Введение к работе
Актуальность темы. Теория явлений, обусловленных прохождением заряженных частиц через плазму, имеет важное значение для диагностики плазмы, детектирования быстрых частиц, разработки новых методов ускорения заряженпых частиц и ионного термоядерного синтеза. Новые методы, основанные па изучении динамики кластеров, открывают широкие возможности для исследования поляризалионных явлений, возникающих в процессе прохождения заряженных частиц через вещество.
В последнее время значительное внимание привлекают исследования взаимодействия электронных и ионных пучков с поверхностью различных твердых тел, применительно к спектроскопии потерь энергии электронов и динамической теории заряда "изображения".
Создание сильноточных ускорителей легких и тяжелых ионов и разработка концепции термоядерного реактора на пучках тяжелых ионов стимулировали интерес к исследованию торможепия ионных пучков в горячей плотной плазме. В этой концепции предлагается использовать сильноточные ионные пучки для нагрева и сжатия термоядерной дейтерий-тритиевой ( DT ) плазмы до поджига мишени. В отличие от лазерного инерционного термоядерного синтеза, ионный сиптез обладает двумя преимуществами. Во-первых, по сравнению с лазерами, в ионных ускорителях эффективность передачи электрической энергии ускоряемым ионам может быть очень высока. Во-вторых, циклические ионные ускорители обладают большой повторяемостью событий, что является важным фактором для проектирования и реализации будущих экономичных термоядерных реакторов.
В начале 90-ых годов было предложено использование пучков ионных кластеров в качестве драйвера термоядерного синтеза. Применительно к ионному синтезу основные преимущества пучков тяжелых ионных кластеров ло сравнению с обычными ионными пучками состоят в том, что во-первых, из-за малости удельного заряда пучок таких частиц легко фокусировать на малом пятне размерами порядка 0.1-0.5мм. Во-вторых, удельная энергия пучка кластеров порядка 10-50кэВ/нуклон и, следовательно, пробег таких частиц в мишени может быть экстремально мал (несколько микрон). В таких условиях энергия пучка главным образом передается поверхностному слою термоядерной мишени, создавая давление порядка несколько сотен Мбар, что на порядок выше, чем в случае использования обычных иоїшьіх пучков.
Другим важным аспектом взаимодействия пучков заряженных частиц с плазмой является т. н. электронное "охлаждение" (Electron Cooling) иошіьи пучков. В современных исследованиях ионный пучок в накопительном кольце периодически перемешивается с моноэнергетическим электронным пучком, движущимся со скоростью
почти равной скорости ионов. Функция распределения электронов по скоростям сильно анизотропна и описывается двумя разными эффективными температурами вдоль и поперек направления движения соответственно. Отметим также, что электронный пучок обладает очень маленьким продольным разбросом скоростей в фазовом пространстве, соответствующим значениям температуры несколько Кельвинов. Периодическое перемешивание электронных и ионных пучков из-за потерь энергии ионов в электронной плазме приводит к сокращению фазового объема последних.
Характерной особенностью торможения ионных пучков в электронной шгазме-"охладителе" является помещение всей системы во внешнее магнитное поле с целью уменьшения темпа релаксации между продольной и поперечной температурами электронного пучка. Таким образом, при рассмотрении потерь энергии ионного пучка в плазме необходимо учитывать температурную анизотропию и влияние внешнего магнитного поля на дисперсионные характеристики плазмы. Другим важным примером торможения ионов в замапшченной плазме является применение интенсивных пучков дейтерия с энергией порядка ЫОМэВ/нукяон для дополнительного сжатия последней в токамаках. Кроме того, магнитное поле может оказать значительное влияние на процесс торможения ионов, при рассмотрения пробегов термоядерных а -частиц, в плазме с азимутальным магнитным полем.
Целью шяссертягогонной рябт-ьг является создание теории прохождения кластеров заряженных частиц через слой шшмоподобной среды и развитие теории коллективных процессов, возникающих при взаимодействии пучков заряженных частиц и интенсивных электромагнитных полей в плазме. Для достижения поставленной цели проведено исследование потенциала, плотности индуцированного и полного поверхностных зарядов, а также изменения энергии быстрой заряженной частицы, пересекающей границы раздела вакуум-плазма; исследовано формирование кильватерного поля частицы в плазме и в диэлектрике; рассмотрен вопрос о нейтральности среды, через которую движется быстрая заряженная частица; исследовано влияние кильватерных и поверхностных полей на движение быстрого ионного пдкяастера, пролетающего через тонкую фольгу; рассмотрен вопрос о возможности измерения осциллирующих поверхностных полей; исследовано влияние кильватерных полей на регистрацию частиц пучка дикяастеров, прошедших через тонкую фольгу; выявлены условия, при которых влияние кильватерных полей на движение частиц наиболее существенно. Исследован спектр потерь энергии быстрой заряженной частицей, взаимодействующей с поверхностью твердых тел с различными геометрическими формами. В частности, изучена дифференциальная вероятность потерь энергии частицей, движущейся параллельно поверхности слоя твердого тела, клиновидного твердого тела, а также поверхности металла. В последнем случае выявлено влияние пространственной дисперсии на спектр
потерь. Рассмотрены потери энергии заряженных частиц в плазме, находящейся в интенсивном высокочастотном (ВЧ) поле излучения. Исследованы потери энергии заряженных частиц в вырожденной электронной плазме металлов и в мапштоактивной классической плазме. Рассмотрена генерация электромапнгшых кильватерных полей в плазме одномерным релятивистским электронным сгустком при наличии внешних интенсивных электромагнитных полей.
Научная новизна результатов, полученньк в диссертационной работе заключается в следующем:
1. Впервые проведено последовательное теоретическое исследование потенциала,
плотности поверхностного индуцированного и полного зарядов на границе среды
(плазма, диэлектрик), через которую движется быстрая, но не релятивистская
заряженная частица. Показано, что после пересечения заряженной частицей
плоской границы среды возникают колебания поверхностного заряда на плазмен
ной частоте (ор и, кроме этого, дшюльиые колебания плотности поверхностного
заряда на частотах юр и ю0 ((Од -частота поверхностных волн). Рассмотрен процесс трансформации заряда "изображения" в кильватерный заряд. Получено выражение для кильватерного потенциала быстрой заряженной частицы в диэлектрике и показано, что потенциал является суперпозицией гармонических функций.
-
В отличие от ранее известных работ, учтено действие поверхностных полей на движение ионного дшшастера, пролетающего через тонкую фольгу. Предложен метод измерения осциллирующих поверхностных полей. Получены выражения для функций распределения пучков ускорившихся и замедлившихся частиц и выявлены условия, при которых влияние кильватерных полей на движение ионного дикластера оказывается максимальным.
-
Впервые рассмотрены спектры потерь энергии быстрой заряженной частицей, движущейся вдоль поверхности образца, имеющего форму клина. Подробно рассмотрен случай образца из окиси магния. В рамках развитой теоретической модели для расчета дифференциальной вероятности потерь энергии электронов получено хорошее согласие с экспериментальными данными.
-
Рассмотрено влияние пространственной дисперсии на спектр потерь энергии быстрой заряженной частицей, движущейся параллельно поверхности металла.
-
В отличие от ранее известных работ, с учетом осцилляции пробной частицы в ВЧ поле исследованы потери энергии заряженных частин в плазме, находящейся в интенсивном ВЧ поле излучения. Показано, что потери намного превышают Боровские потери и изменяют знак при определенных значениях параметров
плазмы, скорости движения частицы и величины напряженности внешнего ВЧ поля.
-
Исследовано торможение ионных дикластеров в вырожденном электронном газе металла в приближениях случайных фаз и времени релаксации (ГОР). Найдено, что удельная мощность торможения дикластера вследствие корреляции между частицами дикластера увеличивается по сравнению с мощностью индивидуального торможения иона на 5-20%. Показано, что в ПВР мощность торможения заряженных частиц в плазме может увеличиваться с ростом частоты электрон-электропяых столкновений.
-
Проведено исследование мощности торможения ионов в магнитоакпшюй плазме. Показано, что потери намного превышают Боровские потери энергии. Найдено, что коэффициент трения между ионом и мапштоактивной плазмой помимо постоянных слагаемых содержит аномальное слагаемое, возрастающее логарифмически с уменьшением скорости движения иона. Показано, что температурная анизотропия увеличивает аномальное трение в плазме.
-
На базе уравнения Фокера-Планка найдено выражение для функции распределения нетермализованных термоядерных а -частиц. С учетом а -частиц, рождающихся вследствие термоядерных реакций в плазме, получено выражение для диэлектрической проницаемости полностью ионизованной мапштоактивной дейте-рий-тршиевой плазмы. Обнаружено существенное увеличение мощности торможения а -частиц в дейтерий-тритиевой плазме с ростом величины магнитного поля.
-
Исследована генерация одномерных релятивистских кильватерных полей в плазме, помещенной в поле интенсивной электромагнитной волны накачки с круговой поляризацией или в сильное магнитное поле. Показано, что наличие внешних полей приводит к значительному увеличению амплитуды кильватерных.
Научная н практическая ценность. Исследование полей, создаваемых движущимися частицами в среде, необходимо, с одной стороны, для построения интеграла столкновений, а с другой стороны может иметь ряд практических приложений. Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы при создании новых устройств для регистрации и идентификации заряженных частиц, объяснения особенностей прохождения пучков заряженных частиц через вещество, исследования коллективных эффектов в плазме; объяснения некоторых новых эффектов при измерениях спектра конвой-электронов, в исследованиях плазмы твердого тела, в диагностике плазмы, при численных расчетах диферешшальной вероятности потерь энергии, используя инфракрасные, оптические и рентгеновские измерения диэлектрической проницаемости этих
веществ. Кроме того, результаты, полученные в диссертации, представляют интерес для электронного "охлаждения" ионных пучков в кольцевых установках и в экспериментах по иогшому термоядерному синтезу; открывают возможность дія получения сильных ускоряющих и фокусирующих электромагнитных полей в активной (неустойчивой) плазме, с целы» их применения в плазменных ускорителях электронов.
Совокупность представленных в диссертационной работе результатов позволяет сформулировать следующие выносимые на защиту научные положения:
-
Впервые получены аналитические выражепия для кильватерных и поверхностных электрических полей, на основе которых построена кинетическая теория прохождения пучка ионных дикластеров через слой плазмы или плазмоподобных сред и предложена методика экспериментального измерения этих полей.
-
Показано, что при взаимодействии электронного пучка с поверхностью металла, учет пространственной дисперсии приводит к уменьшению вероятности потерь энергии на 30-40%. Получено хорошее качественное согласие с экспериментальными данными измерения спектра потерь в случае взаимодействия пучка с клиновидным образцом из окиси магния.
-
Потери энергии заряженной частицы, движущейся в плазме, находящейся в поле излучения, зависят от знака заряда частицы вследствие того, что отрицательно и положительно заряженная частица и электроны плазмы осциллируют в фазе или противофазе под действием внешнего поля.
-
Показано, что потери энергии, по мере увеличения интенсивности внешнего поля излучения, уменьшаются по сравнению с Боровскими потерями в случае медленных пробных частиц, и могут увеличиваться в случае быстрых частиц. В последнем случае потери могут превышать значение Боровских потерь энергии, а при выполнении определенных условий изменяют знак.
-
Показано, что в вырожденном электронном газе потери энергии ионного дикяас-тера растут при изменении частоты столкновений электронов у в интервале 0 < Йу < йу0 « EF, где EF -Фермиевская энергия электронов.
-
Показано, что при движении заряженной частицы поперек силовых линий магнитного поля в магшггоактивной плазме потери энергии существенно зависят от массы частицы, осциллируют в зависимости от значения магнитного поля и намного превышают Боровские потери энергии.
-
Показано, что коэффициент трения между пробным зарядом и магнитоактивной плазмой содержит аномальное слагаемое, которое растет логарифмически при уменьшении скорости движения пробпой частицы, при этом температурная анизотропия плазмы усиливает аномальное трение в плазме.
-
В приближении кинетического уравнения Фокера-Планка получено выражение для диэлектрической проницаемости термоядерной дейтерий-тритиевой замагни-ченной плазмы. Проведенные численные расчеты указывают на нелинейный рост потерь энергии а -частиц с ростом величины магнитного поля.
-
Показано, что амплитуда и длина волны продольной компоненты одномерного кильватерного поля увеличиваются с увеличением интенсивности волны накачки с круговой поляризацией.
-
Показано, что при генерации одномерных нелинейных кильватерных волн в сильно замагниченной плазме амплитуда кильватерной волны превышает значение амплитуды при отсутствии магнитного ноля и максимальное значение коэффициента трансформации достигается при гораздо меньших плотностях сгустка.
Апробапия работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на 8-ом Латиноамериканском совещании по физике плазмы, на Объединенном конгрессе по физике плазмы и 25-ой Международной конференции Европейского Физического Общества по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы, на семинарах Сектора Теории Плазменных Явлений и Отделения Физики Твердого Тела ФИАН (Москва), Теоретического Отдела Лаборатории Физики Плазмы и Газов Парижского Университета-Х1 (Орсей, Франция), Института Теоретической Физики-П Университета Эрланген-Нюрнберг (Эрланген, Германия), Лаборатории Физики Плазмы Научного Центра GSI (Дармшгадт, Германия), Департамента Физики Университета Далхаузи (Галифакс, Канада), Теоретического Отдела Лаборатории Ядерных Реакторов Токийского Технологического Института (Токио, Япония), Теоретического Отдела ИРФЭ НАН Армении, кафедры теоретической физики ЕГУ, лаборатории физики плазмы ЕГУ, опубликованы в виде научных статей.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 31 работах: 3 тезис доклада и 28 статей.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, приложения и заключения. Общий объем работы-257 страниц, рисунков-29, библиография насчитывает 251 наименований.
