Резонансные уединенные электромагнитные и ленгмюровские импульсы в плазменно-газовых средах Прудских, Вячеслав Владимирович

Введение к работе

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из наиболее
интересных объектов для исследования нелиней,тнх явлений в пла~-
менно-газовых средах является уединенные импульсы - солитоны.
Примером этого, могут бы;ь ленгмюровский солитон, существувдщй в
плазме с малой нелинейностью и дисперсией, а также солитоны в
среде с сильной нелинейностью - "оптические" солитоны теории са
моиндуцированной прозрачности. Исследование распространения таких
волн представляет интерес для поисков возможностей транспортиров
ки энергии J резонансной среде и ускорения заряженных частиц, по
зволяя локализовать "энергию поля в нужной области пространства, а
также для преобразования энергии ленгмюровских колебаний в элект
ромагнитное излучение. '.

Коллективное ускорение заряженных частиц предполагает наличие в плазме модаых регулярных импуяьсов ускоряющего поля. Наиболее эффективным способом возбуждения в плазме таких медленных волн с большими напряженностями электрических и магнитных полей является плазменно-пучковая неустойчивость. При этом существует . возможность управления спектрами неустойчивостей, заключающаяся в " задании на входа плззменно-пучковой системы регулярного сигнала, прэвышащого уровень шумов в плазме, или первоначальной модуляции пучка. Результатом этого является подавление неустойчивости на всех частотах, кроме модуляционной, и преобразование энергии Направленного движения электронов в узкую область спектра, то есть фактически в монохроматическую волну.

Аналогичный процесс нвустойчивогти возникает при взаимодействии пучков заряженных частиц с резонансными двухуровневыми ере-

дами. Возведение газа при коллективном пучково-газовом взаимодействии сопровождается возникновением инверсии заселенности уровней нейтральных частиц, что может быть использовано гри работе газовых лазеров. Обратная¹задача - преобразование энергии, запасенной в активной среде, в кинетическую энергию пучка - важно для создания новых методов ускорения заряженных частиц.

Проводенное в диссертации исследование ряда уединенных волн, распространявшихся в плазменных, плазменно-газовых и газовых средах, представляет интерес для создания плазменных генераторов, для описания' распространения мощных электромапгитных импульсов в космической плазме, а также в связи с некоторыми вопросами нелинейной электродинамики и оптики. ,

Цели работы.

1. Теоретическое исследование взаимодействия мощных электромагнитных импульсов с плазмой в условиях авторезонанса.

2. Изучение распространения в плазменной замедлявдей системе совместного электронно-ионного пучка е условиях, когда существенна роль кулоновских шлей, возникащих из-за разделения зарядов под действием давления электромагнитного излучения.

3. Расчет ленгмвревских и электромагнитных солитонов в плазме с добавкой сильнонелинейных резонансных нейтральных частиц. .

4. Аналитическое и численное исследование процесса взаимодействия пучков заряженных частиц'с резонансными двухуровневыми средами.

Научная новизна.

1. Впервые показана принципиальная возможность существования в плазма авторрзонансного со питона,' представляющего собой уединен-Ыти электромагнитный импульс со "встроенным" лэнгмировскйм коле-

банием.

2. Наедены двухпериодные решения в віще голитонов огибашей электромагнитных волн, существующие в системо плазма - электронно-ионный пучок и имевшие в разреженней плазів амплитуду "существенно большую, чем в плотной.

3. Впервые рассмотрено распространение ленгмтровских солитоьов л плазме с добавкой резоячнсных атомов при условии отсутствия дисперсионного расплывания импульса.

4. Развит метод анализа сред с сильной нелинейностью, когда не-применимо их описание с помощью параболического уравнения.

5. Для пучу электронов, распространяющегося в резонансном газе двухуровневых молекул, получены двухмасштзбные решения в виде электромагнитных солитонов, раъпространяодихся вдоль пучка.

Положения, шносяше на завиту.

1. Показано, что электромзпштная воша, распространяющаяся в
магнитоактивной плазме в условиях циклотронного резонанса, имеет
вид уединенного импульса. Найдены двухмасштабныо решения, описы-
ващие двухпвриодные колебания, имеющие вид уединенных импульсов
при кратном соотношении обратного электромагнитного инкремента . и
обратной ленгмьровской частоты.

В предельном "случае плотной плазмы» когда выполняется условие зарядовой нейтральности и плазма ускоряется под действием электромагнитного импульса Как целое, решение имеет вид солитонз, причем доминирущэя нелинейность обусловлена -релятивистским увеличением массы электрона.

2. Показано, что во внешней плазменной замедлявдеЛ системе с
электронно-ионным пучком могут распространяться уединенные элект
ромагнитные импульсы. Переход к разрешенной плазмэ сопровождается

существенным увеличением энергии волны из-за возникновения продольного поляризационного поля, уменьшающего роль 'электромагнит- ной" нелинейности.

3. В плазме с примэсыо резонансных двухуровневых атомов могут распространяться ленгмюровские, электромагшные и ленгмюровске-электромагнитные импульсы, механизм формирования которых связан с расфазировкой колебаний поля и поляризации как за счет нелинейности плазмы, так и за счет измешния волноводкьк свойств газа в поле импульса.

4. Получено решение задачи о распространения уздиненных' электромагнитных импульсов в даухкомпонентной газовой среде, состоящей из пленой сла^онелинейной среды с мглой добавкой сильнонелиней-hl:x атомов. При наличии второй среды задача не может быть описана в рамках слабой нелинейности (методом параболического уравнения) и в то же время решения отличаются от "оптических" солитонов, существующих в среде резонансных атомов.

5. Показано, что, для пучка осцилляторов, образованных потоком электроноз, движущимся вдоль внешнего магнитного поля в резонансном газе двухуровневых молекул, существует дискретный набор его плотностей, при котором стабилизация неустойчивости пучка происходит таким образом, что после насыщения амплитуда электромагнитных колебаний энергия поля возвращается обратно в пучок.

Научная в практическая данность работы. Полученные в диссертации результаты представляют интерес в связи с проблемой плазменных методов ускорения заряженных частин, создания плазменных генераторов, вопросом турбулентного нагрева плазмы, а также общей теорией плазменной турбулентности и самоиндуцированной прозрачности.

Достоверность полученных результатов следует из строгой постановки задач, адекватности используемых годелей реальным физическим объектам, применения математически корректных методов к решешго задач, выполнения предельных переходсв (аналитических и численных) к известным ранее результатам,

Апробадая работа. Результаты диссертационной работы докладывались на VI Всесовзной конференции по взаимодействии электромагнитных излучений с плазмой СДуианбе, 1991), продставлвны на XIX конференцию по управлявml у термоядерномусинтезу и физике плазмы (Инсбрук, 1712.) v. конференцию-по науке, о плазме (Взнкуіер, 1ЭЭЗ) -

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения и библиографии, изложена на 142 страницах, вк. > чая 19 рисунков, 8 таблиц и список цитируемой литературы из 100 наименовании.