к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике
А  Б  В  Г  Д  Е  Ж  З  И  К  Л  М  Н  О  П  Р  С  Т  У  Ф  Х  Ц  Ч  Ш  Э  Ю  Я  

Эхо плазменное
Эхо плазменное - самопроизвольный когерентный отклик плазмы на внеш. эл--магн. воздействие, происходящий с пространств. или временным сдвигом относительно этого воздействия и обусловленный обращением процесса бесстолкновит. релаксации возбуждений за счёт нелинейности либо неоднородности плазмы.

Виды плазменного эха и условия наблюдения. В зависимости от постановки эксперимента различают два осн. вида плазменного эха: временное и пространственное. Пространств. Э. п. возникает, когда области эл--магн. воздействия (источника) и когерентного отклика плазмы разнесены в пространстве, но действие источника и отклик плазмы происходят практически одновременно. Если источник и отклик плазмы пространственно совмещены, но отклик плазмы возникает с нек-рым запаздыванием во времени, то говорят о временном плазменном эхе. Возможен и комбинированный вариант - пространств--временное эхо, возникающее, напр., при воздействии на плазму двумя последовательными электрич. импульсами с помощью разнесённых в пространстве сеток.

Плазменное эхо может наблюдаться в разл. условиях: в изотропной плазме, в плазме, находящейся во внеш. магн. поле, на модах непрерывного спектра возбуждений ленгмюровской турбулентности, на поверхностных колебаниях неоднородного переходного слоя холодной плазмы. Плазменное эхо может возникнуть и в столкновительной плазме полупроводников, а также в сильно вырожденной электронной плазме, примером к-рой могут служить свободные носители заряда в металлах (см. Плазма твёрдых тел).

Плазменное эхо приводит к ряду нелинейных явлений, напр. нелокальному нелинейному преобразованию эл--магн. волн, просветлению закритических плазменных слоев и т. д. Э. п. может быть использовано для диагностики плазмы; в твердотельной плазме с помощью Э. п. изучают зонную структуру полупроводников и металлов, взаимодействие частиц с границей; в слаботурбулентной плазме исследуют турбулентные процессы. Линейное Э. п. в неоднородном магн. поле существенно увеличивает поглощение быстрой магнитозвуковой волны при нагреве плазмы в магн. ловушках на второй гармонике ионной гирочастоты. Э. п. может возникать и в космич. плазме.

Возникновение плазменного эхо обусловлено существованием непрерывного спектра колебаний плазмы (см. Трансформация волн в плазме) и отражает наличие "памяти" на мик-роскопич. уровне системы о внеш. воздействии. Обращение процесса бесстолкновительной релаксации возбуждений, выявляющее эту скрытую память, происходит благодаря фазовой фокусировке мод непрерывного спектра. Диссипативные факторы (столкновения заряж. частиц, диффузия ленгмюровских плазмонов и др.), разрушающие память системы, ограничивают возможности наблюдения Э. п. В реальных условиях для обнаружения пространств. Э. п. необходимо, чтобы эффективная длина свободного пробега частиц плазмы значительно превышала расстояние от источника до точки возникновения Э. п. В случае временного Э. п. время между столкновениями частиц должно быть значительно больше интервала между импульсами.

Плазменное эхо может возникать на ленгмюровских, ионно-звуко-вых, циклотронных и др. волнах. В однородной плазме Э. п. является сугубо нелинейным эффектом, поскольку только нелинейность приводит к фазовой фокусировке мод непрерывного спектра, т. е. к обращению процесса бесстолкновительной релаксации возбуждений (в частности, обращению Ландау затухания). Фазовая фокусировка мод непрерывного спектра возможна и за счёт неоднородности, напр. неоднородности плотности плазмы либо неоднородности удерживающего плазму внеш. магн. поля. В этом случае возможно наблюдение линейного Э. п.

Механизмы возникновения эха в однородной плазме

Схема возникновения пространственного плазменного эха второго порядка. 

Пространственное плазменное эхо в изотропной плазме. Возникновение пространственного нелинейного Э. п. можно рассмотреть на простом примере. Пусть в плазме находится сетка, на к-рую подаётся периодич. электрич. сигнал с частотой w1 и амплитудой электрич. поля Е1. На нек-ром расстоянии l от неё расположена 2-я сетка, на к-рую подаётся сигнал с частотой w2 и амплитудой Е2. Сетки возбуждают в плазме ленгмюровские волны (рис.), к-рые вследствие затухания Ландау поглощаются на расстояниях от источника, порядка обратного пространств. декремента затухания l1,2~1/(w1,2). Однако несмотря на затухание ленгмюровских волн, на расстоянии zэ = w2l/w3 от 1-й сетки, существенно превышающем l1,2, наблюдается самопроизвольно возникающий электрич. импульс на разностной частоте w3 = w2 - w1-эхо. Физ. механизм возникновения плазменного эха связан с тем, что одновременно с ленгмюровскими волнами источник возбуждает в бесстолкновительной плазме незатухающие моды непрерывного спектра, соответствующие модулированным микропотокам частиц. Нелинейная интерференция этих мод и приводит к спонтанному возникновению макроскопич. электрич. поля. Механизм генерации плазменного эха носит, по существу, кине-матич. характер и наиб. кратко может быть описан в рамках т. н. баллистич. приближения в результате решения кинетич. уравнения свободного движения заряженных частиц дf/дt + uдf/дz = 0. Сетка 1 возбуждает в плазме моды непрерывного спектра вида

где гладкая функция g1(u) описывает распределение частиц по скоростям. 2-я сетка вносит в плазму новое возмущение типа (1) на частоте w2. Кроме того, она модулирует с частотой w2 моды непрерывного спектра (1), порождая тем самым во 2-м порядке по амплитудам источников нелинейное возмущение функции распределения

являющееся источником эхового сигнала. Для возникновения плазменного эха необходимо, чтобы микропотоки частиц модулировались последовательно: сначала источником на частоте w1, а затем источником на более высокой частоте w2. В точке возникновения эха zэ фаза функции распределения (2) не зависит от скорости частиц u, т. е. микропотоки становятся когерентными. Это приводит при суммировании по скоростям микропотоков к появлению в окрестности точки zэ макроскопич. плотности заряда и соответственно электрич. поля, осциллирующих на разностной частоте wэ. Область локализации источника эхового сигнала, являющегося суперпозицией мод непрерывного спектра (2), имеет характерный размер Dzэ~uTe/w3, где uТе - тепловая скорость электронов плазмы. На расстояниях Dz>>zэ от точки эха источник эхового сигнала быстро затухает за счёт фазового перемешивания мод непрерывного спектра. При максвелловском распределении частиц плазмы по скоростям затухание происходит по закону

В баллистич. приближении частоты wl,2,3 значительно превосходят плазменную wре (см. Волны в плазме ),поэтому возбуждаемое источником эхового сигнала электрич. поле имеет максимум в точке эха zэ, а при удалении от неё убывает по закону (3) Однако если разностная частота w3 близка к плазменной (w3 - wре<<wре), Э. п. асимметрично по форме: слева от точки эха эл--магн. поле затухает по экспоненте (3) на расстояниях порядка дебаевского радиуса lДе = uТе/wре, а справа, за счёт дополнит. возбуждения медленно затухающей ленгмюровской волны,- на гораздо больших расстояниях - порядка обратного пространств. декремента затухания ленгмюровской волны 1/(w3). В случае близких частот источников разностная частота может попасть в диапазон ионно-звуковых частот собств. колебаний плазмы, тогда справа от точки эха возбуждается бегущая ионно-звуковая волна.

Кроме плазменного эха 2-го порядка по амплитудам источников, возможны эффекты Э. п. высших порядков, напр. 3-го порядка на поперечных волнах в изотропной плазме. В ограниченной плазме появляются новые особенности Э. п., в частности возможно эхо от одного источника, эховые сигналы заданного порядка могут наблюдаться одновременно во множестве точек.

Временное плазменное эхо в изотропной плазме. В случае временного Э. п. 2-го порядка 1-й электрич. импульс E1d(t)exp(ik1z), периодический в пространстве, возбуждает ленгмюровскую волну и пакет мод непрерывного спектра (k1 - волновой вектор). После того как вызванное 1-м импульсом макроскопич. возмущение плазмы исчезает, 2-й импульс с амплитудой Е2 и со сдвигом по времени т возбуждает др. ленгмюровскую волну и моды непрерывного спектра с волновым вектором k2, а также модулирует за счёт нелинейности оставшееся микровозмущение от 1-го импульса, порождая модулированные на длине волны l3 = 2p/k3 (где k3=k2- k1)микропотоки частиц. Макроскопич. возмущение плазмы от 2-го импульса исчезает аналогично 1-му. Однако в момент времени t= k2t/k3 за счёт фазовой фокусировки мод непрерывного спектра микропотоки становятся когерентными, и в плазме возникают макроскопич. плотность заряда и электрич. поле. При максвелловском распределении частиц по скоростям источник эхового сигнала

периодичен в пространстве и имеет гауссову форму во времени с характерной полушириной Dtэ~ 1/k3uTe. Для длин волн l3, существенно превышающих дебаевский радиус электронов, этот источник порождает всплеск элек-трич. поля вида (4) и медленно затухающую ленгмюров-скую волну.

С увеличением амплитуд внеш. источников вследствие конкуренции двух эффектов-роста амплитуды источника эхового сигнала (2) и дефокусирующего влияния нелинейности- эховый сигнал вначале также возрастает, достигает насыщения, а затем убывает при дальнейшем увеличении амплитуд внеш. источников.

Влияние внешнего магнитного поля. При наложении на плазму внеш. магн. поля появляются дополнит. эффекты: 1) доминирующую роль в возникновении Э. п. может играть циклотронное поглощение волн; 2) Э. п. может возникать не только на разностной, но и на суммарной частотах внеш. источников; 3) амплитуда эхового сигнала может существенно зависеть от величины внеш. магн. поля; 4) неоднородность распределённых внеш. источников в направлении поперёк магн. поля может качественно изменить картину формирования эха.

Плазменное эхо в слаботурбулентной бесстолкновительной плазме может возбуждаться на модах непрерывного спектра в отклике слабой турбулентности на внеш. воздействие. Возбуждение Э. п. в турбулентной плазме происходит в осн. аналогично изложенному выше. Напр., в случае пространств. Э. п. 2-го порядка первый источник, расположенный в точке z = 0, возбуждает на частоте W1 ионно-звуковую волну и порождает возмущение спектральной плотности плазмонов N1k вида

Здесь ugz-групповая скорость плазмонов. Вследствие резонансного затухания ионно-звуковых волн в газе плазмонов с декрементом gs и фазового перемешивания мод непрерывного спектра (5) вносимое первым источником макроскопич. возмущение исчезает на расстояниях порядка cs/gs, где cs-скорость звука. Второй источник, расположенный в точке z = l>>cs/gs, возбуждает в плазме на частоте W2 ионно-звуковую волну и возмущение типа (5) и, кроме того, модулируя моды непрерывного спектра от первого источника, порождает на разностной частоте W3=W2-W1 нелинейное возмущение спектральной плотности плазмонов, являющееся источником эхового сигнала. В точке эха zэ = W2l/W3 моды непрерывного спектра становятся когерентными, поэтому суммирование по k приводит к возникновению в окрестности точки zэ макроскопич. возмущения концентрации плазмы dnэ. Пространств. форма эхового сигнала несимметрична: слева от точки эха профиль амплитуды dnэ описывается функцией ехр(x), а справа - функцией x ехр( -x,), где x = g3(z -zэ)/cs.

Диффузия плазмонов, разрушая фазовую память системы, приводит к экспоненц. ослаблению эхового сигнала.

Эхо плазменное в неоднородной плазме

Гидродинамическое плазменное эхо. (специфический вид эха) возникает в холодной бесстолкновительной плазме с размытой границей, представляющей собой неоднородный узкий переходный слой, толщина к-рого l мала по сравнению с поперечной длиной волны l| = 2p/k| поверхностных колебаний. Вследствие размытости границы плазмы поверхностные волны , испытывают бесстолкновительное затухание, обусловленное перекачкой их энергии в продольные ленгмюровские колебания, декремент к-рого gs пропорционален толщине переходного слоя. В холодной бесстолкновительной плазме ленгмюровские колебания являются незатухающими. Поскольку в каждой плоскости х=const ленгмюровские колебания происходят со своей локальной частотой wре(х), волновой вектор с течением времени возрастает, а макроскопич. возмущения, напр. поверхностный заряд переходного слоя, исчезают вследствие бесстолкновительного затухания поверхностных волн и фазового перемешивания ленгмюровских колебаний. В простейшем случае нелинейное гидродинамич. плазменное эхо возникает след. образом. Два коротких сторонних импульса вида Eст = E1,2(t)exp (ik1,2y} воздействуют на плазму переходного слоя в моменты времени t = 0 и t = t, порождая нелинейные возмущения с поперечными волновыми векторами kb=k2 +  k1. Фазовая фокусировка этих микро-скопич. возмущений в момент времени t = 2t приводит к возбуждению эхового сигнала в виде макроскопич. поверхностного заряда переходного слоя. Для t<2t амплитуда Э. п. нарастает пропорционально exp[g1 (t-2t)], затем эховый сигнал затухает по закону exp[gs(k+)(2t - t)].

Аналогичным образом возникает плазменное эхо на локальном альвеновском резонансе в переходном слое магнитоактив-ной плазмы.

Линейное плазменное эхо в неоднородной плазме. Дополнит. качеств. эффекты возникновения Э. п. в неоднородной плазме связаны с изменением условий распространения волн и линейным механизмом фазовой фокусировки мод непрерывного спектра. В слабонеоднородной изотропной плазме (напр., благодаря фазовой фокусировке мод непрерывного спектра неоднородностью) возможно возникновение Э. п. на суммарной частоте внеш. источников во 2-м порядке по их амплитудам; возможно линейное Э. п. на ленгмюровских и необыкновенных волнах. При малых амплитудах наиб. практич. интерес представляет линейное Э. п., к-рое проявляется в виде нелокального отражения ленгмюровских волн в слабонеоднородной изотропной плазме, регенерации необыкновенной волны в плазме, находящейся в неоднородном внеш. магн. поле, нелокального прохождения поперечных эл--магн. волн через непрозрачный слой изотропной слабонеоднородной плазмы, баллистической трансформации волн. В каждом из указанных случаев механизмы возникновения Э. п. несколько различаются. Напр., регенерация необыкновенной волны в плазме, находящейся в неоднородном магн. поле, обусловлена обращением фазового перемешивания модулированных микропотоков резонансных частиц при прохождении ими областей циклотронного резонанса. Механизм его возникновения состоит в следующем. Необыкновенная волна с частотой со и волновым вектором k|| распространяется в бесстолкновительной плазме вдоль слабонеоднородного внеш. магн. поля, пространств. профиль напряжённости к-рого имеет вид горба. В результате циклотронного поглощения волна затухает на резонансных частицах с продольными скоростями u|| = W/k|| (где W= w - wBe и wВе - гирочастота плазменных электронов), порождая при этом моды непрерывного спектра, к-рые проникают через непрозрачные для исходной волны слои плазмы на противоположную сторону горба. Поскольку частота W в пределах горба меняет свой знак, процесс фазового перемешивания может быть обращён. При одноврем. выполнении условий фазовой фокусировки и циклотронного резонанса волна на противоположной стороне горба регенерируется. Эффективность регенерации Т=2|||LR/k|||, где длина неоднородности LR определяется условием d(k||-W/u||)/dz = k||/LR, а ||-декремент циклотронного затухания необыкновенной волны.

Литература по 

1. Кадомцев Б. Б., Затухание Ландау и эхо в плазме, "УФН", 1968, т. 95, с. 111; Водяницкий А. А., Ерохин Н. С., Моисееве. С.,О влиянии кинетических эффектов на распространение волн в неоднородной плазме, "ЖЭТФ", 1971, т. 61, с. 629; Алиев Ю. М., Ревенчук С. М., Гидродинамическая теория эха в сильнонеоднородной плазме, "ЖЭТФ". 1986, т. 90, с. 913; Павленко В. Н., Ситенко А. Г., Эховые явления в плазме и плаз-моподобных средах, М., 1988. Н. С. Ерохин, В. Л. Красовский. 

к библиотеке  к оглавлению  FAQ по эфирной физике  ТОЭЭ  ТЭЦ  ТПОИ  ТИ