упором на численное интегрирование нелинейных уравнений с переменными коэффициентами ) условий длительного удержания заряженных частиц, захваченных в потенциальные ямы электромагнитных волн конечной амплитуды, фазовых колебаний и релятивистского ускорения этих частиц и одновременного затухания волн в неоднородной плазме. Выбор параметров задачи и моделей неоднородности плазмы соответствует лабораторным и космическим условиям и направлен на выявление принципиальных физических эффектов в регулярной динамике взаимодействия электромагнитных волн конечной амплитуды с захваченными частицами.
Личный вклад автора.
Автор непосредственно участвовал в проведении аналитических расчетов при сведении задачи ускорения зарядов к исследованию нелинейного осциллятора в эффективной нестационарной потенциальной яме с трением. Все численные расчеты нелинейной динамики черенковского взаимодействия захваченных частиц с электромагнитной волной в неоднородной плазме выполнены автором диссертации.
Новизна работы.
Материалы диссертации обладают достаточно высокой науч-
_ 4 -
ной новизной, главные элементы которой состоят в следующем.
1. Аналитически и численно установлены закономерности
динамики удержания захваченных релятивистских частиц в по
тенциальной яме, создаваемой сильной электромагнитной волной
в неоднородной плазме С методом многомасштабных разложений
получены упрощенные нелинейные уравнения и на их основе изу
чена динамика фазовых колеЗаний частиц, захваченных в поле
волны с заданной амплитудой и с переменной фазовой скорос
тью, получены условия длительного и, в принципе, неограни
ченного удержания захваченных частиц в эффективной потенциа
льной яме с учетом неоднородности плазмы и внешнего магнит
ного поля ).
2. Изучены режимы ультрарелятивистского ускорения захва
ченных частиц нестационарной электромагнитной волной с за
данным полем в слабонеоднородной плазме ( получены условия
ультрарелятивистского ускорения захваченных частиц, выведены
формулы для оценки предельных энергий ускоренных частиц,
сформулированы условия на неоднородность плаэьш и внешнего
магнитного поля, при которых возможно неограниченное ускоре
ние, изучено ускорение волновыми пакетами конечного прост
ранственного размера и его зависимость от соотношения между
фазовой и групповой скоростями волн, исследованы также
автомодельные режимы ультрарелятивистского ускорения захва
ченных частиц ).
3.Изучена самосогласованная динамика ультрарелятивистского ускорения захваченных частиц и, связанного с ним, одновременного затухания продольной волны, в слабонеоднородной изотропной плазме и классифицированы воомоюше режимы зату-
хания ускоряющей волны.
-
Численно изучено влияние радиационного трения на серфинг зарядов в магнитном поле.
-
Исследовано.ускорение зарядов поперек внешнего магнитного поля при взаимодействии сильной электромагнитной волны с многокомпонентными потоками частиц, когда одновременно идут процессы ускорения одних и торможения других групп частиц.
Практическая ценность работа.
-
Разработан метод анализа фазовых колебаний захваченных частиц в нестационарных потенциальных ямах, движущихся с переменной фазовой скоростью, основанный на сведения исходной проблемы к задаче о нелинейном осцилляторе в эффективном потенциале с трением. Развитая методика может быть использована в теоретических и прикладных задачах многих отраслей физики плазмы, ионосферы и магнитосферы в ИКИ РАН, ЮМИРАН, ИОФ РАН, физическом институте им. П.Н.Лебедева РАЯ, ШФ РАН и других организациях при анализе нелинейного взаимодействия зарядов с электромагнитными волнами конечной амплитуды в неоднородной плазме применительно к проблемам ускорения частиц, генерации электромагнитного излучения, нагрева плазмы и т.д. Разработанные упрощенные физические модели могут служить основой для прогноза распространения электромагнитных волн в ионосфере и магнитосфере и при анализе ускорения частиц электромагнитными волнами в плазме.
-
Получены аппроксимационные формулы, которые могут быть использованы для оценки параметров ускоренных частий я
затухания волн при ультрарелятивиотском ускорении зарядов.
-
Аналитически установлены и подтверждены численными рачетами условия, при которых возможны автомодельные режимы ультрарелятивистского ускорения заряженных чаотиц сильной продольной волной в слабонеоднородной изотропной плазме.
-
Численными расчетами доказано, что радиационное трение не может остановить неограниченное ускорение релятивистских зарядов продольной волной с заданной амплитудой при серфинге частиц поперек внешнего магнитного поля.
-
На основе численных расчетов показана возможность перекачки энергии между различными группами многокомпонентного потока заряженных частиц в присутствии продольной электромагнитной волны конечной амплитуды.
Полученные результаты необходимо учитывать при проведении экспериментов по релятивистскому ускоренно зарядов плазменными волнами, а также при анализе экспериментальных данных по генерации хвостов быстрых частиц сильными электромагнитными волнами в неоднородной плазме.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладавались на IV и V Международных рабочих группах по нелинейным и турбулентным процессам в физике ( Киев, 1989 ; Потсдам (США) 1991 ), на Международном симпозиуме по крупномасштабным нелинейным структурам в непрерывных средах С Пермь-Москва, 1990 3, на Международной конференции по ускорителям на высокие энергии ( Гамбург, 1992 ), на Международной рабочей группе по сильным микроволнам в плазме ( Суздаль. 1992 ). а также на
XXVII научной конференции факультета ФМ и ЕН УДН им. П.Лумум-бы С 1991 ), на семинарах в ФИАН и ИКИ РАН.
Структура и обьем работы.
Работа содержит Введение, три главы основного материала. Заключение и список цитированной литературы общим объемом 120 страниц машинописного текста.
