Сибирские ученые создают сверхмощный источник терагерцового излучения - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Сибирские ученые создают сверхмощный источник терагерцового излучения

16.07.2020

Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) работают над теоретическим и численным исследованием механизма генерации электромагнитного (ЭМ) 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. Промежуточные результаты были представлены на Конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН 2020 г. 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 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 г. 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 г., позволили обобщить теорию пучково-плазменной антенны на случай генерации излучения вблизи удвоенной плазменной частоты.

Работа, результаты которой были представлены на Конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН, была посвящена развитию предложенного ранее механизма,

– объяснила Евгения Волчок.

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.

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 Лаборатории 9-0 ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Игорь 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 т.д.,

– пояснил специалист.

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2