Прикладные аспекты пондермоторной динамики плазмы в интенсивных высокочастотных полях
Диссертация
Более подробное обсуждение результатов ряда цитируемых работ представлено в основном тексте диссертации, однако заметим, что достаточно общее описание динамики частиц вблизи циклотронного резонанса, необходимое для изучения эффекта асимметричного отражения/пропускания частиц ВЧ полем, не было сформулировано до последнего времени. Данный эффект, тем не менее, заслуживает самого пристального… Читать ещё >
Содержание
- 1. Усредненная пондермоторная сила в магнитном поле
- 1. 1. Адиабатическое дрейфовое движение
- 1. 2. Пондермоторный барьер как демон Максвелла
- 1. 3. Основные уравнения
- 1. 4. Поперечный нагрев в неоднородном магнитном поле
- 1. 5. Неадиабатическое ускорение частиц вдоль магнитного поля
- 1. 5. 1. Общие соотношения
- 1. 5. 2. Плавнонеоднородные поля
- 1. 5. 3. Разрывные поля
- 1. 6. Условия поддержания асимметричности ВЧ барьера
- 1. 7. Результаты численного моделирования
- 1. 8. Генерация плазменного тока
- 2. Усредненная пондермоторная сила для релятивистских частиц
- 2. 1. Дрейфовый лагранжиан релятивистской частицы
- 2. 2. Дрейфовое описание ускорения электронов лазерным полем
- 2. 3. Результаты численного моделирования
- 3. Усредненная пондермоторная сила в гидродинамике плазмы
- 3. 1. Обратное рамановское рассеяние
- 3. 2. Усиление лазерных импульсов при рамановском рассеянии
- 3. 2. 1. Одномерная задача
- 3. 2. 2. Модовое описание усиления импульсов в капилляре
- 3. 2. 3. Усиление в одномодовом и многомодовом режимах
- 3. 3. Объемная динамическая голография в рамановской среде
- 3. 3. 1. Основные уравнения
- 3. 3. 2. Запись и считывание оптической информации
- 3. 3. 3. Оптимальный режим хранения информации в плазме
Список литературы
- А. V. Gaponov and М. A. Miller. Use of moving high-frequency potential wells for the acceleration of charged particles. Sov. Phya. JETP 7, 515 (1958).
- A. V. Gaponov and M. A. Miller. Potential wells for charged particles in a high-frequency electromagnetic field. Sov. Phya. JETP 7, 168 (1958).
- H. Motz and C. J. H. Watson. The radio-frequency confinement and acceleration of plasmas. Advances in Electronics 23, 153 (1967).
- P. Клима. Дрейфовое приближение для поля с нерезонансной высокочастотной компонентой. ЖЭТФ 53, 882 (1967).
- Д. В. Сивухин. Общий курс физики. Т. 3. Наука, Москва 1983.
- JI. Д. Ландау, Е. М. Лившиц. Теория поля. Наука, Москва 1988.
- J. R. Ferron, N. Hershkowitz, R. A. Breun, S. N. Golovato, and R. Goulding. RF stabilization of an axisymmetric tandem mirror. Phys. Rev. Lett. 51, 1955 (1983).
- Y. Yasaka and R. Itatani. Flute stabilization due to ponderomotive force created by an RF field with a variable gradient. Phys. Rev. Lett. 56, 2811 (1986).
- C. Litwin. Dynamo effect and current drive by low-frequency waves. Phys. Plasmas 1, 515 (1994).
- S. Cuperman, C. Bruma, and K. Komoshvili. Structure and relative importance of ponderomotive forces and current drive generated by converted fast waves in pre-heated low aspect ratio tokamaks. Phys. Lett. A 311, 221 (2003).
- N. J. Fisch. Confining a tokamak plasma with rf-driven currents. Phys. Rev. Lett. 41, 873 (1978).
- N. J. Fisch and A. H. Boozer. Creating an asymmetric plasma resistivity with waves. Phya. Rev. Lett. 45, 720 (1980).
- N. J. Fisch. Theory of current drive in plasmas. Rev. Mod. Phys. 59, 175 (1987).
- N. J. Fisch and C. F. F. Karney. Current generation with low-frequency waves. Phys. Fluids 24, 27 (1981).
- N. J. Fisch. Current generation by minority-species heating. Nuclear Fusion 21, 15 (1981).
- В. I. Cohen, R. H. Cohen, B. G. Logan, W. M. Nevins, G. R. Smith, A. V. Kluge, and A. H. Kritz. Beat wave current drive with intense pulsed free-electron lasers. Nuclear Fusion 28, 1519 (1988).
- P. B. Parks and F. B. Marcus. Current production by cyclotron heating of electrons passing through an axial magnetic-field gradient. Nuclear Fusion 21, 1207 (1981).
- A. J. Lichtenberg and H. L. Berk. Adiabaticity limits to radio-frequency-augmented magnetic mirror confinement. Nuclear Fusion 15, 999 (1975).
- T. Consoli and R. B. Hall. Plasma acceleration by electromagnetic and magnetostatic field gradients. Nuclear Fusion 3, 237 (1963).
- T. Hatori and T. Watanabe. Critical energy for adiabatic R.F. plugging. Nuclear Fusion 15, 143 (1975).
- E. S. Weibel. Separation of isotopes. Phys. Rev. Lett. 44, 377 (1980).
- D. ter Haar. Elements of statistical mechanics. Rinehart, New York 1954.
- R. Kubo. Statistical mechanics: an advanced course with problems and solutions. North-Holland, Amsterdam- New York 1981.
- Б. В. Суворов, M. Д. Токман. К теории генерации ускоренных электронов при циклотронном нагреве плазмы. Физика плазмы 14, 950 (1988).
- A. G. Litvak, А. М. Sergeev, Е. V. Suvorov, М. D. Tokman, and I. V. Khazanov. On nonlinear effects in electron-cyclotron resonance plasma heating by microwave radiation. Phys. Fluids В 5, 4347 (1993).
- N. J. Fisch, J. M. Rax, and I. Y. Dodin. Current Drive in a Ponderomotive Potential with Sign Reversal. Phys. Rev. Lett. 91, 205 004 (2003).
- I. Y. Dodin and N. J. Fisch. Ponderomotive barrier as a Maxwell demon. Направлено в журнал Phys. Plasmas (2004).
- Б. Canobbio. Gyroresonant particle acceleration in a non-uniform magnetostatic field. Nuclear Fusion 9, 27 (1969).
- B. Hafizi and R. Б. Aamodt. Relativistic electron motion in the presence of cyclotron resonant electromagnetic waves. Phys. Fluids 30, 3059 (1987).
- G. Dimonte, В. M. Lamb, and G. J. Morales. Effects of nonadiabaticity on applications of the ponderomotive force near gyroresonance. Plasma Phys. 25, 713 (1983).
- В. M. Lamb, G. Dimonte, and G. J. Morales. Behavior of the ponderomotive effect near gyroresonance. Phys. Fluids 27, 1401 (1984).
- Б. В. Суворов, M. Д. Токман. К теории СВЧ пробоя разреженного газа в адиабатической магнитной ловушке при электронно-циклотронном резонансе. Физика плазмы, 15, 934 (1989).
- J. J. Martinell. Particle motion near the resonant surface of a high-frequency wave in a magnetized plasma. Rev. Мех. Fis. 48, 239 (2002).
- H. P. Eubank. Single-particle confinement studies in a radio-frequency-supplemented magnetic mirror. Phys. Fluids 12, 234 (1969).
- A. Guglielmi and R. Lundin. Ponderomotive upward acceleration of ions by ion cyclotron and Alvfen waves over the polar regions. J. Geophys. Res. 106, 13 219 (2001).
- M. D. Perry, D. Pennington, В. C. Stuart, G. Tiebohl, J.A. Britten, C. Brown, S. Herman, B. Golick, M. Kartz, J. Miller, H. T. Powell, M. Vergino, and V. Yanovsky. Petawatt laser pulses. Optics Lett. 24, 160 (1999).
- M. H. Key, M. D. Cable, Т. E. Cowan, K. G. Estabrook, B. A. Hammel, S. P. Hatchett, E. A. Henry, D. E. Hinkel, J. D. Kilkenny, J. A. Koch, W. L. Kruer, A. B. Langdon, B. F. Lasinski, R. W. Lee, B. J. MacGowan, A. MacKinnon, J. D.
- D. Bauer, P. Mulser, and W. H. Steeb. Relativistic ponderomotive force, uphill acceleration, and transition to chaos. Phys. Rev. Lett. 75, 4622 (1995).
- T. W. B. Kibble. Mutual refraction of electrons and photons. Phys. Rev. 150,1060 (1966).
- J. H. Eberly and A. Sleeper. Trajectory and mass shift of a classical electron in a radiation pulse. Phys. Rev. 176, 1570 (1968).
- P. Mora and T. A. Antonsen Jr. Kinetic modeling of intense, short laser pulses propagating in tenuous plasmas. Phys. Plasmas 4, 217 (1997).
- E. S. Sarachik and G. T. Schappert. Classical theory of scattering of intense laser radiation by free electrons. Phys. Rev. D 1, 2738 (1970).
- J. M. Rax and N. J. Fisch. Nonlinear relativistic interaction of an ultrashort laser pulse with a cold plasma. Phys. Fluids B 4, 1323 (1992).
- J. M. Rax. Compton harmonic resonances, stochastic instabilities, quasilinear diffusion, and collisionless damping with ultra-high-intensity laser waves. Phys. Fluids B 4, 3962 (1992).
- J. M. Rax and N. J. Fisch. Ultrahigh intensity laser-plasma interaction: A Lagrangian approach. Phys. Fluids B 5, 2578 (1993).
- J. M. Rax and N. J. Fisch. Third-harmonic generation with ultrahigh-intensity laser pulses. Phys. Rev. Lett. 69, 772 (1992).
- Н. С. Гинзбург, М. Д. Токман. Релятивистски инвариантная форма усредненных уравнений движения электрона в поле двух интенсивных электромагнитных волн. ЖТФ 57, 409 (1987).
- М. D. Tokman. Effect of the ponderomotive force of a relativistically strong wave field on charged particles. Plasma Phys. Rep. 25, 140 (1999).
- I. Y. Dodin, N. J. Fisch, and G. M. Fraiman. Drift Lagrangian for relativistic particle in intense laser field. JETP Lett. 78, 202 (2003).
- J. Б. Moore and N. J. Fisch. Guiding-center equations for electrons in ultraintense laser fields. Phys. Plasmas 1, 1105 (1994).
- B. Quesnel and P. Mora. Theory and simulation of the interaction of ultraintense laser pulses with electrons in vacuum. Phys. Rev. E 58, 3719 (1998).
- J. X. Wang, Y. К. Ho, Q. Kong, L. J. Zhu, L. Feng, S. Scheid, and H. Нога. Electron capture and violent acceleration by an extra-intense laser beam. Phys. Rev. E 58, 6575 (1998).
- P. X. Wang, Y. К. Но, X. Q. Yuan, Q. Kong, N. Cao, A. M. Sessler, E. Esarey, and Y. Nishida. Vacuum electron acceleration by an intense laser. Appl. Phys. Lett. 78, 2253 (2001).
- Q. Kong, Y. К. Ho, J. X. Wang, P. X. Wang, L. Feng, and Z. S. Yuan. Conditions for electron capture by an ultraintense stationary laser beam. Phys. Rev. E 61,1981 (2000).
- Y. I. Salamin and С. H. Keitel. Electron acceleration by a tightly focused laser beam. Phys. Rev. Lett. 88, 95 005 (2002).
- Y. Cheng and Z. Xu. Vacuum laser acceleration by an ultrashort, high-intensity laser pulse with a sharp rising edge. Appl. Phys. Lett. 74, 2116 (1999).
- S. X. Hu and A. F. Star ace. GeV electrons from ultraintense laser interaction with highly charged ions. Phys. Rev. Lett. 88, 245 003 (2002).
- P. H. Bucksbaum, M. Bashkansky, and T. J. McDrath. Scattering of electrons by intense coherent light. Phys. Rev. Lett. 58, 349 (1987).
- C. I. Moore, J. P. Knauer, and D. D. Meyerhofer. Observation of the transition from Thomson to Compton-scattering in multiphoton interactions with low-energy electrons. Phys. Rev. Lett. 74, 2439 (1995).
- G. Malka and J. L. Miquel. Experimental confirmation of ponderomotive-force electrons produced by an ultrarelativistic laser pulse on a solid target. Phys. Rev. Lett. 77, 75 (1996).
- G. Malka, E. Lefebvre, and J. L. Miquel. Experimental observation of electrons accelerated in vacuum to relativistic energies by a high-intensity laser. Phys. Rev. Lett. 78, 3314 (1997).
- F. V. Hartemann, S. N. Fochs, G. P. Lesage, L. C. Luhmann Jr., J. G. Woodworth, M. D. Perry, Y. J. Chen, and A. K. Kerman. Nonlinear ponderomotive scattering of relativistic electrons by an intense laser field at focus. Phys. Rev. E 51, 4833 (1995).
- E. Esarey, P. Sprangle, and J. Krall. Laser acceleration of electrons in vacuum. Phys. Rev. E 52, 5443 (1995).
- E. J. Bochove, G. T. Moore, and M. O. Scully. Acceleration of particles by an asymmetric Hermite-Gaussian laser beam. Phys. Rev. A 46, 6640 (1992).
- K. T. McDonald. Comment on «Experimental observation of electrons accelerated in vacuum to relativistic energies by a high-intensity laser». Phys. Rev. Lett. 80, 1350 (1998).
- A. G. Litvak. Finite-amplitude wave beams in a magnetoactive plasma. Sov. Phys. JETP 30, 344 (1970).
- W. L. Kruer. The physics of laser plasma interactions. Addison-Wesley Publ. 1988.
- V. M. Malkin, G. Shvets, and N. J. Fisch. Ultra-powerful compact amplifiers for short laser pulses. Phys. Plasmas 7, 2232 (2000).
- V. M. Malkin, G. Shvets, and N. J. Fisch. Fast compression of laser beams to highly overcritical powers. Phys. Rev. Lett. 82, 4448 (1999).
- V. M. Malkin, G. Shvets, and N. J. Fisch. Detuned Raman amplification of short laser pulses in plasma. Phys. Rev. Lett. 84, 1208 (2000).
- G. M. Fraiman, N. A. Yampolsky, V. M. Malkin, and N. J. Fisch. Robustness of laser phase fronts in backward Raman amplifiers. Phys. Plasmas 9, 3617 (2002).
- I. Y. Dodin, G. M. Fraiman, V. M. Malkin, and N. J. Fisch. Amplification of short laser pulses by Raman backscattering in capillary plasmas. JETP 95, 625 (2002).
- G. A. Mourou, C. P. J. Barty, and M. D. Perry. TJltrahigh-intensity lasers: physics of the extreme on a tabletop. Phys. Today 51, 22 (1998).
- I. Y. Dodin and N. J. Fisch. Storing, retrieving, and processing optical information by Raman backscattering in plasmas. Phys. Rev. Lett. 88, 165 001 (2002).
- I. Y. Dodin and N. J. Fisch. Dynamic volume holography and optical information processing by Raman scattering. Optics Comm. 214, 83 (2002).
- I. Y. Dodin and N. J. Fisch. Approximate integrals of rf-driven particle motion in magnetic field. Принято к публикации в журнале J. Plasma Phys. (2004).
- A. Kildal. The ponderomotive force on a charge q, moving in an electromagnetic field. Contrib. Plasma Phys. 39, 349 (1999).
- C. Grebogi, A. N. Kaufman, and R. G. Littlejohn. Hamiltonian theory of ponderomotive effects of an electromagnetic wave in a nonuniform magnetic field. Phys. Rev. Lett. 43, 1668 (1979).
- F. Jaeger, A. J. Lichtenberg, and M. A. Lieberman. Theory of electron-cyclotron resonance heating I. Short time and adiabatic effects. Plasma Phys. 14, 1073 (1972).
- A. Yu. Kuyanov, A. A. Skovoroda, and M. D. Tokman. On the influence of quasilinear distortion of the electron distribution function on ECCD efficiency. Plasma Phys. Contr. Fusion 39, 277 (1997).
- I. Y. Dodin and N. J. Fisch. Relativistic electron acceleration in focused laser fields after above-threshold ionization. Phys. Rev. E 68, 56 402 (2003).
- S. C. Wilks, A. B. Langdon, Т. E. Cowan, M. Roth, M. Singh, S. Hatchett, M. H. Key, D. Pennington, A. MacKinnon, and R. A. Snavely. Energetic proton generation in ultra-intense laser-solid interactions. Phys. Plasmas 8, 542 (2001).
- I. Y. Dodin, G. M. Fraiman, V. M. Malkin, and N. J. Fisch. Raman-backscattering short laser pulses amplification in capillary plasmas. Препринт ИПФ PAH 577, H. Новгород (2001).
- И. E. Додин, Г. M. Фрайман. Усиление коротких лазерных импульсов в плазме сверхразмерного диэлектрического капилляра. Прикладная физика 5, 28 (2002).
- Е. A. J. Marcatili and R. A. Schmeltzer. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Long Dist. Opt. Comm. 43, 1783 (1964).
- JI. А. Вайнштейн. Электромагнитные волны. Радио и связь, Москва 1988.
- С. S. Gardner. Bound on the energy available from a plasma. Phys. Fluids В 6, 839 (1963).
- I. B. Bernstein. Waves in a plasma in a magnetic field. Phys. Rev. 109,10 (1958).
- N. J. Fisch and J. M. Rax. Free energy in plasmas under wave-induced diffusion. Phys. Fluids В 5,1754 (1993).
- I. S. Danilkin. Partially reduced action for the description of a charged-particle drift in a magnetic-field. Plasma Phys. Rep. 21, 777 (1995).
- A. J. Lichtenberg and M. A. Lieberman. Regular and Chaotic Dynamics. 2 edn. Springier Verlag, New York 1992.
- R. White, L. Chen, and Z. Lin. Resonant plasma heating below the cyclotron frequency. Phys. Plasmas 9, 1890 (2002).
- JI. Д. Ландау, E. M. Лившиц. Механика. Наука, Москва 1988.
- Е. М. Лившиц, Л. П. Питаевский. Физическая кинетика. Наука, Москва 1979.
- М. Pont, N. R. Walet, and М. Gavrila. Radiative distortion of the hydrogen-atom in superintense, high-frequency fields of linear polarization. Phys. Rev. A 41, 477 (1990).
- M. H. Mittleman. Introduction to the theory of laser-atom interactions. Plenum Press, New York 1993.
- A. Maltsev and T. Ditmire. Above threshold ionization in tightly focused, strongly relativistic laser fields. Phys. Rev. Lett. 90, 53 002 (2003).
- С. I. Moore, A. Ting, T. Jones, E. Briscoe, B. Hafizi, R. F. Hubbard, and P. Sprangle. Measurements of energetic electrons from the high-intensity laser ionization of gases. Phys. Plasmas 8, 2481 (2001).
- N. H. Burnett and P. B. Corkum. Cold-plasma production for recombination extreme-ultraviolet lasers by optical-field-induced ionization. J. Opt. Soc. Am. В 6, 1195 (1989).
- N. A. Yampolsky, V. M. Malkin, and N. J. Fisch. Finite-duration seeding effects in powerful backward Raman amplifiers. Направлено в журнал Phys. Rev. E (2004).
- D. Gabor. Microscopy by reconstructed wave-fronts. Proc. R. Soc. A (London) 197, 454 (1949).
- Ю. H. Денисюк. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения. Оптика и спектроскопия 15, 522 (1963).
- S. Mookheijea and A. Yariv. Optical pulse propagation and holographic storage in a coupled-resonator optical waveguide. Phys. Rev. E 6406, 66 602 (2001).
- I. P. Woerdman. Formation of a transient free carrier hologram in Si. Opt. Commun. 2, 212 (1970).
- Б.Я.Зельдович, Н. Р. Пилипецкий, В. В. Шкунов. Обращение волнового фронта. Наука, Москва 1985.
- Yu. N. Denisyuk, A. Andreoni, and М. А. С. Potenza. Recording of a hologram by using the second-order nonlinearity. Opt. Spectrosc. 89, 113 (2000).
- D. F. Philips, A. Fleischhauer, A. Mair, R. L. Walsworth, and M. D. Lukin. Storage of light in atomic vapor. Phys. Rev. Lett. 86, 783 (2001).
- M. Fleischhauer, S. F. Yelin, and M. D. Lukin. How to trap photons? Storing single-photon quantum states in collective atomic excitations. Opt. Comm. 179, 395 (2000).
- D. J. Каир, A. Reiman, and A. Bers. Space-time evolution of nonlinear three-wave interactions. I. Interaction in a homogeneous medium. Rev. Mod. Phys. 51, 275 (1979).
- M. И. Рабинович, Д. И. Трубецков. Введение в теорию колебаний и волн. Наука, Москва 1984.
- A. A. Andreoni, М. Bondani, М. А. С. Potenza, Yu. N. Denisyuk, and E. Puddu. Boolean algebra operations performed on optical bits by the generation of holographic fields through second-order nonlinear interactions. Rev. Sd. Inst. 72, 2525 (2001).
- A. I. Sokolovskaya. Fundamental studies of stimulated Raman scattering and adaptive optics on the basis of stimulated light scattering. J. Russ. Laser Res. 19, 244 (1998).
- А. И. Ахиезер, P. В. Половин, И. А. Ахиезер, А. Г. Ситенко, К. Н. Степанов. Электродинамика плазмы. Наука, Москва 1974.
- I. Y. Dodin and N. J. Fisch. Variational formulation of the Gardner’s restacking algorithm. Направлено в журнал J. Math. Phys. (2004).