Диссертация (1155099), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Одним из главныхмеханизмов формирования потоков ультрарелятивистских частиц являетсясерфинг зарядов на электромагнитных волнах в космической плазме [2-12] причемон возможен в относительно спокойной космической плазме и не требуеткризисных процессов типа взрывов сверхновых.Поэтому для оценок числаускоренных за счет серфинга частиц, их максимальной энергии и энергетическихспектров необходим, в частности, анализ условий захвата заряженных частиц врежим сильного серфотронного ускорения волной, динамика характеристикзахваченных частиц, эффективности ускорения при воздействии пакетов и волнконечной амплитуды.
Важно также отметить, что ионизация верхней атмосферыкосмическими лучами может влиять на выпадение осадков, что при наличиивариаций КЛ (обусловленных, в частности, серфотронным ускорением) можетвызывать сильные вариации крупномасштабного циклогенеза (высотные профилитемпературыатмосферы, траектории циклонов). На связь вариаций КЛ сдинамикой крупномасштабного циклогенеза указывалось, например, в работах[13-14].Цель и задачи диссертационной работы состоит в теоретическом исследованиина основе численных расчетов серфотронного ускорения заряженных частицэлектромагнитными волнами и локализованными в пространстве волновыми6пакетами в космической плазме с упором на анализ особенностей траекторийизображающей точки на фазовой плоскости ускоряемой частицы.Для достижения поставленной цели были решены следующие научные задачи.1) На основе численных расчетов нелинейного дифференциального уравнения дляфазы волны или фазы волнового пакета на несущей частоте на траектории частицыбыли изучены захват частиц в режим серфотронного ультрарелятивистскогоускорения электромагнитными волнами в космической плазме и последующаядинамика характеристик захваченной частицы.2) Исследована структура траекторий на фазовой плоскости при воздействииэлектромагнитных волн конечной амплитуды.
Амплитуды волн считалисьзаданными и постоянными, учитывались вихревые компоненты волновых полей иинтегралы движения для ускоряемых заряженных частиц. При этомзадачасводится к анализу нестационарного, нелинейного уравнения второго порядкадиссипативноготипадляфазымонохроматическойволны(либофазылокализованного в пространстве волнового пакета на несущей частоте) натраектории частицы.3) Рассмотрена наиболее простая модель серфотронного ускорения, когда волныраспространяются поперек достаточно слабого внешнего магнитного поля.Следует отметить, что серфотронное ускорение зарядов возможно и принаклонном (к внешнему магнитному полю) распространении электромагнитнойволны причем пороговая (для захвата частиц) амплитуда волны в этом случаебудет несколько меньше (см., например, [15]).4) Проведен анализ динамики захвата частиц волнами в зависимости от начальнойэнергии заряженной частицы.
Определены оптимальные (для захвата частицы врежим ультрарелятивистского серфотронного ускорения) значения фазы волныили фазы пакета на несущей частоте в начальный момент времени на траекториичастицы.5) Рассмотрена временная динамика других характеристик заряженной частицывключая фазу волны (либо волнового пакета на несущей частоте) на траекториичастицы,компонентыееимпульсаи7скорости,типичныетраекторииизображающей точки на плоскости поперечных (к внешнему магнитному полю)компонент скорости заряда, зависимость поперечных к магнитному полюкоординат частицы от времени.Научная новизна работыРезультаты диссертации являются новыми.
Для различных значений исходныхпараметровзадачиисследованыхарактеристикизаряженныхчастицпривзаимодействии с волной или волновым пакетом, на основе которых изученаструктура фазовой плоскости для различных (слаборелятивистские, умереннорелятивистские и сильно релятивистские) начальный энергий частиц при ихсильном ускорении волнами или волновыми пакетами. Показано, что на фазовойплоскости для захваченных частиц имеется особая точка типа устойчивый фокуст.е. при сильном ускорении частицы постепенно конденсируются на дноэффективной потенциальной ямы. Для незахваченных частиц фаза волны илипакета на несущей частоте в среднем возрастает пропорционально времени иимеются ее нелинейные, периодические колебания. Определены оптимальныезначения начальной фазы, знака компоненты импульса частицы вдоль волновогофронта для ее захвата и максимального ускорения, которое реализуется приамплитудах волны выше некоторого порогового значения, зависящего от величинывнешнего магнитного поля.
Показано, что с ростом фазовой скорости волны темпроста энергии захваченной частицы увеличивается.Научная достоверность и обоснованность результатов диссертацииНаучная достоверность и обоснованность результатов диссертации обусловленакорректной постановкой решаемых задач, согласием результатов численныхрасчетов саналитическимиоценкамихарактеристикускоряемыхчастиц,публикацией результатов диссертации в рецензируемых изданиях, их апробациейна российских и международных конференциях.
Обоснованность используемыхмоделей анализа серфотронного ускорения была доказана в предшествующихдиссертации работах по серфотронному ускорению заряженных частиц волнами.Важно отметить, что численные расчеты проводились автором диссертацииодновременно с соавторами на разных компьютерах. Результаты совпадали.8Практическая значимость результатов работыПрактическая значимость результатов диссертации заключается в детальномисследовании на основе численных расчетов сильного серфотронного ускорениязаряженных частиц электромагнитными волнами в космической плазме с учетомдинамики траекторий изображающей точки на фазовой плоскости для широкогодиапазона начальных (до захвта волнами) энергий частиц.
Полученные результатыважны для понимания механизмов генерации потоков быстрых частиц вкосмической плазме включая КЛ, их изменчивости, а также для развитиясовременных методов обработки экспериментальных данных по спектрам этихпотоков и корректной интерпретации результатов обработки. Важно и то, что длякосмическихлучейсерфотронныймеханизмгенерациипотоковультра-релятивистских частиц може быть реализован в сравнительно спокойной плазме вобластях, где отсутствуют катастрофические события типа сверхновых, пульсарови взрывов галактического ядра.
При этом за счет серфинга (согласно имеющимсяпубликациям)могутвозникатьзначительныевариациивспектрахКЛ,зафиксированные в данных наблюдений. Следует отметить, что результатыпроведенного в диссертации анализа будут важны и для развития в последующемданного направления научных работ с учетом неоднородности плазмы и внешнегомагнитного поля, присутствия турбулентности, нестационарности плазмы, а такженелинейной модификации параметров плазмы ускоряющей электромагнитнойволной.На защиту выносятся следующие положения и научные результаты:1.
На фазовой плоскости для захваченный частиц поведение траекторийизображающей точки определяется наличием особой точки типа устойчивыйфокус. Поэтому траектории имея спиралевидный характер сжимаются к фокусу.2. Численными расчетами установлено, что для слаборелятивитстских начальныхэнергий частица после десятков-сотен и более циклотронных оборотов (приамплитуде волны выше критического (для серфинга) значения быстро попадает вблагоприятную фазу (в момент выполнения черенковского резонанса) и9захватываясь волной (или волновым пакетом) ускоряется до весьма большихэнергий (рост энергии на 3-6 и более порядков величины).3.
В случае локализованного в пространстве волнового пакета максимум ростаэнергии захваченной частицы определяется размером La области, в которой полеволны выше критического значения. Набор энергии захваченной частицыпропорционален La и для космической плазмы (на границе гелиосферы или вмежзвездных облаках) может быть очень дольшим.4. Для умеренно релятивистских начальных энергий частицы время ее захватаволной или волновым пакетом значительно больше. Частица совершая до захватациклотронное вращение будет на том же временном интервале существенноменьше увеличивать свою энергию. В особенности это важно при еевзаимодействии с локализованным в пространстве волновым пакетом.5.
Согласно численным расчетам для незахваченных волной частиц могут бытьинтервалы времени, когда заряды сравнительно долго находятся в благоприятнойфазе и их энергия может увеличиться в разы или на порядок.6. В случае сильно релятивистских начальных энергий (релятивистский фактордостигает сотен или выше) численные расчеты (для неблагоприятных начальныхданных) на имеющейся вычислительной технике не обнаружили захвата частицволной или пакетом. Можно полагать, особенно при взаимодействии спространственно локализованным волновым пакетом, что в данной ситуациисерфотронное ускорение не реализуется.
Например, за время циклотронноговращения волновой пакет перемещаясь с групповой скоростью сдвинетсяотносительно частицы так, что поле волнового пакета станет меньше критическогозначения и потому захват частицы будет невозможен.7. При сильном ускорении поперечные, к внешнему магнитному полю Ho ,компоненты скорости захваченной частицы выходят на асимптотические значения,апараллельнаяHoкомпонентаскоростипропорционально ее релятивистскому фактору.10частицыубываетобратноАппробация результатов работыОсновные результаты исследований по теме диссертации докладывались наежегодной Всероссийской конференции по проблемам физики частиц, физикиплазмы и конденсированных сред, оптоэлектроники, секция “Физика плазмы ивзаимодействие электромагнитного излучения с веществом“ (РУДН, Москва, 20112015 годы), на ежегодной конференции молодых ученых “Фундаментальные иприкладные космические исследования“ (ИКИ РАН, Москва, 2013-2015 годы).ПубликацииОсновные результаты исследований по теме диссертации опубликованы авторомв 9 статьях в сборниках трудов указанных выше конференций, а также в 4статьях в реферируемых российских журналах из списка ВАК включая “Физикаплазмы“:1) Динамика траекторий на фазовой плоскости при серфотронном ускоренииэлектронов с большим продольным импульсом электромагнитной волной.Физика плазмы, 2015, т.41, № 7, с.629-633, “Plasma Physics Reports“;2) “ Динамика серфторонного ускорения электронов электромагнитной волной вкосмической плазме в зависимости от продольного импульса частицы“.Прикладная физика, 2015, № 6, с.
43-47;3) “Серфотронное ускорение позитрона электромагнитными волнами приумеренно релятивистских начальных энергиях с (0) порядка (1.5–12)”. Успехисовременной науки, т. 1, № 2, 2016, с. 140-145;4) “Динамика захвата и последующего серфотронного ускорения электроновэлектромагнитными волнами в космической плазме“.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
