Нелинейное взаимодействие заряженных частиц с электромагнитными волнами в присутствии высокосимметричных статических полей

• Автор: Красюк, Игорь Иванович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Таганрог
• Количество страниц: 122 с. : ил.

ГЛАВА 1. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННОЙ ЧАСТИЦЫ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЕ, РАСПРОСТРАНЯЮЩЕЙСЯ ВДОЛЬ СТАТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО И МАГНИТНОГО ПОЛЕЙ.

1.1 Авторезонансное взаимодействие заряженной частицы с электромагнитной

волной в присутствии продольного статического электрического ПОЛЯ

1.2. Представление на декартовой плоскости фазовых траекторий заряженной частицы в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль магнитостатического поля. Овалы Декарта как фазовые траектории релятивистских заряженных частиц
1.2.1. Фазовый портрет заряженной частицы в волне, распространяющейся с фазовой скоростью с

1.2.2. Фазовые портреты заряженной частицы, взаимодействующей с

замедленной и ускоренной электромагнитными волнами

ГЛАВА 2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РЕЛЯТИВИСТСКОЙ ЗАРЯЖЕННОЙ

ЧАСТИЦЫ С ЦИРКУЛЯРНО ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНОЙ В КОМБИНАЦИИ СТАТИЧЕСКИХ МАГНИТНОГО И СИЛЬНОГО ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЕЙ.
2.1. Одномерный гамильтонов формализм заряженной частицы в электромагнитной волне, распространяющейся вдоль параллельных статических магнитного и сильного гравитационного полей
2.2. Авторезонансное взаимодействие заряженной частицы с электромагнитной волной в присутствии сильного статического гравитационного поля
2.3. Удержание заряженных частиц электромагнитной волной,
выходящей из области с сильным гравитационным полем

2.4. Авторезонансная фокусировка ускоряющихся заряженных частиц в
статическом гравитационном поле
ГЛАВА 3. ЭВОЛЮЦИЯ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРОННОМ ПОТОКЕ, ПЕРЕНОСЯЩЕМ СИЛЬНУЮ ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ВОЛНУ ВДОЛЬ ВНЕШНЕГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
3.1. Нормальные колебания в системе волна-поток
3.1.1. Постановка задачи и основные уравнения
3.1.2. Квазиравновесная эволюция системы волна—электронный поток
3.1.3. Линейные колебания в системе волна-электронный поток
3.2. Бесстолкновительная релаксация колебаний физических параметров
системы волна-поток
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ К РАЗДЕЛУ 3
ЛИТЕРАТУРА

Развитие таких областей физики и техники, как физика плазмы, астрофизика, мощная релятивистская ВЧ—электроника, ускорительная техника и т.д. обусловливает возрастание интереса к исследованию взаимодействия заряженных частиц с электромагнитными волнами. Особая роль в таких взаимодействиях отведена релятивистским заряженным частицам в сильных электромагнитных волнах. Это связано, в первую очередь, с необходимостью дальнейшего увеличения мощности, КПД и рабочих частот устройств релятивистской ВЧ - электроники таких, как лазеры на свободных электронах [5-7], циклотронные и синхротронные мазеры, пениотроны [24-27], лазерные ускорители [8-10,18-22] и т.д. Следует отметить, что анализ работы таких устройств требует также учета нелинейности взаимодействия частиц с полем [1-4]; нелинейные эффекты требуется учитывать и при изучении распространения мощных радиоволн в ионосфере (стрикционные эффекты, кроссмодуляция) [1,2]. В физике плазмы остаются актуальными исследования коллективных механизмов ускорения заряженных частиц [29,30,87]. В астрофизике актуальность данной проблемы связана с открытием пульсаров и др. источников мощного электромагнитного излучения, а также с генерацией космических лучей [38—42].
Исключительно важное место в такого рода взаимодействиях занимает явление циклотронного авторезонанса, открытого в 1962г A.A. Коломенским и А.Н. Лебедевым и независимо от них В.Я. Давыдовским [11-13]. Они показали, что существует такой режим взаимодействия релятивистской заряженной частицы с поперечной электромагнитной волной, распространяющейся вдоль постоянного магнитного поля, в котором условие циклотронного резонанса частицы с волной сохраняется автоматически в течение длительного времени, несмотря на существенное изменение гиромагнитной частоты, связанное с релятивистским изменением массы частицы. Это объясняется тем, что при

р^)— ковариантные компоненты кинематического импульса частицы.
Можно показать, что в общем случае на фазовом цилиндре имеются две области захвата (03), причем одна из них (03,) существует при любом наборе параметров системы поле—частица; граница этой области (ГОЗО при “замороженных” а (г), /3(г) представляет собой авторезонансную сепаратрису [64]. Вторая 03 возникает лишь при определенных условиях, и в рамках настоящей работы мы специально интересоваться этой областью не будем. Разумеется, выделение на фазовом цилиндре областей захвата имеет смысл, если движение частицы в 03 является квазипериодическим. Для этого нужно, чтобы изменение параметров а, (3 было достаточно медленным - ниже мы уточним это условие (см. (2.3.22)).
В предположении медленности функций а(г), /?(г) в данном разделе вычислен адиабатический инвариант для захваченной частицы - оказалось, что он имеет очень простой вид. Движение частицы в 03] исследовано как вдали от ГОЗ) - с помощью адиабатического инварианта, так и в окрестности границы -на основе приближенного ГФ. Обсуждаются особенности движения захваченной частицы. На примере плоской модели поля Шварцшильда продемонстрирован механизм выноса частицы волной из области с сильным гравитационным полем, причем начальное состояние частицы таково, что покинуть эту область частица может, только используя волну как транспортное средство. Упомянутый механизм выноса сводится к мгновенному (при некотором 2*) захвату частицы в 03] с последующим удержанием ее в этой области вплоть до значений г = <х>, а = , /3 = 1. Интересно отметить, что
захват частицы областью 031 осуществляется так, что при 2 = 2* +0 частица оказывается на конечном расстоянии от границы области (см. ниже).
Как показано в [64], если роль времени в одномерном ГФ, описывающем движение частицы, играет величина2
2 Можно использовать и другое “время”.