Иванов Б.Н. - Мир физической гидродинамики. От проблем турбулентности до физики космоса (1107606), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Это следует из возможности получения в плазме больших напряженностей электрических полей, направленных вдоль распространения указанных волн. При этом фазовые скорости волн близки или равны скорости света, что позволяет поддерживать непрерывный синхронизм (резонанс) межлу волной и ускоряемыми частицами. Сделаем пояснения. Например, электронные пучки в электростатических полях достаточной напряженности быстро становятся релятивистскими, т. е. достигают окрестностей предельной скорости с — скорости света. Дальнейший рост их энергии Е происходит практически при неизменной скорости и с, согласно соотношению «песа Одинаковость скоростей распространения волн и частиц обеспечивает резонансную передачу энергии от волн к частицам.
Оценим максимальную напряженность электрического поля «Г „при данной плотности в, плазмы. Исходим из условия равенства плотности энергии электрического поля и плотности кинетической энергии сгустка электронов, находящихся в электростатическом поле плазмы (в ед. СГС) 4аа» пегпес ~ 4х 220 Пралеженае где с — релятивистская постоянная (скорость света).
Тогда «„„=,4;;7 При и, 1Оп см з получим (ГО ГО !О-и ГО )Вз Гйз д ° 1Оз з ед. СГСЭ, В см см При и, 1О'ь чу 10ю см з электрические поля достигают значений «т 10« Ь 10~ В/см. Такие поля делают возможным создание ускорителей электронов на энергии в десятки ТэВ, т.е. 1О'з электрон-вольт. Это энергии частиц ускорителей близкого будущего. Заметим, что плазма даже при больших плотностях остается «прозрачной» для ускоряемых частиц.
Плазма также обладает хорошими собственными волноводными свойствами, что делает ненадобными сторонние волноводные и резонаторные устройства. Кстати сказать, именно последние ограничивают напряженности ускоряющих электрических полей из-за пробоя на своих поверхностях. В полностью ионизованной плазме такой опасности не существует.
В (Э 19.5) отмечалось, что продольные'плазменные волны могут возбуждаться лазерными пучками. В экспериментах с лазерами средних значений интенсивности излучения (1О'~ Вт/см ) и энергии (10 Дж) уже достигнуты ускоряющие поля 10~ В/см. Отметим необходимые условия и возможные трудности метода. Чтобы достичь ускорения заряженных частиц, требуются регулярные волны с фиксированными частотами и фазами. Однако при больших напряженностях полей регулярных волн обычно возникают разного рода неустойчивости, приводящие к хаотизации волн. Несколько слов об аналогиях.
Экспериментальные установки по ускорению зарядов на плазменной волне иногда называют серфатронами. Имеется в виду аналогия с картиной катания на океанских волнах— серфингом. Суть аналогии в следующем. На продольной ленгмюровской волне для заряженных частиц имеются «фазы ускорения» и «фазы торможения», когда электрическое поле волны направлено соответственно вдоль распространения волны или против.
Чтобы частице оставаться «долгое время» на гребне фазы ускорения, вводится стороннее магнитное поле, направленное поперек распространения волны. Тогда, под влиянием силы Лоренца, у движущегося заряда появится составляющая скорости вдоль фронта плазменной волны. При этом магнитное поле подбирается таким, чтобы составляющая скорости заряда по направлению распространения волны оставалась равной фазовой скорости волны, чем обеспечивается приток энергии волны к заряду. В результате заряд смешается по ширине фронта плазменной волны, оставаясь одновременно в резонансе с ней.
Именно так поступает спортсмен-серфист, направляя свое движение под углом к океанской волне. Предварительно же лоска серфиста должна быть разогнана до скорости распространения волны, чтобы «зацепиться» за волну. 221 Фозоночлехночвсная облапнь Источники: Файнберг Г/. Б. // Физика плазмы.
1987. Т.! 3. 1«и 5. Горбунов П. М. // Природа. 1988. На 5. Лоусон Дэс. // В мире науки. 1989. Н«5. Физико-техническая область К 819.4. Нелинейная среда становится антенной Представьте могучею великана, но который не видит и не слышит— он будет беспомошным. Нечто подобное случится и с современным подводным атомоходом без технических средств, обеспечивающих его способность «видеть» и «слышать» под водой. Гидроакустическое оборудование — это глаза и уши ядерных субмарин. Как ни велики достижения в военной области, поистине вселенские задачи встают перед людьми при освоении богатств Мирового океана.
Рост народонаселения планеты, недостаток пищевых и истощение минеральных ресурсов рано или поздно приведет людей к необходимости превращения океана в своеобразную «среду обитания». В морской воде, являющейся в сущности электролитом, свет и радиоволны быстро затухают.
Зато звуковые (акустические) волны имеют большой «радиус действия». Вот почему обмен информацией под водой обеспечивается лишь средствами гидроакустики. Современная гидроакустика занимается изучением законов распространения интенсивных звуковых волн в морской и океанской среде, Звук большой амплитуды влияет на свойства среды. В свою очередь, изменившаяся среда искажает форму исходной акустической волны и приводит к нелинейным эффектам. Последние были рассмотрены в (З!9.4). Здесь существенным для нас будет нелинейный эффект возникновения комбинационных частот, Напомним условия, в которых возникает указанный эффект, Пусть в среде в одном направлении распространяются две звуковых волны с большими амплитудами и близкими, но разными частотами. Тогда в акустическом поле, наряду с исходными частотами, будут зафиксированы частоты равные сумме и разности частот первичных волн.
Эти комбинационные тона появляются в результате взаимодействия акустических волн в среде, или, иначе, рассеяния звука на звуке. Описанный эффект позволил создать новый тип крупномасштабных нелинейных акустических антенн. Эти так называемые параметрические антенны являются «бестелесными», ибо их роль выполняет сама нелинейная среда. Дело в том, что если звуковой пучок высокой интенсивности встречает на своем пути слабый сигнал, он взаимодействует с ним, порождая комбинационный тон. Вьщеляя этот тон, можно принять сигнал.
При этом зона среды, в которой распространяются первичные волны накачки, играет роль антенны. 222 Лрвложение К й13. Пузырьковые камеры в физике частиц высоких энергий Сначала о метастабильных состояниях жидкости. Это термодинамически неустойчивые состояния равновесия жидкости при данных внешних условиях, т. е, при данных давлении Р и температуре Т. Отметим, что ранее (см. З 7) мы рассматривали механически неустойчивые состояния равновесия и движения жидкостей.
Примером метастабильного состояния жидкости может явиться ее перегрев при данных Т и Р. Дело в том, что фазовый равновесный переход жидкость — пар осуществляется при строго определенных значениях Р и Т: изменение внешнего давления на жидкость ведет к изменению ее температуры кипения. Однородная жидкость, не содержащая в себе пузырьков воздуха или газа и всякого рода примесей, может быть нагрета (при данном Р) до температуры, несколько большей обычной температуры кипения. При этом с поверхности жидкости идет интенсивное испарение, но внутри объема она остается «спокойной», т. е.
нет бурного процесса образования пузырьков, их роста и подъема на поверхность. Если в такую перегретую жидкость влетит заряженная частица, например протон или электрон высокой энергии, то на своем «пути» частица будет ионизовать встречные атомы или молекулы вещества. На этих ионизованных неоднородностях будет происходить быстрое зарождение парообразной фазы.
В результате путь частицы — ее трек — окажется усеянным быстро растущими газовыми пузырьками. Используя в момент пролета частицы световую вспышку и фотографирование, можно зафиксировать процесс рождения новых частиц, их рассеяния, распада и гибели. Именно на этих соображениях основывалась идея создания пузырьковых камер — детекторов элементарных частиц. За их разработку была присуждена Нобелевская премия. Для пузырьковых камер обычно употребляют жидкий водород, который играет сразу две роли — и мишени, и регистрирующей среды.
Сам жидкий водород — криогенный объект, его температура кипения— 253' С. Объем камеры с жидким водородом 10»у 30 мз. Благодаря этому могут фиксироваться самые длиннопробежные частицы и каскады их превращений. При этом сама камера помещается в сильное магнитное поле. Это позволяет измерить многие параметры образующихся элементарных частиц. Схема работы пузырьковой камеры следующая.
Жидкий водород в камере находится пол давлением гидростатического пресса. Снятие этого давления осуществляется за время 5 з«15 мс, и жидкость оказывается перегретой. В этот момент «впрыскивается» пучок протонов из ускорителя. Образующиеся вдоль «траекторий» частиц пузырьки газа за время 0,5+ 3 мс достигают размеров 50 —: 300 мкм и могут быть сфотографированы. На практике применяют стереофотосъемку с помощью нескольких объективов. Этот цикл процессов заканчивается поджатием жидкости-детектора и исчезновением (схлопыванием) в ней пузырьков.
Камера вновь готова принять «посланцев» из ускорителя. Физнка-техначеская область 223 Методика с использованием пузырьковых камер позволяет регистрировать лишь случайные события. Для поиска нужных событий или открытия новых необходимо «перебрать» сотни тысяч фотографий. Сейчас этим занимаются специализированные ЭВМ. К 510.3. «Окна» для газодинамических лазеров Рис. 1.И. Характер изиенения давления в волне разрежения О самих газодинамических лазерах (ГДЛ) речь шла в (510.3).
Из изложенного там материала ясно, что для понимания принципов работы ГДЛ нужно быть осведомленным в довольно широком круге вопросов. Требуется знакомство с элементами квантовой механики и статистической термодинамики, спектроскопией и физической оптикой; иметь представление о физико-химической кинетике и о релаксируюших потоках газа, и, конечно, нужно владеть основами газовой динамики. Ключевыми словами к (5 10.3) являлись: энергетические молекулярные уровни, спонтанное и вынужденное излучение, инверсная населенность молекулярных уровней и ряд других. Здесь иас будет интересовать вопрос о выводе мощного лазерного луча из резонатора ГДЛ. Оптические твердые материалы, которые обычно применяют для окон вывода сформировавшихся лазерных пучков в атмосферу, в случае высоких интенсивностей пучков испытывают сильный нагрев, потерю прозрачности и просто разрушение.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
