Введение к работе
Актуальность теми я постановка задачи ксследорання.
Кодлекїивяиз процесса, как линейное, гак н пеяпнейнно, влявтея одним из основных предметов исследований и современ-ой физике плазмы. Эта исследования вашш для различных прап-ипесюсг приложений и ккоот прияуилиальноо значение, которое теоретическом плане связано не только с развитием пгтодов писания неравновесной плаиш, но и, что болев ва-пмо, с еїзїс-
ЄЯЛЄ!І СОВеряеКИО НОБЫХ аСПЭКТОЭ фКЗИЧЄСИЇХ ЯВЯЄНЛЙ. В послед-
ее вре:ія з теория нелинейных процессов в плазке произопго cue-енне интересов от изучения слабонелинейных турбулентних сое-ояний а анализу регулярних динамичєснвх явлений. Это связано
ПОТребНОСТЯМИ СОПреглеННОЙ КСГЇЄрИМЄНТШ>І!ОЙ фйЗИКЕ, для по-
орой характерен переход к большим шпзгастяы еоздойстеия при запмодействиа лазерного излучения, пучков базтрксс частиц и злучения СЕЧ диапазона с плазмой, при пропускания сильного сектрпческого тока в разрядах т других объектах. Одновременно їало понятно, что сильная турбулентность з плазие ионе* быть писана как статистический ансамбль регулярних образований ти-а солытонов, ударных волн я кавятоноз*
В реальных условиях плазма неоднородна к нестационарна той или иной степени. Вследствие этого проблема еэ описания $тцествекно усложняется, что связано не только с формальной гороной необходимых вычислений, но и с появлением соворяенно эвых особенностей коллективных процессов, отсутствующих в од-ородном случае. Примером таких особенностей служат непрерывке спектры колебаний неоднородной плазмы. Наиболее типичными
среди шпг является непрерывные спектры ленгмюровских колебані в плазме с неоднородной концентрацией и магнитогидродинамичес-кшс води s гелазмэ с неоднородный магнитным полем. Эти колебания изучались в работах Е.П.Велихова, Б.Б.Кздомцева, Д.Д.Рогова, А.В.Знмофеева и многих других.
В холодной однородной плазме частота собственных колебаний равна плазменной 60ре~ (4згие. /Ні) , а в неоднородной плазме собственные колебания отсутствуют. Каждый слой плазмы колеблется с локальной плазменной частотой. Это и означаев, что данной задаче отвечает непрерывный спектр колебаний.Неоднородность частоты приводит s тому, что фазы колебаний отдельны; слоев с течением времени расходятся, то есть волновой вектор возрастает по абсолютной величине. При этом длина волны будет уменьшаться до тех пор, пока не станут существенными диссипация иди нелинейность. Если влиянием диссипативных и кинетических эффектов можно пренебречь, то возрастание волновогс числа идет до тех пор, пока длина волны не станет -сравнимой с амплитудой колебаний. После чего в плазме возникают области многопотокового течения - происходит самопересечение электронных траекторий. В результате открывается новый канал трансформации энергии плазменных колебаний в быстрые частицы,
Такого рода процессы привлекают к себе внимание в пєрвуї очоредь в связи с задачами о взелмодействии мощного электрона! нятного излучения с плазмой. При этом особый интерес вызывает область плазменного резонанса, где локальное значение плазменной частоты сравнивается с частотой падащей волны или с чаете тоґ: бйе'ііЗ при воздействии на плазму двух электромагнитных бох
Здесь происходит резкое усиление компоненти электрического ПОЛЯ, параллельной градиенту концентрации плазмы, т.е. происходит возбуждение ленгшзровскях колебаний. Амплитуда колебании возрастает, и при этом одновременно в силу влияния неоднородности частоти колебаний размеры области локализации поля уменьшатся. Это происходит до тех пор пока не проявятся те или иные механизмы ограничения амплитуды переменного электрического полл, которые одновременно определяют масштабы его локализации. Особое внимание привлекает к себе эволюция существенно нелинейных ленгмвровеких колебаний, сопровождавшаяся самопересечением электронике траекторий и ускорением заряженных частиц.
Присутствие потоков быстрых частиц б плазме может приводить к генерации пространственно неоднородных магнитных полон. В окрестности области плазменного резонанса эти полл обладает специфической структурой, для которой характерно обращение напряженности магнитного поля в ноль на некоторых плоскостях п линиях. Магнитноэ поле в общих условиях моест приводить :; на-рушегаш резонанса волна-частица, а в других - обхегчаот захват частиц волной.
Как известно, плазма в присутствии потоков быстрых частиц и колебаний конечной амплитуды неустойчива относительно возбуждения различных мод, например, апериодической неустойчивости в БЧ поле, модуляционной, о'унемановской и других. Развитие этих неустоичивостей в длинноводноьом пределе облодет рядом характерных черт, обких и для других неустоичивостей. Прйї этом речь идет о таких фундаментальных для физики плазмы примерах, как пу^ткорая, бупемановская, модуляционная, разрывная п многие другие неустойчивости. В устойчивой среде типичное поведение
ньяинойяых волн описывается решениями Риыана, в которых за коночное время происходит опрокидывание волн сжатия. В неустойчивых средах наряду с отим появляется возможность образования особенности типа опрокидывания волны разрешения. В применении к бунеыановской, модуляционной и апериодической неустойчивости такие процессы приводят к возбужденна в плазме импульсных электрических полей, ускоряющих заряненнке частицы.
Другой пример волн с непрерывным спектром представляю? альфвекоБСкиэ колебания в плазме с неоднородным магнитным полем Если ольфвековские колебания возбуждаются периодической накачкой, то их усиление будет происходить вблизи резонансной области, где частота накачки сравнивается с альфвеновской СОа = = (!< Ь) /(4эг? ) . В окрестностях точек, линий или поверхностей, где обращается в ноль величина ( К' В ), в частности, еде равно нулю магнитное поле, резонансной формально является нулевая частота. Это означает, что сколь угодно медленные еоз-ыущення вызовут вблизи области, где lOa«= 0, неадиабатический отклик. їїдесь амплитуда возмущений будет стремиться к бесконечности. Чтобы учесть насыцение ее роста, необходимо принять во вникание диссипации или (и) нелинейные эффекты. На существенно нелинейной стадии эволюции возмущений в резонансной области в неодномерном случае возникают достаточно сложные магнитогидродинз шческие течения, которые вкличают в себя ударние волны и токовые слои.
Совокупность электродинамических процессов, протекающих в токовых слоях, носит название процессов магнитного перезамыка ния, поскольку для них типично изменение топологии магнитных силовых линий. Токогые слои на определенной стадии их эволюции
могут стать неустойчивыми относительно разрывной (тиринг) неустойчивости. Она в нелинейном режиме вызывает быструю перестройку магнитного поля и возбуждение импульсных электрических полей, что з своп очередь приводит к появлении бнстрых частиц в плазме.
Актуальность темы диссертации объясняется тем, что решение задач, составивших ее содержание, вызвана потребностями исследования существенно нелинейных процессов в различных областях физики плазмы - от проблем, возникающих при описании взаимодействия сильного электромагнитного излучения с бесстолкнови-тельной плазмой до процессов в сильноточных электрических разрядах. Результаты, представленные в диссертации, применялись з теории активных явлений в космической плазме и при интерпретации данник лабораторных экспериментов.
Целыа диссертации является исследование нелинейной динамики плазмы, приводящей к возбуждении сильных электрических полей и ускорения) заряженных частиц в окрестностях особых точек. Основные задачи исследований заключались в следующем:
-
Расчет максимальной амплитуды электрического поля в области плазменного резонанса, возбуждаемого при взаимодействии сильных электромагнитных- волн с неоднородной плазмой.
-
Определение энергий быстрых частиц, ускоренных в резонансной области в бесстолкновительной и слабоетолкновитель-ной плазме.
-
Исследование влияния неоднородного магнитного поля на резонансное ускорение частиц.
-
Разработка аппарата для описания нелинейной стадии неусгой-аюстей гидродинамического типа в длинноволновом пре-
деле.
-
Расчет олектрических полей в нестационарных двойных слоях, Еоэнмкакцкх на нелинейной стадии неустойчивостей, к определение характерній анергий и энергетических спектров ускоренных частиц.
-
Исследование автомодельных решений уравнений магнитной гидродинамики, описыващнх пространственно неоднородные течения плазмы вблизи особых точек магнитного поля.
-
Анализ распространения магнитогидродинамическпх волн е плазме конечной электропроводности в окрестности нулевой линии магнитного поля.
-
Исследование пространственно неоднородных кумулятивних їечений плавны вблизи магнитных нулевых точек, приводящих к формированию токовых слоев.
-
Исследование распада токового слоя, пересоединения магнитных силовых линий и расчет возбуждаемых нестационарных электрических и магнитных полей.
10. Анализ ускорения заряженных частиц вблизи нулевых
точек магнитного поля.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
I. Основным механизмом ограничения амплитуды существенно нелинейных выпущенных ленгмзровских колебаний в области плазменного резонанса в нерелятивистском приближении является самопересечение электронных траекторий. Для скоростей колебаний олектронов, близких к скорости света, релятивистские эффекты приводят к ограничения переменного электрического поля из-за
нелинейного сдшга частоти, который определяет и размеры области локализации поля. Нестационарность плозии таете мояет присо-дить к ограничения электрического поля б резрнансе. Энергии бистрнх частиц пропорциональны величине олектричбокого поля п ширино резонансной области.
-
Предложен вариант ускорителя - сорфотрона, использующего волны с фронтом, который представляет собой поверхность сра-ценнл, что приводит к более компактной по сравнении с обсуядая-гаи/ися ранее конфигурации; ото подтверждает газгоетость ускорения частиц таким ?леханизном в косямзекой плазмо, d условиях которой естественны ситуации, когда ускорение частиц происходи! на фронтах расходящихся сферических ударних волн.
-
Из аналитического описания нелинейной стадій гидродина-иічесісих неустойчивостей п длинноволновом пределе СЛЄД1" т вігаод об общности эволюции нелинейных ьозмущений бо многих неуетойчп-mn средах. В результате развития в плазма бунемановспой и апериодической d сильном ЕЧ поле неустойчивостей в нерелятивист-ском и ультрарелятиЕИстском пределах происходит формирование короткоживущих электростатических двойных слоев. В этих двойных слоях эаряяекнке частицы приобретают онергив, которая существенно превышает характерную энергии частиц п невозмущенном состоянии.
-
Развитый аналитический аппарат позволяет реяять ряд задач об эволюции кумулятивных течений плазмы вблизи нулевых точек магнитного поля. В пространственно неоднородных магнитных полях пинчевание плазмы с сильным электрическим током происходит вблизи сепагаттисньтх поверхностей магнитного поля н приводит
к формированию кваэиодномернгес токовых слоев.
-
Неоднородные течения плазмы, присущие магнитным конфигурациям с токовыми слоями, приводят к стабилизации разрывной неустойчивости. В условиях, когда такая стабилизация неэффективна происходит распад токового слоя со скоростями плазмы, превосходящими характерное значение альфвеновской скорости,
-
При распаде токового слоя образуются области нулевого магнитного поля с квазиоднородным электрическим полем, в которых происходит ускорение заряженных частиц. В пространственно неоднородном случае энергетический спектр частиц имеет как
степенную, так и экспоненциальную форму, в зависимости от ьи-да магнитной конфигурации.
Научная новизна и практическая ценность работы.
Все предоставляемое к защите результаты получены впервые. Практическая ценность диссертации состоит в том, что развитые в ней методы исследования нелинейных процессов в плазме и полученные результаты применялись как автором, так и другими в соответствующих теоретических исследованиях и при постановко лабораторных и численных окспериментов.
Достоверность результатов полученных в диссертации обеспечивается подтверждением выводов теории данными лабораторного и численного эксперимента, а также тем, что часть из них была впоследствии независимо получена другими авторами.
Апробация. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и симпозиумах: на П Международном скмпози^і.'л; по коллективным методам ускорения (Дубна, 1972),
- II -
Меядународных семинарах по космофизике (Ленинград, 1973, 1974, 1979), Всесоюзных конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1976, 1988), Симпозиума* КАПГ (Вроцлав, 1978; Ашхабад, 1979; Рига, 1982), Всесоюзных школах по косыофизнпо (Юрмала, 1981,.1987), П Всесоюзной байкальской школе (Иркутск, 1981), Международных конференциях по физике плазмы (Ґетеборг, 1982; Киев, 1987), Всесоюзной конференции по физике низкотампературпой плазмы (Ленинград, 1983), Европейском симпозиума по косшгаесквы лучам (Ленинград, 1980), Международных работе: группах *Нели-кейные н нурбулентныо процессн в физике (Киев, 1983, 1987), Симпозиуме КОШАР (Грац, 1984), П Симпозиуме по двойкьк слоям (Иннсбрук, 1984), Советско-Индийском семинаре по плазменной астрофизике (Москва, 1981; Чандигарх, 1984), Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Будапешт, 1985), Международных конференциях по программа "Год солнечного максимума" (Сімферополь, 1981; Иркутск, 1985), Международной школе по плазменной астрофизике (Сухуш, 1986), Меядународном симпозиуме по физике бесстолкновительных ударных еоля (Балатонфэред, 1987), Международной рабочей группе "Шизика волновых коллапсов? (Новосибирск, 1988), Всесопзных рабочих'группах по физике магнитного перезамыкания (Сухуми, 1982; Иркутск, 1983), Бсесоаз-ной рабочей группе по двойным слоям (Сочи, 1982), Всесоюзной рабочей группе по ускорению частиц в лабораторной и космической плазме IСочи, 1985), Рабочих совещаниях на тему "Сильные электромагнитные поля в плазме" (Вакуриаки, 1987, 1988, 1989), Международной весенней школе по физике плазмы (Триест, 1989), а также на семинарах ИОФАН, ШАН, ИАЭ, ИКИ, ИТЭЙ, НИИЯ&.МГЇ, ИЗ-
миран, лети, т ан гсср, или.
Публикации. Основные результаты, вошедшие в диссертации изложены в 32 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Б ней содержится 328 страниц мая нописного текста, включгл 29 рисунков. Список литературы содержит ссылки на 242 работы.
