Введение к работе
Теоретический интерес к проблемам действия на вещество электромагнитного поля с амплитудой большей, чем внутриатомная1 существовал с начала 30-х годов. В практическую плоскость этот интерес перешел около десяти лет назад после создания лазерных установок, генерирующих в максимуме импульса излучения поле со сравнимой или большей амплитудой.
Актуальность исследований процессов взаимодействия мощного
электромагнитное поля с веществом, в том числе многочасигчных и
коллективных, которые составили предмет настоящей работы,
обусловлена, в первую очередь, рядом совершенно новых физических
явлений, составляющими суть этого взаимодействия. Такие
экспериментально наблюдаемые физические объекты, как канал,
свободный от электронов, образованный при самофокусировке и
самоканалировании излучения, вообще не встречались ранее, так как
не существуют в природе, а искусственно создаными прежде быть не
могли. Процессы взаимодействия поля с веществом нетормозной и
нетуннельной природы, хотя и имеют аналога (процесс стохастической
генерации гармоник, рассмотренный во второй главе, по существу
представляет из себя однуляторное излучение в стохастическом
ондуляторе), но настолько специфичны именно для сильного поля, что
актуальность их рассмотрения также несомненна, как и актуальность
собственно коллективных процессов в сильном поле - таких, как
гидро- и термодинамика плазмы при удержании и/или в
структуированном Z-пинче, различных двух- и многочастичных
процессов. Это обусловлено, в первую очередь, возможностью
создания резко неравновесных сред. Процессы, которые могут идти в
гаких средах - реакция термоядерного синтеза в малом объеме в
течении достаточно длительного времени, торможение-ускорение
электронов вихревым электрическим полем структурированного -пшна, упоминавшееся излучение типа генерации гармоник и другие в иных условиях просто невоспроизводимы. Соответственно, и
Обычно под внутриатомным понимают поле протона, создаваемое им на исстоянии первого Боровского радиуса. Это поле также часто шенуют сильным и (сверх)мощным.
физика их довольно сильно отличается от той, которая работает при взаимодействии.!! более слабых электромагнитных полей с веществом. Поэтому весьма важно было установить адекватные физические модели рассматриваемых процессов и исследовать их аналитически и численно. Полученные в результате подобных расчетов разумные количественные оценки являются главным основанием для развертывания уже широкомасштабных экспериментальных исследований.
Дополнительным свидетельством актуальности исследований взаимодействия сильного поля с веществом служит рост числа лазерных установок, генерирующих сильное поле. Если в конце 80-х годов их было две, то сейчас во всем мире их насчитывается несколько десятков, и количество это продолжает расти. Часть свехбольших лазерных установок ("Нова" в США, "Вулкан" в Англии и другие) частично переводятся в режим генерации коротких импульсов сильного поля. В орбиту исследований вовлекаются все новые объекты: уже несколько научных групп планируют экспериментально исследовать возбуждение ядер сильным лазерным полем, и тд.
Исследования многочастичных и коллективных процессов в микрополях актуальны как в астрофизике (уточняют скорости ядерных слияний внутри звезд, что может существенно повлиять на временную картину звездной эволюции), так и ео вполне земной спектроскопии плазмы различной природы. В частности, исследования магнитного микрополя актуальны для неравновесной плазмы, где оно может быть (аномально) велико и стабильно. Это приведет к значительному изменению части процессов, протекающих в такой плазме: уширению спектральных линий излученя ионов, трехчастичной рекомбинации, и других.
Целью диссертационной работы являлось теоретическое
исследование коллективных взаимодействий сильного
электромагнитного поля с веществом: гидро- и термодинамики плазмы под действием сильного поля, а также двух- и многочастичных элементарных процессов в плазме в присутствии такого поля. Основное внимание было уделено тем эффектам, наблюдение которых возможно на имеющихся экспериментальных установках на фоне уже известных явлений.
Научная новизна. Впервые исследована задача удержания плазмы
мощным лазерным излучением с целью создания активных сред
плазменных лазеров и управляемого термоядерного синтеза, а также
задача структурирования самостягивающегося плазменного разряда
стоячей электромагнитной волной. Предсказаны и описаны новые
физические эффекты взаимодействия вещестш с сильным
электромагнитным полем: вынужденная генерация электромагнитного
ондуляторного излучения структурированным Z-пинчом, ионизация и
возбуждение атомов ударами осциллирующих электронов, хаотическая
генерация гармоник, изменение амплитуды и спектра томсоновского
рассеяния (в циркулярно-поляризованном поле), возбуждение ядер и
другие, Б физически наиболее интересном случае линейно-
поляризованного лазерного излучения установлена функция
распределения скоростей электронов, которые они имеют в момент
соударения с ионами. Впервые исследовано динамическое влияние
электрического микрополя плазмы на процесс слияния ядер и
трехчастичную электрон-ионную рекомбинацию. Установлено
распределение магнитного микрополя в неравновесной плазме.
Практическая ценность. Развитая теория удержания и нагрева плазмы в замкнутой и полузамкнутой полости, образованной мощными лазерными пучками, открывает совершенно новые возможности для реализации процесса управляемого термоядерного синтеза (УТС). Энергетический порог в развитой схеме УТС намного ниже, чем в разрабатываемых схемах инерциалыюго лазерного и магнитного УТС. Развитая теория структуирования Z-пинча стоячей электромагнитной волной суть новая схема продольного электронного ондулятора, что позволяет создать на его основе компактный лазер на свободных электронах в диапазоне длин волн вплоть до мягкого рентгеновского.
Ионизация ударами осциллирующих в сильном поле электронов должна учитываться при определении ионного состава плазмы и ее температуры вместе с другими механизмами. Процессы стохастической генерации гармоник, уменьшения сечения Томсоновского рассеяния и прямого возбуждения ядер составляют новые принципы диагностики сильного поля в веществе. Эта диагностика может быть использована при интерпретации экспериментов как дополнительный канал независимых измерений, а в ряде случаев - и как основной.
Влияние электрического микрополя практически важно учитыва-при расчете и интерпретации процессов ядерных, слияний внутр звезд, а также при трехчастичной электрон-ионной рекомбинаци Магнитное микрополе в неравновесной плазме может дава: значительный, а, зачастую, и главный, вклад в уширеш спектральных линий коков, особенно при электронных переходах б< изменения главного квантового числа.
Защищаемые положения.
1. Предложение об удержании плотной горячей плазмы (в том числе
плотностью много больше критической) пондеромоторной сило
лазерного излучения в компактной замкнутой или полузамкнуто
полости, сформированной мощными лазерными пучками. Компенсації
давления горячей плазмы внутри полости, сформированной лазерным:
пучками, происходит за счет реактивной силы при вытекании част:
плазмы "сквозь" лазерные пучки. Время удержания плазмі
пондеромоторной силой может значительно превышать врем,
инерциального удержания.
2. Критерий устойчивости удержания горячей плотной nna3Mf
пондеромоторной силой мощного лазерного излучения. Показано, чп
устойчивость определяется самофокусировкой этого излучепш
Установлены требования, налагаемые на интенсивность лазерной
излучения, при выполнении которых процесс удержания устойчив.
3. Динамика Z-пинча, в котором соосно существует стоячая волн;
электромагнитного поля. Эта динамика определяется неустойчивостьн
типа перетяжки, возникающей в узлах стоячей волны, и соотношением
электрического поля стоячей волны и магнитного поля пинча. Пр*
достаточной амплитуде стоячей световой волны возникает регулярная
структура с чередующимися областями сжатия и расширения Z-пинча
Вихревое электрическое поле такого пинча оказывается
модулированным вдоль его оси, что создает эффект продольногс
ондулятора для дрейфовых электронов или для внешнего пучка
электронов, вводимого в такой пинч соосно.
4. Определение диапазона интенсивпостей лазерного излучения и
параметров плазмы, при которых происходит эффективная ионизация и
возбуждение осциллирующими электронами, ранее оторванными от этого
же атома.
5. Эффект динамического ускорения термоядерных реакций вследствие
существования электрических микропояей в плазме. Этот эффект может
объяснить отличие скоростей термоядерных реакций внутри звезд от
скоростей, вычисленных по закоігу Гамова.
Увеличение среднего магнитного микрополя в горячей неравновесной плазме но сравнению с соответствующим микрополем в равновесной плазме, рассчитанным по закоігу Хольтсмарка.
6. Предложения о применении развитой в диссертации теории
многочастичных и коллективных взаимодействий сильного поля с
веществом для:
достижения условий термоядерного синтеза в дейтериево-тритиевой плазме, удерживаемой лазерным излучением, при энергиях значительно меньших, чем необходимо для инерциального термоядерного синтеза;
создания активной среды рентгеновских лазеров с ударной накачкой на основе плазмы тяжелых ионов, удерживаемой пондеромоторной силой;
создания эффективного компактного лазера на свободных электронах с длиной волны генерации в диапазоне длин волн вплоть до мягкого рентгеновского на основе Z-пинча, структурированного пондеромоторной силой соосной стоячей электромагнитной волны.
Апробация работы и публикации. Основные материалы диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку специалистов на международных конференциях:
- по когерентной и нелинейной оптике (Минск, 1988);
- "LASER'S-90" (Сан-Диего, США, 1990) и "LASER'S-93" (Лейк-Тахо,
США, 1993);
- 11-ом (ЙоркАнглия, 1990), Ш-ем (Шлирзее, Германия, 1992),
lY-ом (Вильямсбург, США, 1994) Коллоквиумах по рентгеновским
лазерам и Y-ой Конференции по рентгеновским лазерам (Лунд, Швеция,
1996);
- по коротковолновым лазерам и их применению (Самарканд, 1990);
по коротковолновому излучению и его применениям (Звенигород, 1994);
24-ой Европейской конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Берхтесгадеи, Германия, 1997);
6-ом международном симпозиуме по лазерной физике (Прага, Чехия, 1997).
Материалы диссертации докладывались также на семинарах отдела колебаний и отдела когерентной и нелинейной оптики ИОФАН, квантовой радиофизики ФИАН, на физическом факультете МГУ и ряде других научных учреждений, в т.ч. зарубежных. Основное содержание диссертации опубликовано в 25 работах (1 тезисе доклада, 23 статьях и 1 книге).
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, раздела "Основные выводы и результаты диссертации" и списка цитированной литературы. Объем диссертации - 289 страниц, включая 34 рисунка, 1 таблицу и список литературы из 267 библиографического наименования.
