Автореферат (1155098), страница 6
Текст из файла (страница 6)
В случае неблагоприятного знака компоненты импульса частицы вдолтволнового фронта, но при благоприятных остальных параметрах, частица захватывается волной иливолновым пакетом и происходит ее торможение, затем поменяв знак этой компоненты скорости зарядначинает сильное серфотронное ускорение. На стадии торможения на фазовой плоскости захваченнойчастицы траектолрия изображающей точки соответствует движению вокруг неустойчивого фокуса.В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.В главе 1 рассмотрено серфотронное ускорение электрона монохроматической электромагнитнойволной для слабо релятивистских начальных энергий частиц. Численными расчетами показано, что приблагоприятных начальной фазе волны на траектории частицы и знаке компоненты импульса вдольволнового фронта, выполнении черенковского резонанса электрон сразу захватывается волной в режимультрарелятивитстского серфотронного ускорения.
Для неблагоприятной начальной фазы частицабудучи незахваченной совершает циклотронное вращение (сотни-тысячи циклотронных периодов) изатем в момент черенковского резонанса попадает в благоприятную фазу волны на траекторииэлектрона, захватывается волной и реализуется ультрарелятивистское серфотронное ускорение с ростомэнергии на использованных интервалах счета по времени на три-шесть порядков величины. При этомрелятивистский фактор захваченного электрона увеличивается с постоянным темпом роста. Важно то,что интервал времени циклотронного вращения сравнительно невелик.
Следова-тельно, резко возрастаетчисло частиц, попадающих в режим серфотронного ускорения. На фазовой плоскости изображающаяточка движется по спиралевидной траектории, сжимающейся у точки типа устойчивый фокус.Показано, что при неблагоприятном знаке компоненты скорости вдоль волнового фронта частица дляблагоприятной фазы захватывается волной, тормозится оставаясь захваченной и поменяв знак скоростивдоль волнового фронта далее переходит в режим ультрарелятивистского ускорения. На интервалеторможения траектория изображающей точки на фазовой плоскости соответствует увеличениюрасстояния до неустойчивого фокуса. В случае взаимодействия частицы с локализованным впространстве волновым пакетом около положения центра пакета (по оси х) имеется интервал, в которомамплитуда электрического поля волны выше критического значения. В нем частица при благоприятнойфазе на несущей частоте пакета может захватиться и быстро перемещаясь на переднюю сторону пакетасильно ускоряется.
Пересекая пакет она попадает в область на передней стороне пакета, где амплитудаэлектрического поля меньше критического значения, становится незахваченной и ускорениепрекращается. Следовательно, характерный размер пакета (вдоль направления распространения волны)определяет доступное время серфотронного ускорения волновым пакетом. Здесь следует отметить, что вкосмической плазме, например, гелиосфере или в местных межзвездных облаках характерный размеробласти реализации серфотронного ускорения может быть очень большим.
Поэтому (согласно оценкам)20рост энергии захваченных пакетом частиц может быть до области колена в спектре космических лучейт.е. ~ 1015 эВ. Расчетами также показано, что при анализе серфотронного ускорения электрическое полеволны или волнового пакета можно считать потенциальным. Согласно численным расчетам частица небудучи захваченной волной или пакетом тем не менее некоторое (сравнительно небольшое время)может быть в области ускоряюшего поля с ростом ее энергии на десятки-сотни процентов от начальногозначения.В главе 2 изучена временная динамика характеристик ускоряемых частиц, включая их захват ипоследующее длительное удержание в области ускоряющих напряженностей электрического поляволнового пакета для умеренных начальных энергий зарчяженных частиц.
Поскольку начальныйциклотронный период частицы во внешнем магнитном поле относительно мал заряд совершив рядгирооборотов попадает в благоприятную для захвата волной фазу при одновременном выполнениичеренковского резонанса. После захвата происходит ультрарелятивистское ускорение частиц с ростомих энергии на (3÷4) порядка величины и более. В случае волнового пакета наиболее сильное ускорениеимеет место при захвате частицы на задней стороне пакета, затем частица ускоряется быстро пролетая сфазовой скоростью (значительно большей групповой скорости) область пакета, где поле вышекритического значения. Следовательно, число ускоренных волновым пакетом частиц может бытьдостаточно большим вследствие увеличения в пространстве начальных импульсов области, из которойзаряды попадают в режим эффективного серфотронного ускорения.
Показано, что во время сильногоускорения поперечные компоненты импульса и релятивистский фактор захваченной частицывозрастают практически с постоянным темпом. При отсутствии захвата происходит циклотронноевращение частиц и тем не менее в этом процессе возможно локальное доускорение частиц сувеличением их энергии, например, на порядок.При отрицательном знаке компоненты импульса заряда вдоль волнового фронта согласнорасчетам вначале частица, оставаясь захваченной, тормозится и меняет знак этой компонентрыимпульса, а затем происходит ее ультрареля-тивистское ускорение.
В этом варианте задачи на этапеторможения движение изображающей точки на фазовой плоскости соответствует траектории околонеустойчивого фокуса с увеличением расстояния от него по мере торможения заряда. На втором этапе,когда имеет место ускорение частицы электромагнитной волной (частица находится в областиускоряющих фаз электрического поля волны), траектория изображающей точки отвечает движению кдругой фазе – устойчивого фокуса типа цилиндр с амплитудой осцилляций, медленно убывающей помере роста энергии заряда.В главе 3 диссертации изложены результаты численных расчетов захвата и последующегоультрарелятивистского серфотронного ускорения заряженных частиц, имевших сильно релятивистскиеначальные энергии, в магнитоактивной плазме электромакгнитной волной и волновым пакетом,локализованным в пространстве вдоль направления распространения. Волны распространяются поперекмагнитного поля. Показано, что диапазон благоприятных (для реализации серфотронного ускорения)начальных фаз занимает порядка 40 % от области возможных значений.
Для благоприятных начальныхфаз захват частиц и других характеристик (указанных выше) в режим серфотронного ускорения волнами21происходит сразу. При этом релятивистский фактор и поперечные к магнитному полю компонентыимпульса захваченной частицы увеличиваются с практически постоянным темпом роста. Поперечные кмагнитному полю компоненты скорости захваченной частицы выходят на асимптотические постоянныезначения. На фазовой плоскости траектория изображающей точки соответствует движению вокругособой точки типа устойчивый фокус с постепенным уменьшением расстояния до него (конденсациячастиц на дно эффективной портенциальной ямы).Траектория захваченной частицы в перпендикулярной к магнитному полю плоскости являетсяпрактически прямой линией (постоянные поперечные компоненты скорости).
Как и выше оптимальныеусловия реализации серфотронного ускорения соответствуют выполнению в начальный момент временичеренковского резонанса, благоприятной начальной фазы волны или волнового пакета на несущейчастоте, благоприятному знаку компоненты импульса частицы вдоль волнового фронта (зависит отзнака заряда), превышению амплитудой электрического поля волны или волнового пакета порогового(для захвата частицы) значения.С увеличением параметра надкритичности /c размер области серфотронного ускорения волновымпакетом возрастает и, соответственно, существенно увеличивается максимальная энергия ускоренныхчастиц. Оптимальным для максимального серфотронного ускорения волновым пакетом является захватчастиц на его задней стороне, когда размер области ускорения наибольший.
Темп роста энергиизахваченноцй частицы возрастает с увеличение фазовой скорости волны или волнового пакета нанесущей частоте.Для неблагоприятных начальных фаз на лоступных для численных расчетов интервалах временизахвата частиц в режим серфотронного ускорения нет, заряды совершают циклотронное вращение сдовольно большим периодом. В случае неблагоприятного знака компоненты импульса частицы вдольволнового фронта, но при благоприятных остальных параметрах, частица захватывается волной иливолновым пакетом и происходит ее торможение, затем поменяв знак этой компоненты скорости зарядначинает сильное серфотронное ускорение.
Заметим, что в процессе торможения на фазовой плоскостизахваченной частицы траектория изображающей точки соответствует движению вокруг неустойчивогофокуса.Список цитированной литературы1. В.М.Лозников, Н.С.Ерохин. Переменный источник избытка космических электронов вгелиосфере. Вопросы атомной науки и техники, сер. Плазменная электроника, 2010, № 4 (68), с.121-124.2.
Katsouleas N., Dawson J.M. Unlimited electron acceleration in laser-driven plasma wave. // PhysicalReview Letters, 1983, v.51, № 5, pp.392-395.3. Joshi C. The surfatron laser-plasma accelerators. Prospects and limitations. // Radiation in plasmas,1984, v.1, № 4, pp.514-527.224. Грибов Б.Э., Сагдеев Р.З., Шапиро В.Д., Шевченко В.И. О затухании плазменных волн иускорении резонансных электронов в поперечном магнитном поле. // Письма в ЖЭТФ, 1985, т.42, вып.2,с.54-58.5. Буланов С.В., Сахаров А.С.
Ускорение частиц, захваченных сильной потенциальной волной сискривленным фронтом в магнитном поле. // Письма в ЖЭТФ, 1986, т.44, вып.9, с.421-423.6. Ситнов М.И. Максимальная энергия частиц в серфатроне в режиме ″неограниченногоускорения″. // Письма в ЖТФ, 1988, т.14, вып.1, с.89-92.7. Ерохин Н.С., Лазарев А.А., Моисеев С.С., Сагдеев Р.З. Увлечение и ускорение заряженныхчастиц замедленной волной в неоднородной плазме. // ДАН СССР, 1987, т.295, № 4, с.849-852.8. Ерохин Н.С., Моисеев С.С., Сагдеев Р.З.
Релятивистский серфинг в неоднородной плазме игенерация космических лучей. - Письма в Астрономический журнал, 1989, т.15, № 1, с.3-10.2.9. Ерохин Н.С., Зольникова Н.Н., Хачатрян А.Г. Ускорение зарядов поперек магнитного поля привзаимодействии сильной плазменной волны с многокомпонентными потоками релятивистских частиц.Физика плазмы, 1990, т.16, вып.8, с.945-947.10. Кичигин Г.Н. Особенности ускорения электронов в серфотроне. ЖЭТФ, 1995, т.108, вып.10,с.1342-1354.11. Кичигин Г.Н. Серфотронный механизм ускорения космических лучей в галактическойплазме. ЖЭТФ, 2001, т.119, вып.6, с.1038-1049.12. Н.С.Ерохин, Н.Н.Зольникова, Е.А.Кузнецов, Л.А.Михайловская.
Динамика релятивистскогоускорения заряженных частиц в космической плазме при серфинге на пакете электромагнитных волн.Вопросы атомной науки и техники, сер. Плазменная электроника, 2010, № 4 (68), с.116-120.13. Бондур В.Г., Пулинец С.А., Г.А. Ким Г.А. О роли вариаций космических лучей втропическом циклогенезе на примере урагана Катрина. Доклады академии наук, Геофизика, 2008, т.
422,с.244-249.14. В.Г. Бондур, С.А. Пулинец. Воздействие мезомасштабных атмосферных процессов наверхнюю атмосферу и ионосферу Земли. Исследование Земли из Космоса, 2012, № 3, с.3–11.15. A.A. Chernikov, G. Schmidt, A.I. Neishtadt. Unlimited Particle Acceleration by Waves in aMagnetic Field. Physical Review Letters, 1992, v.68, No 10, p.1507.16.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
