Сегодня - 23.09.2020

Механизм пучково-плазменной антенны откроет путь к созданию сверхмощного источника терагерцового излучения

16 июля 2020
 
Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН работают над теоретическим и численным исследованием механизма генерации электромагнитного излучения пучково-плазменной антенной, то есть тонкой пучково-плазменной системой, размеры которой сравнимы с длиной излучаемых волн. Изучение вопросов, связанных с генерацией ЭМ-излучения из плазмы под действием электронного пучка, относится к числу наиболее фундаментальных и актуальных задач физики плазмы. В будущем понимание этих механизмов поможет объяснить различные физические явления в космической плазме, например, радиовсплески на Солнце, а также поможет в создании мощного источника терагерцового излучения, обладающего огромным прикладным потенциалом. На данный момент специалисты разработали теорию пучково-плазменной антенны, провели численное моделирование плазменных процессов и предложили сценарий генерации ЭМ излучения в плазменном эксперименте. Работы выполняются при поддержке гранта РФФИ (18-02-00232).
 
«Вопрос излучения из плазмы под действием электронного пучка не является принципиально новым – он активно изучается на протяжении уже более полувека, например, в контексте солнечных радиовсплесков II и III типов, в которых излучение рождается в процессе распространения потоков электронов по плазме солнечной короны, — рассказала аспирант ИЯФ СО РАН Евгения Павловна Волчок. — Для объяснения этого излучения было предложено множество теорий, однако большинство из них традиционно рассматривают безграничную плазму, что логично для таких космических масштабов. В лабораторных экспериментах условия другие — плазма узкая. Мы изучаем возможность эффективной генерации мощного электромагнитного излучения в тонкой пучково-плазменной системе, поперечные размеры которой сравнимы с длиной излучаемых волн. В такой плазме многие процессы идут иначе, а значит, просто применить уже существующие теории нельзя — нужно было разработать свою теорию».
 
Первые указания на существование нового механизма излучения были получены в экспериментах на установке ГОЛ-3 ИЯФ СО РАН в 2013 году. В этих экспериментах исследовался турбулентный нагрев плазмы электронным пучком и был зарегистрирован непривычно высокий уровень электромагнитного излучения в режиме, когда диаметр пучка становился сравнимым с длиной волны возбуждаемых пучком колебаний. Позднее теоретики показали, что для эффективной генерации ЭМ волн вблизи плазменной частоты нужен не только малый поперечный размер системы, но и продольная модуляция плотности плазмы с подходящим периодом. В этом случае система плазма-пучок может излучать электромагнитные волны как дипольная антенна (отсюда и название механизма). Результаты, представленные в 2020 году, позволили обобщить теорию пучково-плазменной антенны на случай генерации излучения вблизи удвоенной плазменной частоты.
 
«Мы заметили, что и в экспериментах, и в численных расчетах генерация ЭМ волн на плазменной и удвоенной плазменной частотах имеет сравнимую эффективность. Включая в рассмотрение процессы нелинейной конверсии неустойчивых пучковых колебаний на периодическом возмущении плотности плазмы, мы показали, что эти процессы действительно могут участвовать в генерации ЭМ излучения на удвоенной плазменной частоте посредством антенного механизма, а также определили угловые и энергетические характеристики этого излучения. Эти результаты были проверены численным моделированием методом частиц в ячейках. С помощью этого метода были исследованы границы применимости теоретической модели и установлены режимы, при которых излучение будет наиболее эффективным. Также мы показали, что мощность излучения может достигать нескольких процентов от мощности пучка», — объяснила Евгения Волчок.
 
Исследованный механизм генерации ЭМ волн имеет фундаментальное значение как для развития представлений об излучении космической плазмы, так и для создания мощного источника терагерцового излучения.
 
«Область применимости этого механизма отнюдь не ограничена малыми поперечными размерами пучка и образуемой им плазмы, — добавил ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН доктор физико-математических наук Игорь Валерьевич Тимофеев. — Этот механизм может включаться и в пространственно-протяженных системах, если развитие пучковой неустойчивости или нарастание модуляции плотности по разным причинам локализовано на масштабах порядка длины волны излучения. Этот механизм даже не требует наличия пучка в плазме. В частности, наши недавние исследования показали, что он должен играть заметную роль в экспериментах по лобовому столкновению лазерных кильватерных волн, которые сегодня проводятся совместно с Институтом лазерной физики СО РАН».
 
По словам Игоря Тимофеева, основную перспективу практического применения изученного механизма специалисты видят в возможности генерации ТГц излучения гигаваттного уровня мощности за счет использования мульти-гигаваттных электронных пучков. «Выход на рекордную мощность и энергию ТГц излучения откроет дверь в новую физику, связанную с направленным воздействием такого излучения на различные неравновесные состояния материи — фотоиндуцированные фазовые переходы, сверхпроводимость, спиновые волны и так далее», — пояснил специалист.
 
Пресс-служба ИЯФ СО РАН
 
Поделись с друзьями: 

Система Orphus