Когерентное нелинейное взаимодействие волн в плазме - Вильхельмссон Х.
Скачать (прямая ссылка):
В дальнейшем исследовались возбуждение продольных плазменных колебаний при нелинейном резонансном взаимодействии двух поперечных электромагнитных волн с частотами, разность которых была равна плазменной частоте [8], а также нелинейная связь, лежащая в основе таких явлений, как вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние света на свете в плазме. Экспериментально наблюдался также эффект одновременного возбуждения плазменных и ионно-звуковых волн при распростране-
187
нии сильной электромагнитной волны с частотой со = соР [9]. Наконец, следует упомянуть работу [10], посвященную сравнительному исследованию бесстолкновительного затухания плазменных волн большой и малой амплитуды.
Лабораторные эксперименты
За первыми экспериментальными исследованиями нелинейных эффектов в плазме последовал нарастающий поток работ [11— 39], в которых с помощью улучшенной диагностической техники [23] детально исследовались высокочастотные и низкочастотные колебания в плазме (плазменные, ионно-звуковые, циклотронные и гибридные волны) и их нелинейные взаимодействия. Было экспериментально доказано существование трехволнового взаимодействия взрывного типа [26].
Во многих экспериментах исследовалась возможность использования параметрической неустойчивости для нагрева лабораторной и ионосферной плазмы [40—64], который приводит, в частности, к резкому возрастанию уровня некогерентного рассеяния в ионосферной плазме [61]. Было продолжено также изучение свойств ионно-звуковых волн, возбуждаемых с помощью резонансов Тонкса — Даттнера, и связанных с ними явлений, в частности исследовались эффективная частота соударений [62] и нелинейный сдвиг частоты [63].
Из числа многих элегантных и весьма тонких экспериментов, выполненных в последние годы, упомянем здесь исследование параметрической неустойчивости ионно-звуковой волны в системе плазма — пучок, при которой линейно-устойчивая волна в результате нелинейного взаимодействия распадается на две линейноустойчивые волны большой амплитуды с частотой, равной половине частоты первоначальной волны (рис. 23.1) [64]. В этом
Рис. 23.1. Нелинейный распадный спектр:
а—г — частотный спектр сигнала с ленгмюров* ского зонда, расположенного так, что х = = 11 см; а—в: горизонтальное сканирование
(частотный диапазон 0—500 кГц, ширина полосы 10 кГц, интенсивность накачки Х=0,9; 1,1 и 1,2, нормированная на пороговое значение =0,025); г—е: горизонтальное сканирование (частотный диапазон 0—1 кГц, центрированный возле частоты (0/2, ширина полосы 10 Гц; интенсивность накачки к—1,0; 1,05 и 1,1); ж: нарастание амплитуд субгармоннк (<в/2я« =411 кГц). Из работы Stem R. A., Decker J.F., Platzman Р. М. Decay Instability of the Ion-Beam Mode.—Phys. Rev. Lett., 1974 v. 32, p. 359—no-разрешению авторов и Американского физи* ческого общества
188
эксперименте отчетливо выявляется когерентная природа взаимодействия. По мере увеличения амплитуды волны накачки уменьшается ширина линии субгармоники при одновременном; возрастании ее амплитуды и степени когерентности, так что в конечном счете энергетический уровень этой линии может превысить начальную энергию волны накачки (такой процесс возможен вследствие распада волны накачки).
Другой интересный пример — исследование связанных солитонов плазменного и ионно-звукового типов [65]. В этой работе теоретически и экспериментально показана возможность само-модуляции высокочастотного электрического поля, частота которого близка к электронной плазменной частоте. Самомодуля-ция порождает локализованные поля, которым соответствует уменьшение плотности плазмы. В результате поле оказывается захваченным «ямками» плотности, распространяющимися с ионно-звуковой скоростью. Интерпретация этого явления в рамках модели связанных уединенных волн (плазменных и ионно-звуковых) приводит к количественному согласию с результатами эксперимента. В работе [66] было проведено исследование динамики «кавитонов» и захвата электромагнитных полей радиодиапазона.
В многочисленных экспериментах с плазменно-пучковыми системами [67—79] изучался эффект захвата частиц. В частности, в работах [68, 69] исследовали влияние нелинейных эффектов на неустойчивость и боковые моды в таких системах. Измерение распределения электронов по энергиям при наличии волн большой амплитуды произведено в [71, 72]. Обширный обзор экспериментальных исследований по нелинейным эффектам при взаимодействии нерелятивистских и релятивистских пучков с плазмой представлен в работе [73], где нашли отражение такие вопросы, как нелинейная стадия развития низкочастотных неустойчивостей в плазменно-пучковых системах, спектральное распределение энергии возбуждаемых полей, пространственно-временные корреляционные функции, существование скачков фазы, дисперсионные характеристики низкочастотных колебаний и энергетические потери пучка, обусловленные коллективными взаимодействиями с плазмой.
Огромное стимулирующее воздействие на развитие работ по нелинейным взаимодействиям в плазме, возникающей при лазерном облучении твердых мишеней, оказала идея лазерного термоядерного синтеза [80, 81]. Проведено большое число экспериментальных работ, посвященных исследованию генерации гармоник, параметрического возбуждения различных стимулированных процессов и аномального нагрева плазмы [82—94].
