Введение к работе
Актуальность темы.
Резонансное взаимодействие высокочастотного электромагнитного излучения с заряженными частицами является одним из интересных и важных разделов электродинамики плазмы. С исследованиями в этой области тесно связано развитие работ по управляемому термоядерному синтезу (УТС), электронике СВЧ, физике космической плазмы. Помимо этих достаточно традиционных приложений, в последнее время интерес к резонансному взаимодействию излучения с частицами плазмы стимулируется перспективами использования соответствующих процессов при создании эффективных коллективных ускорителей и в ряде современных плазменных технологий.
Современное развитие физики электромагнитных волн в плазме в значительной мере связано с использованием мощного микроволнового излучения для создания плазмы с высоким энергосодержанием. Привлекательность этого диапазона электромагнитных волн обусловлена возможностью сочетания удобных квазиоптических систем транспортировки и ввода ВЧ мощности в плазму с эффективными механизмами резонансного бесстолкно-вительного поглощения излучения [1-3].
Успехи, достигнутые к настоящему времени в разработке и создании мощных генераторов микроволн [4], делают актуальными исследования ряда проблем нелинейной теории резонансного взаимодействия плазмы с высокочастотными волнами. Такими проблемами, властности, являются нелинейные и квазилинейные режимы электронно-циклотронной (ЭЦ) предыонизации и генерации безындукционного тока в тороидальных системах, ЭЦ-нагрев плазмы в сверхсипьном ВЧ поле импульсных источников — лазеров на свободных электронах (ЛСЭ), формирование высокоэнергичной анизотропной электронной компоненты в амбиполярных и обычных пробкотронах под действием мощной ЭЦ-накачки, пондеромоторное воздействие релятивистски сильных волновых полей в процессах рассеяния волнгв плазме и на ре-
лятивистских электронных потоках. Наложению теоретических результатов, полученных автором в рамках вышеуказанной проблематики, посвящена данная диссертационная работа. Основное внимание уделяется нелинейным режимам энергообмена между излучением и электронами в условиях циклотронного резонанса. Кроме того, в данной работе обсуждаются некоторые методически близкие или сопутствующие физические эффекты (циклотронный резонанс частиц с биениями волн (т.н. комбинационный синхронизм), трансформация волн, пондеромоторное воздействие излучения на плазму или отдельные частицы), которые могут влиять на эффективность тех или иных экспериментальных схем или представляют общефизический интерес. Основными целями работы являлись:
-
Построение нелинейной теории циклотронной диссипации мощных микроволновых пучков в плазме.
-
Исследование квазилинейных эффектов при электронно-циклотронной ионизации и генерации безындукционного тока в крупномасштабных тороидальных системах.
-
Исследование генерации высокоэнергетичной анизотропной электронной компоненты при циклотронном нагреве в прямых системах.
-
Построение Лоренц-инвариантного формализма, описывающего пондеромоторное воздействие релятивистски сильных волновых полей на заряженные частицы.
Научная новиана работы состоит в следующем:
-
Для достаточно широкого круга задач о движении заряженных частиц в резонансных ВЧ полях и трансформации волн в плазме найдена универсальная математическая модель — уравнения нелинейного ротатора.
-
Обнаружен и исследован эффект нелинейной коррекции поляризации нормальных волн в магнитоактивной плазме в
условиях ЭЦ-резонанса. Найдена область параметров, в-ко-торой этот эффект приводит к резкому усилению известной в линейной теории тенденции роста поглощения необыкновенной волны по мере уменьшения плотности плазмы.
-
Проанализирована .возможность использования мощных СВЧ пучков для циклотронного ускорения электронов в плазменном сгустке в режиме автофазировки (фазовой устойчивости) с инерционным удержанием ппазмы вдоль магнитных силовых линий. Обнаружено, что автофазиров-ка в неоднородном магнитном поле может являться основным механизмом нелинейного энергообмена между электронами и широкоапертурными волновыми пучками в условиях ЭЦ-резонанса в токамаках.
-
Найдены аналитические скеилинги, описывающие влияние тороидально запертых частиц и конечных искажений равновесной функции распределения электронов на эффективность генерации ЭЦ-тока увлечения в крупномасштабном токамаке. Теоретически предсказан эффект обращения одной из компонент ЭЦ-тока увлечения (тока Окавы l ) при увеличении показателя преломления излучения.
-
Построена квазилинейная теория ЭЦ-предыонизации в торе-реакторе.
-
Исследован процесс формирования "горячей" электронной компоненты при ЭЦ-нагреве плазмы и пробое газа в проб-котроне. Показано, что основные параметры "горячей" фракции существенно определяются эффектом рассеяния частиц в конус потерь при взаимодействии с монохроматической ЭЦ-накачкой.
-
Получены простые укороченные уравнения, описывающие пондеромоторное воздействие релятивистски сильных вол-
xT.h. "ток Окавы" обусловлен нарушением симметрии электронной функции распределения при переходе части пролетных частиц в область тороидального захвата в процессе ЭЦ-кагрева.
новых полей на заряженные частицы в прозрачной плазме и релятивистских электронных пучках.
8. Исследована специфика обратного эффекта Фарадея 2 в нестационарных ВЧ полях.
Практическая значимость исследований, проведенных в диссертации, определяется широким спектром применений электронно-циклотронного резонанса в современной физике плазмы. Полученные в данной работе результаты могут быть использованы для анализа эффективности использования мощных современных генераторов микроволн как в термоядерных исследованиях, так и в различных технологических приложениях физики плазмы (производство многозарядных ионов, генерация мягкого рентгеновского излучения, разделение изотопов, коллективное ускорение ионов, обработка поверхностей). Результаты, относящиеся к теории трансформации волн в магнитоактивнои плазме могут быть использованы также и в ионосферных исследованиях.
Использование результатов: полученными нами результаты использовались при интерпретации экспериментов по ЭЦ-пробою газа на стеллараторе в ИОФ РАН и в прямых ловушках в ИЯФ СО РАН и ИПФ РАН; проведенные в ходе выполнения этой работы исследования также были использованы при разработке СВЧ комплексов для генерации "дисков" горячих электронов и диагностики в концевых пробкотронах амбиполяр-ной ловушки АМБАЛ-М в ИЯФ СО РАН и при конструировании ЭЦР-источника металлической плазмы в установке для разделения изотопов в РНЦ "Курчатовский институт".
Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы докладывались на семинарах в ИПФ РАН и РНЦ "Курчатовский институт", на всесоюзных и международных конференциях: Всесоюзное совещание по ВЧ нагреву и токам увлечения в тороидальных системах (Киев, 1989), Конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1989-1995), Всесоюзное совещание по открытым ловушкам (Москва, 1989), Международная
2Обратный эффехт Фарадея — намагничение плаомы в ВЧ поле.
конференция "Открытые магнитные ловушки для УТС" (Новосибирск, 1993), Международное совещание "Мощное микроволновое излучение! в плазме" (Суздаль, 1990; Москва - Нижний Новгород - Москва, 1993), Международное совещание по применению создаваемой микроволнами плазмы (Звенигород, 1994), Конференция Европейского Физического Общества по физике плазмы и УТС (Венеция, 1988; Лиссабон, 1990; Борнмут, 1995), Первый международный семинар по плазменным, лазерным и линейным коллективным ускорителям (Харьков, 1992), Объединенное международное совещание "Теория термоядерной плазмы" (Варенна, 1994), Девятое объединенное совещание по электронно-циклотронному излучению и нагреву (Боррего-Спрингс, 1995).
Основные результаты диссертации опубликованы в 22 статьях в научных журналах, 5 препринтах ИПФ и 14 трудах Международных и Всесоюзных конференций.
Структура и объем работы.
