Электромагнитные поля движущихся заряженных частиц в присутствии сред со сложными дисперсионными характеристиками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ти

4841171

Галямин Сергей Николаевич

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ПРИСУТСТВИИ СРЕД СО СЛОЖНЫМИ ДИСПЕРСИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность: 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 4 ЫАР 20/1

Санкт-Петербург 2011

4841171

Работа выполнена на кафедре радиофизики Физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Тюхтин Андрей Викторович

доктор физико-математических наук, профессор Акимов Валерий Петрович,

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

доктор технических наук, профессор Светличный Василий Александрович,

Военный учебно-научный центр ВМФ (Военно-морской инженерный институт -филиал, г. Санкт-Петербург - Пушкин)

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»

Защита состоится «/ » рОгСи- 20 'Н_ г. в час. -¡>0 мин. в ауд. "ЬО на заседании диссертационного совета Д 212.232.44 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им М. Горького СПбГУ.

Автореферат разослан « 21 » 20 /У г.

Ученый секретарь совета Д 212.232.44 по защите докторских и кандидатских диссертаций, /■

кандидат физ.-мат. наук С. Т. Рыбачек

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа посвящена исследованию электромагнитного поля заряженной частицы, движущейся в присутствии сред со сложной или необычной частотной дисперсией. С точки зрения геометрии задачи рассматриваются два случая: случай безграничной среды, когда наиболее важным эффектом является излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ), и случай границы раздела вакуум - среда, когда, вообще говоря, имеют место ИВЧ, переходное излучение (ПИ), а в некоторых ситуациях также и обратное черенковско-переходное излучение.

Излучение Вавилова-Черенкова было открыто С. И. Вавиловым и П. А. Черенковым в 1934 году, а теория эффекта, разработанная И. Е. Таммом и И. М. Франком, появилась в 1937 году. С этого времени излучение источников, равномерно движущихся в среде с теми или иными свойствами, активно исследовалось, в частности, был опубликован ряд обзоров (Б. М. Болотовский) и монографий (Дж. Джелли, В. П. Зрелов, И. М. Франк), где систематизированы основные результаты теории, а также освещены вопросы применения ИВЧ на практике. Несмотря на это, некоторые аспекты теории ИВЧ либо не получили достаточного освещения в научной литературе, либо не исследовались вовсе. К ним, прежде всего, относится вопрос о структуре поля движущегося заряда. Одним из основных результатов теории ИВЧ обычно считалась формула, описывающая энергетические потери движущейся частицы, и выводу этой формулы уделялось основное внимание. Исследованию пространственного распределения полного поля посвящены лишь единичные работы.

Следует особо отметить, что в последние годы претерпела бурное развитие технология разработки и производства искусственных «метасред» («метаматериалов»), С помощью метаматериалов могут быть реализованы среды с достаточно сложными дисперсионными закономерностями, зачастую не встречающимися в природе. Одним из ярких примеров таких сред является «левая» среда (среда с отрицательным показателем преломления). Несмотря на довольно активные попытки экспериментального наблюдения ИВЧ в левой среде, теоретически это явление исследовалось только на уровне энергетических характеристик для одной возможной модели левой среды, а структура полного поля заряда вовсе не анализировалась в научной литературе.

Сходная ситуация наблюдается и в задаче о пересечении частицей границы раздела между двумя средами. Впервые такая задача была рассмотрена в 1946 г. В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком, а возникающее при этом излучение было названо переходным излучением (ПИ). С тех пор было опубликовано огромное количество работ по различным вопросам теории ПИ, однако некоторые из них не получили должного освещения в литературе. К ним относится, прежде всего, анализ полного электромагнитного поля для тех или иных моделей сред, включая даже классическую модель резонансно диспергирующей изотропной среды. Что касается случая границы раздела вакуум - левая среда, то он исследовался лишь частично, эффект обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ) (без использования данного термина) упоминался и анализировался лишь на уровне'"* энергетических характеристик.

Восполнение указанных пробелов в теории ИВЧ и ПИ является актуальной задачей как для теории процессов излучения так и для возможных приложений. В частности, как ИВЧ в левой среде, так и процессы излучения при наличии границы с левой средой представляются довольно перспективными для детектирования заряженных частиц и для диагностики пучков частиц. Также для этих целей могут быть интересны аналогичные процессы в присутствии анизотропных искусственных сред. Стоит также отметить, что данные явления могут использоваться и при решении обратной задачи - определении характеристик среды по свойствам того или иного типа излучения.

Цель работы заключается в аналитическом и численном исследовании электромагнитного поля точечного заряда, равномерно движущегося в безграничной среде со сложной или необычной частотной дисперсией либо влетающего в такую среду. При этом анализируются следующие ситуации:

- случай движения заряда в безграничной изотропной среде с несколькими резонансными частотами;

- случай движения заряда в изотропной левой среде с частотной дисперсией;

- случай движения заряда в немагнитной анизотропной негиротропной одноосной среде с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости;

- случай влета заряда из вакуума в левую среду с частотной дисперсией;

- случай влета заряда из вакуума в немагнитную электрически анизотропную негиротропную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Научная новизна заключается в следующем:

1) Поле заряда, движущегося в неограниченной частотно диспергирующей среде, представлено в виде суммы физически различных составляющих: волнового поля (поля излучения), квазистатического поля и «плазменного следа». Данное представление имеет ясную физическую интерпретацию и обладает определенными преимуществами для численных расчетов.

2) Показано, что численный расчет полного поля заряда, движущегося в неограниченной среде, целесообразно проводить с помощью определенной трансформации исходного контура интегрирования в комплексной плоскости.

3) Проведен анализ полного электромагнитного поля движущегося заряда в случае левой среды; в частности, продемонстрировано более сильное отставание волновой части поля от заряда по сравнению со случаем обычной среды.

4) Проведено исследование полного электромагнитного поля в задаче о пересечении частицей границы раздела вакуум - левая среда с оценкой областей существенности ПИ, ИВЧ и ОЧПИ, а также анализом поведения поля в переходных областях. Представлены результаты численного расчета спектров и полного поля частицы в такой ситуации.

5) Проведено аналитическое и численное исследование Фурье-гармоник электромагнитного поля в задаче о пересечении частицей границы раздела между вакуумом и электрически анизотропным одноосным кристаллом с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Выявлены условия генерации ОЧПИ, оценены области существенности различных цилиндрических и сферических волн, а также переходные области. Достоверность результатов обеспечивается:

- использованием адекватных методов получения аналитических результатов, разработанных в электродинамике, теории функций комплексного переменного и математической физике;

- применением адекватных алгоритмов численного счета;

- хорошим совпадением результатов, получаемых при расчете полей по точным и асимптотическим формулам в области применимости последних;

- совпадением результатов диссертации с известными из литературы в соответствующих частных случаях.

Научная и практическая ценность. Представление поля заряда, движущегося в безграничной среде, в виде суммы разл1гчных по физическому смыслу составляющих обладает преимуществами для интерпретации результатов, а в некоторых случаях и для вычислений. Алгоритм расчета поля движущейся в безграничной среде частицы с помощью интегрирования по определенному контуру, правила выбора которого предложены в работе, предоставляет значительные преимущества при численных расчетах. Подробный анализ полного поля заряда в случаях границы вакуум - левая среда и вакуум - анизотропная среда представляет интерес для развития физических представлений о процессах излучения движущихся частиц. В особенности в этой связи можно отметить исследование обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ), которое обладает рядом необычных свойств. Оценка пространственных областей существенности различных типов излучения (ПИ, ИВЧ, ОЧПИ) в случаях левой и анизотропной сред проясняет вопрос о возможности обнаружения каждого из них в условиях реального эксперимента. Свойства спектра поля в случае границы раздела вакуум - левая среда или вакуум - анизотропная среда могут применяться как для диагностики пучков заряженных частиц, так и для определения характеристик современных метаматериалов.

Апробация работы. Вошедшие в диссертацию результаты докладывались на X Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (СПб, 2006) [9], Региональных XI, XIV и XVI конференциях по распространению радиоволн (СПб, 2005, 2008 и 2010) [10-12], ведущих международных конференциях в области физики ускорителей «Particle Accelerator Conference (РАС09)» (Ванкувер, Канада,

2009) [6] и «International Particle Accelerator Conference (IPAC10)» (Киото, Япония,

2010) [7], международной конференции «Days on Diffraction» (СПб, 2009) [8] и VIII международном симпозиуме «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-09)» (Москва, Звенигород, 2009) [5].

Публикации. Материалы диссертации отражены в 12 работах [1-12], в том числе статьях [1-5], тезисах докладов на конференциях [9-12] и полнотекстовых докладах в трудах конференций [6-8].

Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, разделенных на параграфы, заключения и трех приложений общим объемом 167 страниц, включая 48 рисунков и 15 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В работе рассмотрен ряд задач об электромагнитном поле заряженной частицы, движущейся с постоянной скоростью в присутствии сред со сложной частотной дисперсией. Решаются два типа задач - случай движения частицы в безграничной среде и случай пересечения границы раздела вакуум - среда.

Во введении проводится обзор рассматриваемых проблем, кратко описывается история каждой из них, состояние исследований на данный момент, перспективы развития и возможные практические применения основных эффектов.

Первая глава посвящена исследованию поля точечной заряженной частицы, движущейся в безграничной среде с частотной дисперсией.

В параграфе 1.1 рассматриваются некоторые общие свойства известных интегралов Фурье, определяющих электромагнитное поле движущейся частицы. Основным существенным отличием проводимого анализа от принятых в данной области методов является то, что подынтегральные функции рассматриваются на комплексной плоскости частоты. Определяется «физический» лист римановой поверхности, который отвечает решению, экспоненциально затухающему в нормальном к траектории движения заряда направлении (в среде учитываются малые потери). Устанавливаются области возможной трансформации исходного контура интегрирования, находятся асимптоты контура наискорейшего спуска (КНС). Также выводятся определенные свойства симметрии, позволяющие сводить интеграл по симметричному относительно мнимой оси контуру к интегралу по одной его половине. Описанные свойства являются базой для дальнейшего исследования.

В параграфе 1.2 рассматривается случай многорезонанспой лореицевской модели среды. При условии, что резонансные частоты а тт этой модели

существенно превышают плазменные частоты а>рт, зависимость квадрата

2

показателя преломления п от частоты а имеет вид:

где М- число резонансов, со¿т- параметры, отвечающие за поглощение.

Анализируется расположение особенностей (разрезов и полюсов) подынтегральных выражений на комплексной плоскости со. Замыкание исходного контура в верхнюю или нижнюю полуплоскость а сводит исходный интеграл к сумме вычетов в полюсах и интегралов по берегам разрезов. Члены этой суммы имеют ясный физический смысл. Разрезы, лежащие на вещественной оси (при отсутствии поглощения, со ¿т = 0), соответствуют диапазонам частот излучаемых

волн: на этих частотах выполнено условие Вавилова-Черенкова Кеп2(й))/32 —1>0, где /3 = Ус~\ V - скорость частицы, с - скорость света в вакууме. Соответственно, интегралы по этим разрезам определяют волновое поле, т. е. поле ИВЧ. Интегралы по разрезам, идущим вдоль мнимой оси, определяют «квазикулоновское» (квазистатическое) поле заряда. Вычеты в полюсах определяют т. н. «плазменный след» - колебания электрического поля,

б

сосредоточенные вблизи оси движения за зарядом и не переносящие энергию. Описанное разложение также оказывается более удобным (по сравнению с исходными интегралами по вещественной оси) для численных расчетов волновой и «квазикулоновской» составляющих.

В параграфе 1.3 описанная выше методика применяется к анализу поля заряда, движущегося в левой среде. По общепринятой терминологии, введенной В. Г. Веселаго, левой называется изотропная непоглощающая среда с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями: е(а>) < 0, /л(со) < 0. Свойство «левизны» может иметь место только в ограниченном частотном диапазоне (назовем его «левым» частотным диапазоном, ЛЧД), при этом левой разумно называть среду, имеющую хотя бы один ЛЧД. Одна из распространенных моделей левой среды, реализуемой с помощью метаматериалов, характеризуется следующими параметрами:

е(<у)=1-й)ре[ю2 +2шае<»] \ ^{а) = \ + т\т\а2гт-2шйтсо-а2\ \ (2) где со - частота, 4)ш и со рт - резонансная магнитная и плазменная магнитная частоты, со ре - плазменная электрическая частота, со ¿с и а) ^ - параметры, отвечающие за поглощение. При со рС < й)т1 среда является обычной («правой»), т. к. имеет только два «правых» частотных диапазона (ПЧД) - й)ре < ю < со т1 и

0)>0)%т =д/я,гт + <®рт _ в которых одновременно е(а>) >0, /¿(®)>0. В первом из них лежит диапазон ИВЧ. В случае т ре>а> т среда является левой, т.е. наряду с ПЧД имеется и ЛЧД (со т < со < со ре), внутри которого находится диапазон ИВЧ.

После замыкания исходного контура в верхнюю полуплоскость (в области перед зарядом) или в нижнюю полуплоскость (в области за зарядом) и вычисления вкладов соответствующих особенностей получаем следующее представление для

компонент поля заряда Еи II ^:

+ р, (3)

где нижние индексы «С», «Ш» и «Р» обозначают, соответственно, квазистатическую («квазикулоновскую») составляющую, волновую составляющую (ИВЧ) и составляющую «плазменного следа».

Для численного расчета полного поля оказывается удобным сначала перейти к интегрированию вдоль положительной части вещественной оси (согласно свойству симметрии, отмеченному в параграфе 1.1). Затем полученный контур удобно трансформировать таким образом, чтобы он обходил на достаточном расстоянии все особенности (точки ветвления и полюса), а при больших значениях | со | (для наилучшей сходимости) шел параллельно асимптоте КНС. Важное достоинство данного метода заключается в возможности выбрать наиболее подходящие параметры контура для конкретных параметров задачи.

Некоторые результаты вычислений зависимости компоненты Я^ от расстояния ¿Г = г - VI представлены на рис. 1 ,а,б. Можно видеть, что увеличение

амплитуды поля с ростом | С, | в левой среде происходит медленнее, чем в правой. Первый максимум огибающей в случае правой среды (рис. 1, а) наблюдается при £ « -40, а в случае левой среды (рис. 1,6)- при С « -80. Это объясняется тем, что в левой среде ИВЧ имеет обратный характер (поток энергии ИВЧ направлен в сторону, противоположную движению заряда) и соответствующее ему волновое поле отстает от заряда сильнее, чем в правой среде.

Р = 5 Р = 0.9 б

Р Ч

-120

-80

„2 „2

-2

-40 £ 0 ) от относительного

Рис. 1. Зависимость магнитного поля Н^ (в единицах ч'а>1 расстояния £ = VI в случае правой среды (а) и левой среды (б). Среда описывается дисперсионными зависимостями (2) со следующими параметрами (в единицах со^га1): (а) -

= 1, о>ре = 0.6; (б) - (орт = 1, сОре = 2; С и Р измеряются в единицах св)^.

В параграфе 1.4 проведено аналогичное рассмотрение для случая электрически анизотропной одноосной среды с дисперсией плазменного типа. Получено представление полного поля в виде суммы волновой и «квазикулоновской» составляющей и показано, что «плазменный след» в такой ситуации отсутствует. Разработан алгоритм численного расчета компонент поля, построены типичные энергетические диаграммы и характерные графики зависимости поля от расстояния. Особое внимание уделено случаю, когда имеет место обратное ИВЧ.

Вторая глава посвящена исследованию поля частицы, пересекающей границу раздела между вакуумом и левой средой.

В параграфе 2.1 выполняется постановка задачи (см. рис. 2), приводятся известные интегральные выражения для компонент поля, выбираются модели дисперсии для описания обеих сред и принимаются определенные допущения на параметры задачи. Проводится анализ особенностей подынтегральных выражений (две пары точек ветвления и три пары полюсов), а также качественно описываются применяемые методы (аналитический и численный) и определяется область применения каждого из них. С помощью метода перевала исследуются Фурье-гармоники поля, при этом исследование ограничивается анализом только главных членов объемного излучения - волны со сферической расходимостью (вклад окрестности седловой точки) и волн с цилиндрической расходимостью (вклады полюсов). Построенная асимптотика учитывает возможную близость одного из указанных полюсов к седловой точке.

С помощью численного интегрирования анализируются как Фурье-гармоники поля (однократное интегрирование), так и полное поле (двукратное

вакуум / р

. , ''' '

Ч 'V о

Рис. 2. Геометрия задачи (к главе 2).

интегрирование). Важно подчеркнуть, что при численном интегрировании никаких ограничений не накладывается, расчет проводится по строгим формулам.

Параграф 2.2 посвящен получению асимптотических представлений для поля в вакууме. Как обычно, осуществляется переход к новой переменной с помощью тригонометрической замены, определяется седловая точка, строится КНС и исследуется возможность захвата полюсов при трансформации исходного контура к КНС. В дальней зоне (по отношению к точке влета) интеграл по КНС фактически определяется малой окрестностью седловой точки, вклад которой дает сферическую ПИ. Вклады полюсов описывают ИВЧ, вышедшее из левой среды в вакуумную область. Эти волны названы обратным черенковско-переходным излучением (ОЧПИ) по двум причинам. Во-первых, данное излучение обладает характерными особенностями как ПИ, так и ИВЧ. Подобно ПИ, оно возникает при наличии границы раздела, а подобно ИВЧ, ОЧПИ имеет место при выполнении в среде черенковского условия. Во-вторых, «обратным» это излучение было названо для того, чтобы подчеркнуть его обусловленность обратным характером ИВЧ в левой среде. Строгие условия наличия ОЧПИ в вакууме при фиксированной частоте могут быть записаны в виде

/?cr</?</?tir> /?CR=(Re«2r1/2, /JTIR=(Re/j2-ir1/2, (4.1)

а при фиксированной скорости /? они имеют вид

а>~ < со < а>\, где Ren2(о") = /Г2(/?2 +1), Ren2(o+) =/Г2, (4.2)

где и2 =е{а>)/л(т), а е и // даются формулой (2). Нижний предел /?ск в

формуле (4.1) - это черепковский барьер для левой среды. Верхний предел /?тш. D

(4.1) связан с полным внутренним отражением (TIR = Total Internal Reflection) ИВЧ на границе раздела. Как видно из формул (4.1), (4.2) вакуумное ОЧПИ является двухпороговым эффектом как по скорости движения частицы /?, так и по частоте со, что представляется весьма перспективным для приложений.

В параграфе 2.3 описывается процедура получения асимптотических выражений для поля в левой среде, причем последовательность изложения полностью аналогична параграфу 2.2. В частности показано, что ОЧПИ в левой

среде (отраженное ИВЧ) имеется при условии Р>Рс& (<® <&>с), т-е- ПРИ

наличии обратного ИВЧ.

В параграфе 2.4 производится анализ полученных асимптотических выражений. В случае без потерь ОЧПИ в вакууме состоит из двух волн, интерферирующих вблизи оси движения. Одна из них распространяется к оси движения заряда и существует во всем полупространстве z < О. Вторая волна распространяется от оси движения заряда и существует в диапазоне углов в <9W,

где 0т - угол преломленного ИВЧ (sinC10 = /3~l-,jRen2/32 -1), а угол в введен

на рис. 2. Граница между областью существования этой волны и областью, где она не значима, является не резкой, а представляет собой переходную зону (область «полутени»), определяемую неравенством

j в - 01о| <S Ai?i0 = д/ 2ca~lR~l. (5)

вакуум «левая» среда без потерь

Рис. 3. Пространственная структура Фурье-гармоники электромагнитного поля в случае границы раздела вакуум - «левая» среда без потерь. Частота Фурье-гармоники лежит внутри

интервала (4.2). Линии —*— параллельны вектору Пойтинга .? ИВЧ, линии -*■--вектору

Пойтинга 5Г ОЧПИ в среде (отраженного ИВЧ), линии ■••»•■••• - вектору Пойтинга 5' вакуумного ОЧПИ (преломленного ИВЧ), И, Кг и И' - волновые вектора, соответственно, ИВЧ, отраженного ОЧПИ и преломленного ОЧПИ. В затененных областях наблюдается интерференция цилиндрических волн. Области «полутени» показаны штриховкой.

Пространственная структура Фурье-гармоники полного поля для случая без потерь представлена на рис. 3.

При учете ненулевых потерь в левой среде Фурье-гармоники ОЧПИ в вакууме экспоненциально убывают. Это объясняется тем, что волна ИВЧ, порождающая ОЧПИ, затухает при распространении в поглощающей среде. Были исследованы области существенности волн ОЧПИ, т. е. такие области пространства, на границе которых Фурье-гармоники соответствующих волн убывают в е2 раз за счет экспоненциального множителя. Оценка максимального расстояния (от точки влета), на котором в вакууме может наблюдаться цилиндрическая волна ОЧПИ, дает для реалистичной левой среды значение порядка тысячи длин волн. При наличии потерь область «полутени» ограничена как по углу, так и по расстоянию, причем максимальный ее размер по расстоянию совпадает с максимальным расстоянием существенности ОЧПИ.

В левой среде без потерь область «полутени» определяется неравенством, аналогичным (5). При учете диссипации область «полутени» ограничена как по углу, так и по расстоянию. Пространственные области существенности волн ОЧПИ, ИВЧ и ПИ также ограничены по расстоянию.

ю

со для q = -1нКд при 7? = 14см, О = 15°, 0 = 30° и в = 45° и различных р. Параметры «левой» среды: «„л =0, а^я =®ре = 2тг• Ю-1010о"1, со^ =®de = КГ3й)ре.

В параграфе 2.5 описан алгоритм численного расчета как Фурье-гармоник поля, так и полного поля, и представлены численные результаты, иллюстрирующие основные эффекты, наиболее ярким из которых является эффект ОЧПИ. Для Фурье-гармоник представлено сравнение результатов численного расчета и расчета по аналитическим асимптотическим формулам, демонстрирующее их хорошее совпадение в области применимости последних.

На рис. 4 представлена зависимость вещественной части Фурье-гармоники магнитного поля Re#^ от частоты со в различных точках полупространства z < 0 и при различных значениях /?, отложенных по вертикальной оси. Пунктирные линии на рис. 4 показывают зависимости /?cr(®) и РRCTR0й)>

пересечение которых с линией fi = const определяет частоты гу* (см. формулу (4.2)). Как видно, результаты численных расчетов подтверждают наличие ярко выраженных граничных частот в спектре ОЧПИ. Амплитуда спектра ОЧПИ максимальна вблизи оси движения, ширина спектра максимальна при /? 1.

В параграфе 2.5 представлен результат расчета зависимости компоненты Ez от времени в фиксированной точке пространства, расположенной в вакууме вблизи оси движения заряда (рис. 5). Линия, помеченная «full», представляет

собой результат двойного численного интегрирования точных формул. Линия, отмеченная «poles», представляет собой результат интегрирования по частоте вклада полюсов, определяющих ОЧПИ. При отрицательных значениях t виден резкий всплеск, соответствующий квазистатическому полю пролетающей частицы. Дальнейшее поведение поля показывает, что при t > 0.7 нс поле хорошо описывается вкладом полюсов. Это означает, что данных временах ОЧПИ дает главный вклад в объемное электромагнитное излучение. При 0 < / < 0.7 нс основным является ПИ.

5-10

-5-10'

Рис. 5. Зависимость Ег (Вм-1) от / (с) для = -1 нКл в фиксированной точке в вакууме: г = -3.2 см, р = 0.03 см. Среда описывается зависимостями (2) с параметрами: с™ =0, ®Г

®de :

'рт - "'ре аа«, = 0.000 ItOpn

а>„ = 2я--101Ос-1,

вакуум

¿R

1ШШ1Й lililí

В третьей главе рассматривается задача о влете частицы в электрически анизотропный кристалл, компоненты тензора ё которого обладают дисперсией плазменного типа (см. рис. 6):

е± = 1-й)р1\<о2 + 2ицюй±] , сц =1-®р]|[й>2 +21©юЙц ] . (6)

Методика исследования поля аналогична случаю изотропной левой среды.

В параграфе 3.1 выполняется постановка задачи, выбираются модели дисперсии для описания сред, приводятся известные интегральные выражения для компонент поля и проводится их анализ. Рис. 6. Геометрия задачи (кглаве 3). в параграфе 3.2 строятся асимптотики

для Фурье-гармоник поля в вакууме. Получены, в частности, условия наличия ОЧПИ, которые в случае отсутствия диссипации, при т рц < а рх и фиксированной скорости Р имеют вид

О) р|| <£»<□(/?),

[ОД]2 = © рц(1 - РЪ!2 + ^рц(1 - Р2)2/* + Р1 Р2 > (7Л)

а при фиксированной частоте записываются в виде

Ркстк (®) = ^2(®2-®2[|)®р^(«21-®2)=Г • (7.2) При указанных условиях эффект ОЧПИ имеет место в области в>910, где

sin^io=^V1 + ¡e±l 1Р 2 ■

Параграф 3.3 посвящен построению асимптотик для Фурье-гармоник поля в анизотропной среде (6). Отметим, что в частотном диапазоне <г>рц <а> <«>pj_

волны ПИ отсутствуют в интервале углов в > ж -0\ (в\ =arctg-y|£'i|/e¡¡ X что

12

связано с отсутствием в данном интервале волн, переносящих энергию. Пространственная структура Фурье-гармоники поля для случая без потерь представлена на рис. 7.

Рис. 7. Пространственная структура Фурье-гармоники электромагнитного поля в случае границы раздела вакуум - анизотропная среда (6) без потерь. Частота Фурье-гармоники лежит внутри интервала (7.1). Линии —*— параллельны вектору Пойтинга .? ИВЧ, линии -*■- - вектору Пойтинга 5Г ОЧПИ в среде, линии —*■•— - вектору Пойтинга вакуумного ОЧПИ. Области «полутени» показаны штриховкой. В диапазоне углов в>п-в\ не существует волн ПИ.

В параграфе 3.4 производится анализ построенных асимптотических представлений. В случае без потерь ОЧПИ в вакууме представляет собой волну, распространяющуюся от оси движения. Граница между областью, «засвеченной» ОЧГШ, и областью, где оно не значимо, является не резкой, а представляет собой переходную зону (область «полутени»), которая определяется неравенством аналогичным неравенству (5). При учете диссипации в среде, как и в случае левой среды, Фурье-гармоники ОЧПИ экспоненциально убывают, минимальное убывание наблюдается в области «полутени», которая ограничена как по углу, так и по расстоянию.

В параграфе 3.5 описан алгоритм численного расчета Фурье-гармоник поля. Численные результаты, иллюстрирующие эффект ОЧПИ, представлены на рис. 8. Как видно, амплитуда спектра вакуумного ОЧПИ и число осцилляции увеличиваются при приближении к граштце раздела, ширина спектра максимальна при р -> 1. Верхняя граница спектра ОЧПИ выражена менее резко, чем в случае изотропной левой среды (ср. рис. 5 и рис. 8). В рассматриваемом случае нижний порог вакуумного ОЧПИ связан с эффектом полного внутреннего отражения, а верхний порог отсутствует. В этом состоит одно из основных отличий этого эффекта от аналогичного явления в случае левой среды. В то же время, ОЧПИ является двухпороговым эффектом по частоте, как и в случае левой среды.

от со для <? = -1нКл при К = 14 см, в = 45°, в = 60° и в = 15° и различных /?. Параметры среды: ®рц =2тг-1010с"1, ®р1 =1.5юрц, =юац = 10~3<г>р]|;.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

В приложении А рассматривается интересный с методической точки зрения вопрос о получении выражений для поля бесконечно движущегося заряда из начальной задачи о «рождении» заряда при непосредствешюм применении принципа причинности. В приложениях Б и В приводится анализ возможности генерации поверхностных волн на границе раздела в случае изотропной левой среды (2) и в случае анизотропной среды (6) соответственно.

ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Результаты исследования электромагнитного поля заряда, равномерно движущегося в изотропной многорезонансной среде, изотропной левой среде и анизотропной одноосной среде с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости, из которых вытекает следующее:

а) Поле равномерно движущегося заряда представимо в виде суммы волнового поля, квазистатического поля и «плазменного следа».

б) Для численного расчета поля целесообразно использовать алгоритм интегрирования по определенному контуру в комплексной плоскости, обеспечивающему плавное поведение подынтегральных функций и их наискорейшее убывание при больших значениях перемешюй интегрирования.

в) Поле излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) в левой среде сильнее отстает от заряда по сравнению со случаем обычной среды.

2) Результаты исследования полного поля заряда, влетающего из вакуума в изотропную левую среду, которые подтверждают возможность обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ) и выявляют следующие его свойства:

а) ОЧПИ в вакууме имеет как нижний порог по скорости (связанный с порогом генерации ИВЧ), так и верхний порог (связанный с полным внутренним отражением ИВЧ от границы); диапазон частот ОЧПИ также имеет нижнюю и верхнюю границы.

б) Наличие поглощения в среде приводит к ослаблению ОЧПИ не только в среде, но и вакууме, причем в вакууме влияние диссипации минимально в областях «полутени».

в) ОЧПИ в вакууме может быть основным видом излучения при определенных временах наблюдения.

3) Результаты исследования электромагнитного поля заряда, влетающего из вакуума в анизотропную одноосную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости, из которых вытекает следующее:

а) Как и в случае левой среды, объемное излучение в вакуумной области может содержать ОЧПИ, однако, в отличие от случая левой среды, волны ОЧПИ не интерферируют друг с другом.

б) В отличие от случая левой среды, ОЧПИ в вакууме имеет только нижний порог по скорости, связанный с полным внутренним отражением ИВЧ от границы; диапазон частот ОЧПИ ограничен как снизу, так и сверху.

в) Наличие поглощения в среде приводит к ослаблению ОЧПИ в вакууме, причем наименьшее ослабление имеет место в областях «полутени».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК:

[ 1 ] У 'алямин С.Н., Тюхтин А.В. Взаимодействие точечных зарядов, движущихся в резонансно диспергирующем диэлектрике //Вестник СПбГУ. 2006. Сер. 4. Вып. 1. С. 21-30.

[2]Tyukhtin A.V., Galyamin S.N. Vavilov-Cherenkov Radiation in Passive and Active Media with Complex Resonant Dispersion // Phys. Rev. E. 2008. V. 77. P. 066606 (1-8).

[3]Galyamin S.N., Tyukhtin A.V., Kanareykin A., Schoessow P. Reversed Cherenkov-Transition Radiation by a Charge Crossing a Left-Handed Medium Boundary // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 194802 (1-4).

[4]Galyamin S.N., Tyukhtin A.V. Electromagnetic field of a moving charge in the presence of a left-handed medium//Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 235134 (1-14).

В других изданиях:

[5] Galyamin S.N., Tyukhtin A. V. New approach to the theory of a moving charge's radiation in dispersive medium and its application to the case of left-handed materials // J. Phys.: Conf. Ser. 2010. V. 236. P. 012003 (1-8).

[6]Tyukhtin A.V., Galyamin S.N., Alekhina T.Yu., Doil'nitsina E.G. Radiation of a charge crossing a left-handed medium boundary and prospects for its application to beam diagnostics //Proceedings of PAC09. Vancouver, Canada, 2009. P. 4030-4032.

[7] Tyukhtin A.V., Galyamin S.N., Belonogaya E.S. Reversed Cherenkov-transition Radiation and Prospect of its Application to Beam Diagnostics // Proceedings of IPAC10. Kyoto, Japan, 2010. P. 1068-1070.

[8]Galyamin S.N., Alekhina T.Yu., Doil'nitsina E.G., Tyukhtin A.V. Radiation of a charge passing from vacuum into the left-handed medium // Proceedings of "Days on Diffraction" 2009. Saint Petersburg, 2009. P. 69-75.

[9]Галямин C.H. Некоторые задачи теории излучения Вавилова-Черенкова в активных и пассивных средах с резонансной дисперсией // X Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков. СПб, 2006. С.15-17.

[10] Тюхтин А.В., Галямин С.Н., Иванов Н.В. Излучение Вавилова-Черенкова в пассивных и активных средах с двумя резонансными частотами // Региональная XI конференция по распространению радиоволн. СПб, 2005. С. 98-100.

[11] Галямин С.Н., Тюхтин А.В., Доильнщина Э.Г. Излучение заряда, влетающего из вакуума в левую среду // Региональная XIV конференция по распространению радиоволн. СПб, 2008. С. 63.

[12] Галямин С.Н., Тюхтин А.В. Об электромагнитном поле заряда, влетающего из вакуума в анизотропную среду // Региональная XVI конференция по распространению радиоволн. СПб, 2010. С. 137-140.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 16.02.11 с оригннал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз., Заказ № 1156/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929-43-00.

Введение.

Общая характеристика, актуальность и цели работы.

Краткий обзор литературы.

Краткое содержание диссертации.

Положения и результаты, выносимые на защиту.

Публикации и апробации.

Глава 1. Электромагнитное поле заряда, движущегося в безграничной среде.

1.1. Некоторые замечания к общей теории электромагнитного поля заряда, движущегося в изотропной среде.

1.2. Электромагнитное поле движущегося заряда в случае изотропной пассивной среды с несколькими резонансными частотами.

1.2.1. Модель среды с несколькими резонансными частотами.

1.2.2. Аналитическое исследование компонент электромагнитного поля.

1.2.3. Численный анализ компонент электромагнитного поля и обсуждение результатов.

1.3. Поле заряда в среде с отрицательным показателем преломления.

1.3.1. Среды с отрицательным показателем преломления.

1.3.2. Модель левой среды и аналитическое исследование компонент электромагнитного поля.

1.3.3. Энергетические характеристики электромагнитного поля движущегося заряда

1.3.4. Численный анализ и обсуждение результатов

1.4. Поле заряда в анизотропной среде.

1.4.1. Аналитическое исследование компонент электромагнитного поля.

1.4.2. Численный анализ и обсуждение результатов.

1.5. Выводы.

Глава 2. Электромагнитное поле заряда, пересекающего границу раздела между вакуумом и левой средой.

2.1. Постановка задачи и общие результаты.

2.2. Асимптотики поля в вакууме.

2.2.1. Асимптотики в случае изолированной седловой точки.

2.2.2. Равномерные асимптотики.

2.3. Асимптотики поля в левой среде.

2.4. Влияние потерь в левой среде на поле излучения.

2.5. Численный расчет и обсуждение результатов.

2.5.1. Описание численных алгоритмов.

2.5.2. Численные результаты для Фурье-гармоник.

2.5.3. Численные результаты для полного поля.

2.6. Выводы.

Глава 3. Электромагнитное поле заряда, пересекающего границу раздела между вакуумом и анизотропной средой.

3.1. Постановка задачи и общие результаты.

3.2. Асимптотики поля в вакууме.

3.3. Асимптотики поля в среде.

3.3.1. Область углов вблизи оси движения.

3.3.2. Область углов вблизи границы.

3.4. Влияние потерь в среде на поле излучения.

3.5. Численные результаты и обсуждение.

3.6. Выводы.

Общая характеристика, актуальность и цели работы

Проблемы излучения движущихся заряженных частиц в присутствии сред с теми или иными свойствами исследовались начиная с 30-х годов XX века. Несмотря на огромное количество публикаций по этой тематике, ряд вопросов остается не исследованным или недостаточно исследованным до сих пор. К числу таких вопросов относится, в частности, анализ поведения полного электромагнитного поля, создаваемого зарядом (как правило, обычно основное внимание уделялось энергетическим характеристикам поля излучения). Также нужно отметить, что актуальность исследований в этом направлении возрастает в последние годы в связи с бурным развитием методов создания новых материалов с необычными свойствами. Среди них стоит особо отметить так называемые «метаматериалы» -искусственные структуры из макроэлементов, проявляющие порой весьма неожиданные свойства. Одним из ярких примеров таких структур служит «левая» среда, в которой вектор плотности потока энергии противоположен волновому вектору, а излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ) в такой среде носит обратный характер. Процессы излучения заряженных часгиц при наличии левой среды представляются довольно перспективными как для детектирования заряженных частиц, так и для диагностики пучков частиц. Также для этих целей могут быть интересны аналогичные процессы в присутствии анизотропных искусственных сред. Стоит отметить, что данные явления могут использоваться и при решении обратной задачи - определении характеристик среды по свойствам того или иного типа излучения. Перечисленные факторы указывают на актуальность исследований в этом направлении.

Цель работы заключается в аналитическом и численном исследовании электромагнитного поля точечного заряда, равномерно движущегося в безграничной среде со сложной или необычной дисперсией либо влетающего в такую среду. При этом анализируются следующие ситуации:

- случаи движения заряда в безграничной изотропной среде с несколькими резонансными частотами;

- случай движения заряда в изотропной левой среде с частотной дисперсией;

- случаи движения заряда в немагнитной анизотропной негиротропной одноосной среде с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости;

- случай влета заряда из вакуума в левую среду с частотной дисперсией;

- случай влета заряда из вакуума в немагнитную электрически анизотропную негиротропную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Краткий обзор литературы

Настоящий обзор затрагивает теоретические работы, посвященные главным образом излучению заряда, равномерно движущегося в безграничной среде или пересекающего границу раздела двух сред. Он естественным образом разбивается на две части, соответствующие указанным случаям.

Излучение заряда, равномерно движущегося в среде, было открыто С. И. Вавиловым и П. А. Черенковым в 1934 году при изучении люминесценции растворов солей урана, возбуждаемой /-лучами [1—3]. Впоследствии это излучение было названо «излучением Вавилова-Черенкова» (ИВЧ), а за рубежом за ним закрепился термин «черенковское излучение». Вскоре после открытия появилась макроскопическая теория, эффекта, разработанная И. Е. Таммом и И. М. Франком [4,5]. Она основывается на решении уравнений Максвелла с точечным источником, движущимся в немагнитной диэлектрической среде без потерь. Были получены интегральные выражения для компонент электромагнитного поля заряда и рассчитана энергия, теряемая им на излучение. Формула для потерь энергии заряда на единице длины пути впоследствии была названа в честь ее авторов формулой Тамма-Франка. Несколько позже В. JI. Гинзбург [6] исследовал вопрос о поле и энергии частицы в оптически анизотропной среде, а также развил квантовую теорию ИВЧ [7]. В юм же году Е. Fermi [8] рассмотрел случай диэлектрической среды с поглощением и исследовал влияние поляризации среды на величину энергетических потерь. Отметим, что в работе [8] были получены формулы для компонент поля заряда, движущегося в среде с диэлектрической проницаемостью, обладающей дисперсией резонансного типа с одной резонансной частотой и поглощением.

С этого времени началось активное развитие теории эффекта Вавилова-Черенкова. Среди первых исследований в данном направлении следует отметить, например, работы [912] (О. Halpern, Н. Hall, R. М. Sternheimer), где результаты E.Fermi для потерь энергии заряда были обобщены на случай изотропных веществ с более сложной частотной дисперсией диэлектрической проницаемости, в частности, эмульсий и твердых тел. Первое обобщение формулы Тамма-Франка на случай среды, обладающей как диэлектрическими, так и магнитными свойствами, было произведено в работах А. Г. Ситенко [13], и Д. Д. Иваненко и В. Н. Цытовича [14]. Что касается развития теории ИВЧ в анизотропных средах, то первыми исследованиями в этом направлении были работы А. А. Коломенского [15,16], М. И. Каганова [17] и А. Г. Ситенко, М. И. Каганова [18], где были получены энергетические потери заряда при его движении вдоль оси одноосного диэлектрического кристалла. Дальнейшее развитие теории как по указанным направлениям, так и по другим аспектам теории ИВЧ, а также более подробный список литературы содержится в обзорах Б. М. Болотовского [19,20]. Кроме того в последующие годы был опубликован ряд монографий [21-23], где были систематизированы основные результаты теории ИВЧ, а также освещены вопросы применения ИВЧ на практике.

Следует отметить, что одним из основных результатов теории ИВЧ обычно считалась формула, описывающая энергетические потери движущейся частицы, и выводу этой формулы уделялось основное внимание. Среди работ, затрагивавших вопросы исследования самого электромагнитного поля движущегося заряда, можно отметить лишь несколько. Прежде всего, это работа И. Е. Тамма [5], где был предложен асимптотический метод построения поверхностей, на которых напряженности электромагнитного поля имеют максимум. Численный расчет компонент поля с использованием формул работы [8] был проведен Г. Ы. Афанасьевым и В. Г. Картавенко [24], в этой работе также были построены поверхности «гребней» электромагнитного поля, предложенные И. Е. Таммом [5]. Для более сложных сред структура поля в известной нам литературе не исследовалась.

Интересно, что поля зарядов в последние десятилетия более активно исследовались в гакой ситуации, когда они движутся в регулярной волноведущей структуре, содержащей ту или иную среду. Данные исследования, начатые еще в середине XX века [20], получили значительное развитие в последнее время, прежде всего в связи с перспективами применения подобных структур для целей так называемого кильватерного ускорения заряженных частиц (см., к примеру, [25-32]). Этот метод ускорения предполагает создание ускоряющего поля большим (ведущим) сгустком заряженных частиц и ускорение в этом поле малого (ведомого) сгустка. Для таких целей рассматривались различные структуры: чаще всего это был круглый волновод с одним или несколькими цилиндрическими слоями того или иного материала [26-32], но анализировались и волноводы иной формы [25]. Слои вещества обычно не обладали существенной дисперсией и поглощением [25-28], однако и задачи с учетом эгих факторов также рассматривались [29-34]. Отметим также в этой связи, что в последнее время обсуждается идея применения подобных структур и для целей диагностики пучков частиц [33, 34].

Исследования в рассматриваемой области в значительной степени стимулируются бысфым развитием технологии разработки и производства искусственных «метасред» или «метаматериалов» [35-42]. С помощью метаматериалов могут быть реализованы достаточно сложные дисперсионные закономерности, зачастую не встречающиеся в природе. Одним из примеров является так называемая «левая» среда, или среда с отрицательным показателем преломления [43—45]. Первое описание левых сред было произведено В. Г. Веселаго в работах [43,44]. Левой средой было названо изотропное непоглощающее вещество, имеющее одновременно отрицательными диэлектрическую и магнитную проницаемости. Коэффициент преломления в такой ситуации является вещественной величиной, что обеспечивает возможность распространения электромагнитных волн. Основные свойства левых сред, отмеченные В. Г. Веселаго, заключаются в следующем. Вектор электрического поля, вектор магнитного поля и волновой вектор волны образуют левую ортогональную тройку (отсюда и термин «левая среда»), следовательно, вектор Пойтинга противоположен волновому вектору и фазовой скорости. При этом электромагнитная волна, падающая из обычной среды на границу с левой средой, испытывает аномальное (отрицательное) преломление- преломленная волна имеет фазовую скорость, направленную к границе, и групповую скорость, проекция которой на границу раздела противоположна проекции групповой скорости падающей волны. Кроме того в левой среде наблюдаются обращенный эффект Вавилова-Черенкова и обращенный эффект Допплера [43-45].

Следует особо отметить, что вопросы, косвенно касающиеся левых сред, затрагивались различными учеными задолго до работ В. Г. Веселаго [43, 44]. Особо следует отметить заслугу JI. И. Мандельштама, в работах которого было достигнуто глубокое понимание сути отрицательного преломления [46, 47]. JL И. Мандельштамом было показано, что в основе отрицательного преломления лежит эффект «отрицательной групповой скорости», когда групповая скорость и поток энергии противоположны фазовой скорости. Таким образом, отрицательное преломление возможно для волн любой природы и, вообще говоря, не обязательно связано с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями. Упоминания о ранних исследованиях сред с отрицательной групповой скоростью, а также ссылки на соответствующие работьь можно найти в обзорах В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна [48], В. Г. Веселаго с соавторами [49] и на веб-странице [50].

В работе J. Lu с соавторами [51] теоретически исследовалось излучение Вавилова-Черенкова в левой среде. При этом была предложена оригинальная энергетическая характеристика для описания свойств направленности излучения — энергетическая диаграмма излучения. С помощью нее был продемонстрирован обратный характер ИВЧ в левой среде. С этого времени термин «обратное излучение Вавилова—1Черенкова» («reversed Cherenkov radiation») стал достаточно часто встречаться в научной литературе. Этому эффекту посвящен, например, обзор [52]. Также имеются попытки экспериментального наблюдения ИВЧ в левой среде [53,54]. Следует отметить, что вопросы, связанные с обратным характером ИВЧ в случае отрицательной групповой скорости обсуждались еще в работах В. Е. Пафомова [55, 56]. Отметим, однако, что структура электромагнитного поля заряда, движущегося в левой среде, вовсе не анализировалась в известной нам научной литературе.

Задача о пересечении зарядом границы раздела между двумя средами, отличающимися диэлектрическими свойствами, впервые была рассмотрена в работе В. Л. Гинзбурга и И. М. Франка [57]. Возникающее при этом излучение было названо переходным излучением (ПИ). С тех пор было опубликовано огромное количество работ по различным аспектам ПИ (см., например, обзор Ф. Г. Баса и В. М. Яковенко [58] и приведенный там список литературы), среди которых следует отметить следующие. В работе Г. М. Гарибяна [59] было произведено обобщение теории В. Л. Гинзбурга и И. М. Франка на случай, когда среды отличаются как диэлектрическими, так и магнитными свойствами. В этой работе использовался метод перевала, однако в несколько усеченном виде - контур наискорейшего спуска строился только в окрестности седловой точки. В случае вылета заряда из среды в вакуум отмечалась возможность выхода в эту область излучения Вавилова-Черенкова, излученного частицей при движении в среде. В работе Е. А. Канера и В. М. Яковенко [60] рассмотрена задача о переходном излучении на границе вакуум - плазма с учетом пространственной дисперсии. В упоминавшихся работах В. Е. Пафомова [55, 56] рассмотрен случай пролета заряда через пластинку, в том числе анизотропную. В последующей монографии В. Л. Гинзбурга и В. П. Цытовича [61] были систематизированы основные результаты теории переходного излучения.

Как и в случае с излучением Вавилова-Черенкова, основное внимание в теории ПИ уделялось энергетическим характеристикам, в результате чего некоторые вопросы не получили должного освещения в литературе. К ним относится, прежде всего, анализ электромагнитного поля для тех или иных моделей сред, включая даже классическую модель резонансно диспергирующей изотропной среды. Что касается конкретного случая вакуум -левая среда, то он лишь частично был рассмотрен в работе [62]. Эффект обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ) (без использования данного термина) упоминался и анализировался лишь на уровне энергетических характеристик [55, 62], а его проявление на уровне полей практически не исследовалось.

Краткое содержание диссертации

Первая глава посвящена исследованию поля точечной заряженной частицы, движущейся в безграничной среде с частотной дисперсией.

В параграфе 1.1 рассматриваются некоторые общие свойства известных интегралов Фурье, определяющих электромагнитное поле движущейся частицы. Определяется «физический» лист римановой поверхности, анализируются свойства подынтегральных функций, находятся области возможной трансформации исходного контура интегрирования и асимптоты контура наискорейшего спуска (КНС). Показывается, что интеграл по симметричному относительно мнимой оси контуру может быть сведен к интегралу по одной его части в правой полуплоскости. Полученные свойства являются базой для дальнейшего исследования.

В параграфе 1.2 рассматривается случай многорезонансной лоренцевской среды при условии, что резонансные частоты существенно превышают плазменные частоты. Анализируется расположение разрезов и полюсов на комплексной плоскости частоты, после чего проводится преобразование интегралов методами теории функций комплексного переменного. Полученные выражения для компонент полного поля представляют собой сумму трех слагаемых: волновое поле (поле излучения Вавилова-Черенкова), «квазикулоновское» (или квазистатическое) поле и так называемый «плазменный след». Такое представление имеет преимущества по сравнению с исходными интегралами по вещественной оси, к числу которых относится ясный физический смысл и определенные преимущества при вычислении отдельных компонент. В параграфе 1.2 также описан эффективный алгоритм численного расчета, использующий определенную трансформацию контура интегрирования. Приводятся типичные графические результаты, полученные при помощи данного алгоритма.

В параграфе 1.3 сходная методика применяется к анализу поля заряда, движущегося в левой среде, у которой диэлектрическая и магнитная проницаемости отрицательны в одном и том же диапазоне частот. При этом используется резонансная модель для магнитной проницаемости и плазменная модель для диэлектрической проницаемости. Получено разложение полного поля на волновую часть, «квазикулоновскую» часть и плазменный след. Представлены типичные графические результаты для полного поля. Проведен анализ энергетических диаграмм излучения. Продемонстрированы различия характеристик излучения в обычной (правой) среде и в левой среде, где излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ) носит «обратный» характер, т. е. максимум диаграммы составляет тупой угол с направлением скорости движения заряда. Отмечены также ситуации, когда имеется как обычное, так и обратное ИВЧ.

В параграфе 1.4 проведено аналогичное аналитическое и численное исследование для случая анизотропной негиротропной одноосной среды с плазменной зависимостью компонент тензора диэлектрической проницаемости от частоты. Особое внимание уделено такой ситуации, когда ИВЧ носит обратный характер.

Вторая глава посвящена исследованию поля частицы, которая влетает из вакуума в полупространство, заполненное левой средой.

В параграфе 2.1 приводится мотивация необходимости исследования данного явления.

В параграфе 2.2 выполняется постановка задачи, приводятся известные общие интегральные выражения для компонент поля, выбираются модели дисперсии для описания обеих сред. Далее проводится анализ особенностей подынтегральных выражений и описываются применяемые методы (аналитический и численный).

В параграфе 2.3 описывается получение асимптотических представлений для Фурье-гармоник компонент поля в области вакуума. Определяется седловая точка, строится КНС и исследуется возможность захвата полюсов при трансформации исходного контура к КНС. Вклады этих полюсов описывают ИВЧ, вышедшее из левой среды в вакуумную область. Это излучение названо «обратным черенковско-переходным излучением» (ОЧПИ). Подобно переходному излучению (ПИ), оно возникает при наличии границы раздела, а, подобно черенковскому, имеет место при выполнении в среде черенковского условия. Показывается, что ОЧПИ в вакууме, является «двухбарьерным» эффектом: оно генерируется в определенном диапазоне скоростей движения частицы. Нижний предел — это черенковский барьер для левой среды, а верхний предел связан с полным внутренним отражением волн ИВЧ от границы раздела. Показывается также, что вакуумное ОЧПИ является двухпороговым эффектом и по частоте, что представляется весьма перспективным для приложений. Проведенное исследование включает также анализ поведения поля в переходных областях (областях «полутени»).

В параграфе 2.4 проведено аналогичное исследование для полупространства, заполненного левой средой. Получены асимптотические представления, справедливые, в том числе, и в областях «полутени».

В параграфе 2.5 проводится анализ влияния малых потерь в среде на распространение волн излучения. Показано, что потери в среде приводят к ослаблению излучения не только в среде, но и в вакууме. Даются оценки областей существенности ПИ, ИВЧ и ОЧПИ. Эти оценки показывают, что вакуумное ОЧПИ может быть обнаружено в эксперименте.

В параграфе 2.6 описывается алгоритм численного расчета как Фурье-гармоник поля, так и полного поля. При этом никаких ограничений не накладывается, расчет проводится по строгим формулам. Представлены типичные численные результаты, иллюстрирующие основные эффекты, в том числе эффект ОЧПИ. Для Фурье-гармоник дано сравнение результатов численного расчета и расчета по асимптотическим формулам, демонстрирующее хорошее совпадение в области применимости последних. Результаты расчета полного поля показывают, что ОЧПИ является доминирующим эффектом при определенных временах и расстояниях.

В третьей главе рассматривается задача о влете частицы в электрически анизотропную негиротропную одноосную среду, компоненты тензора диэлектрической проницаемости которой обладают дисперсией плазменного типа, а оптическая ось ортогональна границе раздела.

Проводится анализ особенностей подынтегральных выражений для Фурье-образов компонент электромагнитного поля (параграф. 3.2). С помощью метода перевала строятся асимптотики в дальней (по отношению к точке влета) зоне в вакууме (параграф 3.3) и в среде (параграф 3.4).

В процессе получения асимптотик поля получены, в частности, условия генерации вакуумного ОЧПИ. Показано, что ОЧПИ в такой ситуации имеет только один порог по скорости (причем он связана эффектом полного внутреннего отражения), но, тем не менее, два порога по частоте. Проведена оценка областей «полутени». Выявлено влияние диссипации в среде на ОЧПИ в вакууме. Оценены области существенности ОЧПИ. Для полупространства, заполненного средой, также построены асимптотики, оценены области «полутени» и рассмотрено влияние диссипации на различные компоненты поля.

Численные расчеты проводятся на основании строгих формул (параграф 3.5). Описывается алгоритм численного расчета, приводятся характерные графические результаты, которые сравниваются с результатами расчета по асимптотическим формулам. Проводится также сравнение с соответствующими результатами для случая левой среды. Отмечены, в частности, существенные отличия свойств ОЧПИ в этих двух задачах.

В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.

В приложении А приводится вывод выражений для поля равномерно движущегося заряда с использованием принципа причинности. В приложениях Б и В производится анализ возможности генерации поверхностных волн на границе раздела в случае изотропной левой среды и в случае рассматриваемой анизотропной среды.

Положения и результаты, выносимые на защиту

1. Результаты исследования электромагнитного поля заряда, равномерно движущегося в изотропной многорезонансной среде, изотропной левой среде и анизотропной одноосной среде с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости, из которых вытекает следующее: а) Поле равномерно движущегося заряда представимо в виде суммы волнового поля, квазистатического поля и «плазменного следа». б) Для численного расчета поля целесообразно использовать алгоритм интегрирования по определенному контуру в комплексной плоскости, обеспечивающему плавное поведение подынтегральных функций и их наискорейшее убывание при больших значениях переменной интегрирования. в) Поле излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) в левой среде сильнее отстает от заряда по сравнению со случаем обычной среды.

2. Результаты исследования полного поля заряда, влетающего из вакуума в изотропную левую среду, которые подтверждают возможность обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ) и выявляют следующие его свойства: а) ОЧПИ в вакууме имеет как нижний порог по скорости (связанный с порогом генерации ИВЧ), так и верхний порог (связанный с полным внутренним отражением ИВЧ от границы); диапазон частот ОЧПИ также имеет нижнюю и верхнюю границы. б) Наличие поглощения-в среде приводит к ослаблению ОЧПИ не только в среде, но и вакууме, причем в вакууме влияние диссипации минимально в областях «полутени». в) ОЧПИ в вакууме может быть основным видом излучения при определенных временах наблюдения.

3. Результаты исследования электромагнитного поля заряда, влетающего из вакуума в анизотропную одноосную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости, из которых вытекает следующее: а) Как и в случае левой среды, объемное излучение в вакуумной области может содержать ОЧПИ, однако, в отличие от случая левой среды, волны ОЧПИ не интерферируют друг с другом: б) В отличие от случая левой среды, ОЧПИ в вакууме имеет только нижний порог по скорости, связанный с полным внутренним отражением ИВЧ от границы; диапазон частот ОЧПИ ограничен как снизу, так и сверху. в) Наличие поглощения в среде приводит к ослаблению ОЧПИ в вакууме, причем наименьшее ослабление имеет место в областях «полутени».

Публикации и апробации

Все основные результаты диссертации отражены в 12 публикациях [63-74], в том числе статьях [70-74], тезисах докладов на конференциях [63-66] и полнотекстовых докладах в трудах конференций [67-69]. Ещё одна статья принята к печати [75].

Вошедшие в диссертацию результаты докладывались на X Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (СПб, 2006) [63], Региональных XI, XIV и XVI конференциях по распространению радиоволн (СПб, 2005, 2008 и 2010) [64-66], ведущих международных конференциях в области физики ускорителей «Particle Accelerator Conférence (РАС09)» (Ванкувер, Канада, 2009) [67] и «International Particle Accelerator Conférence (IPAC10)» (Киото, Япония, 2010) [68], международной конференции «Days on Diffraction» (СПб, 2009) [69] и VIII международном симпозиуме «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-09)» (Москва, Звенигород, 2009) [70].

3.6. Выводы

В данной главе было проанализировано электромагнитное поле, возникающее при пересечении заряженной частицей границы раздела между вакуумом и электрически анизотропной немагнитной средой. Был рассмотрен случай, когда тензор диэлектрической проницаемости имеет диагональный вид, типичный для одноосных кристаллов, причем его компоненты обладают дисперсией плазменного типа. Для сравнения было рассмотрено два возможных соотношения плазменных частот, при которых генерируемое в среде излучение Вавилова-Черенкова носит либо прямой, либо обратный характер.

Электромагнитное поле исследовалось с помощью двух методов. Первый из них основан на применении метода перевала для построения асимптотик поля в дальней по отношению к точке влета зоне. Как и в случае левой среды (глава 2) в поле объемного излучения основную роль играют сферические волны переходного излучения (вклад седловой точки) и цилиндрические волны излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) и обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ). Была построена неравномерная асимптотика, учитывающая указанные типы объемных волн. Данная асимптотика корректно описывает поведение электромагнитного поля вне переходных областей (областей полутени»), внутри которых происходит переход от наличия волн ОЧПИ к их отсутствию. При учете конечных потерь в среде области «полутени» оказываются ограниченными и по углу, и по расстоянию (ограничение по расстоянию возникает вследствие затухания волн ИВЧ в среде).

Были найдены условия генерации ОЧПИ, которые являются условиями захвата соответствующих полюсов при трансформации исходного контура интегрирования к контуру наискорейшего спуска. В отличие от случая левой среды ОЧПИ в вакуумной области имеет только нижний порог по скорости движения частицы, причем этот порог связан с полным внутренним отражением. В частотной области вакуумное ОЧПИ имеет как нижний, так и верхний пороги. Нижний порог совпадает с одной из плазменных частот, а верхний порог, монотонно возрастающий с ростом скорости, связан с полным внутренним отражением на границе.

Был проведен анализ влияния потерь в среде на распространение указанных типов излучения (переходное излучение, излучение Вавилова-Черенкова и ОЧПИ) и оценены пространственные области их существенности. Как и в случае левой среды, наличие потерь в среде приводит к ослаблению волн ОЧПИ не только в среде, но и вакуумной области. Максимальное расстояние от точки влета заряда в среду, на котором ОЧПИ в вакууме является значимым эффектом, составляет (при использовании реалистичных параметров анизотропной среды) величину порядка тысячи длин волн. Эта величина представляется вполне достаточной для регистрации излучения в эксперименте и его использования в целях диагностики пучков частиц или диагностики свойств материалов.

Другой метод исследования полного поля состоял в применении разработанного численного алгоритма для расчета Фурье-гармоник поля по точным формулам. С помощью данного метода было исследовано пространственное и спектральное распределение Фурье-гармоник полного поля. Результаты для Фурье-гармоник подтверждают все выводы аналитического исследования, в частности, наличие эффекта ОЧПИ и его свойства. Отметим, чго в целях диагностики (пучков частиц или свойств материалов) могут быть использованы, прежде всего, граничные частоты в спектре вакуумного ОЧПИ.

Заключение

В настоящей диссертации был рассмотрен ряд задач об излучении движущегося заряда в присутствии материальной среды. Прежде всего, это анализ поля заряда, равномерно движущегося в безграничной среде с частотной дисперсией. Были проанализированы случай среды с произвольным числом резонансных частот, случай «левой» среды (среды с отрицательным показателем преломления) и случай анизотропной плазмоподобной среды. Во всех трех ситуациях компоненты электромагнитного поля заряда были представлены в виде суммы физически различных составляющих: «квазикулоновской» (квазистатической) составляющей, волновой составляющей и составляющей «плазменного следа» (если таковая имеется). Было показано, что полученные выражения обладают рядом преимуществ по сравнению с ранее известными. Также был разработан эффективный метод численного расчета полного поля, использующий определенную трансформацию исходного контура интегрирования. Среди наиболее ярких эффектов следует отметить более сильное отставание волнового поля от заряда в левой среде по сравнению со случаем обычной (правой) среды. Данный эффект является следствием обратного характера излучения Вавилова-Черенкова в левой среде. Аналогичный, но менее выраженный эффект наблюдался и при рассмотрении анизотропной среды в такой ситуации, когда генерируемое излучение Вавилова-Черенкова носит обратный характер.

Далее были рассмотрены две задачи, посвященные анализу поля заряда, пересекающего границу раздела между вакуумом и средой. Было рассмотрено два случая: когда заряд влетает в левую среду и когда он влетает в электрически анизотропную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости.

Электромагнитное поле исследовалось с помощью двух методов. Первый из них основан на применении метода перевала для построения асимптотик поля в дальней (по отношению к точке влета) зоне. При этом в обеих граничных задачах была построена асимптотика, учитывающая главные члены объемного излучения — сферические и цилиндрические волны. Были найдены условия, при которых равномерная асимптотика переходит в неравномерную, и оценены области «полутени».

В случае, когда генерируемое в среде излучение Вавилова-Черенкова носит обратный характер (а это имеет место как для левой среды, так и для анизотропной среды при определенных условиях), в вакууме генерируется излучение, названное «обратным черенковско-переходным излучением» (ОЧПИ). Найдены условия генерации ОЧПИ и показано, что в случае левой среды ОЧПИ в вакуумной области является двухпороговым эффектом как по скорости движения частицы, так и по частоте. Нижний порог совпадает с порогом генерации излучения Вавилова-Черенкова, а верхний порог связан с полным внутренним отражением на границе. В случае анизотропной среды ОЧПИ в вакууме имеет только нижний порог по скорости, связанный с полным внутренним отражением.

Был проведен анализ влияния потерь в среде на распространение волн переходного излучения, излучение Вавилова-Черенкова и ОЧПИ, а также были оценены пространственные области их существенности. Интересно отметить, что наличие потерь в среде приводит к затуханию волн ОЧПИ не только в среде (что естественно), но и вакуумной области. Это объясняется тем, что излучение Вавилова-Черенкова, порождающее ОЧПИ, проходит определенный путь в среде, прежде чем достигнет границы и преломится в вакуумную область. Проведенные оценки размеров областей существенности для реалистичных параметров сред свидетельствуют о том, что ОЧПИ в вакуумной области может быть уверенно зарегистрировано в эксперименте и использовано в целях диагностики пучков частиц или свойств метаматериалов.

Другой метод исследования состоял в применении разработанного численного алгоритма для расчета Фурье-гармоник поля и полного поля по точным формулам. С помощью данного метода было исследовано пространственное и спектральное распределение Фурье-гармоник полного поля. Результаты для Фурье-гармоник подтверждают все выводы аналитического исследования, в частности, возможность эффекта ОЧПИ и его пороговые свойства. Для случая левой среды было также рассчитано полное поле и показано, что обратное черенковско-переходное излучение может быть доминирующим типом излучения.

Отметим, что полученные результаты могут применяться как для диагностики пучков заряженных частиц, так и для определения электромагнитных характеристик различных материалов. К примеру, весьма привлекательными для этих целей представляются пороговые свойства обратного черенковско-переходного излучения.

1. Черенков П. А. Видимое свечение чистых жидкостей под действием у радиации // ДАН СССР. 1934. Т. 2. № 8. С. 451.

2. Вавилов С. И. О возможных причинах синего у свечения жидкостей // ДАН СССР. 1934. Т. 2. №8. С. 457.

3. Cerenkov P. A. Visible Radiation Produced by Electrons Moving in a Medium with Velocities Exceeding that of Light // Phys. Rev. 1937. V. 52. P. 378.

4. Тамм И. E., Франк И. М. Когерентное излучение быстрого электрона в среде // ДАН. 1937. Т. 14. № 3. С. 107.

5. Tamm Ig. Radiation emitted by uniformly moving electrons // J. Phys. USSR. 1939. V. 1. No. 5-6. P. 439-454.

6. Гинзбург В. Jl. Излучение электрона, движущегося с постоянной скоростью в кристалле // ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 608 613.

7. Гинзбург В. JT. Квантовая теория сверхсветового излучения электрона, равномерно движущегося в среде // ЖЭТФ. 1940. Т. 10. С. 589 595.

8. Fermi Е. The Ionization Loss of Energy in Gases and in Condensed Materials // Phys. Rev. 1940. V. 57. P. 485-493.

9. Halpern O., Hall H. Energy Losses of Fast Mesotrons and Electrons in Condensed Materials // Phys. Rev. 1940. V. 57. P. 459 460.

10. Halpern O., Hall H. The Ionization Loss of Energy of Fast Charged Particles in Gases and Condensed Bodies // Phys. Rev. 1948. V. 73. P. 477 486.

11. Sternheimer R. M. The Energy Loss of a Fast Charged Particle by Cerenkov Radiation // Phys. Rev. 1953. V. 89. P. 1148.

12. Sternheimer R. M. The Energy Loss of a Fast Charged Particle by Cerenkov Radiation // Phys. Rev. 1953. V. 91. P. 256-265.

13. Ситенко А. Г. Эффект Черенкова в ферродиэлектрике // ЖТФ. 1953. Т. 23. С. 2200.

14. Иваненко Д. Д., Цытович В. Н. К теории потерь энергии заряженных частиц при прохождении ферромагнетика // ЖЭТФ. 1955. Т. 28. №. 3. С. 291 296.

15. Коломенский А. А. Излучение Черенкова и поляризационные потери в одноосном кристалле//ДАН. 1952. Т. 86. С. 1097.

16. Коломенский А. А. Эффект Черенкова в гиротропной среде // ЖЭТФ. 1953. Т. 24. С. 167.

17. Каганов М. И. Движение заряженной частицы в анизотропном диэлектрике с осевой симметрией //ЖТФ. 1953. Т. 23. С. 507.

18. Ситенко А. Г., Каганов М. И., О потерях энергии на черенковское излучение в кристалле //ДАН. 1955. Т. 100. С. 681.

19. Болотовский Б. М. Теория эффекта Вавилова-Черенкова // УФН. 1957. Т. 62. № 3. С. 201 -246.

20. Болотовский Б. М. Теория эффекта Вавилова-Черенкова (III) // УФН. 1961. Т. 75. № 2. С. 295-350.

21. Джелли Дж. Черенковское излучение и его применения. М.: Изд. Иностр. лит., 1960. 335 с.

22. Зрелов В. П. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергии. Ч. 1,2. М.: Атомиздат, 1968.

23. Франк И. М. Излучение Вавилова-Черенкова: вопросы теории. М.: Наука, 1988. 288 с.

24. Afanasiev G. N., Kartavenko V. G. Radiation of a point charge uniformly moving in a dielectric medium. // J. Phys. D. 1998. Y. 31. P. 2760 2776.

25. Xiao L., Gai W., Sun X. Field analysis of a dielectric-loaded rectangular waveguide accelerating structure // Phys. Rev. E. 2001. V. 65. P. 016505.

26. Альтмарк A. M., Канарейкин А. Д., Шейнман И. JI. Управляемая ускорительная кильватерная структура с диэлектрические заполнением // ЖТФ. 2005. Т. 75. № 1. С. 89 — 97.

27. Jing С., Kanareykin A., Power J. G., Conde M., Yusof Z., Schoessow P., Gai W. Observation of enhanced transformer ratio in collinear wakefield acceleration // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 144801.

28. Альтмарк A. M., Канарейкин А. Д. Использование многослойного диэлектрического заполнения для уменьшения потерь мощности в ускорительных структурах // Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. № 4. С. 81 87.

29. Kanareykin A. D., Tyukhtin А. V. Analysis of multimode wakefield generation in accelerating structures with conductive dielectric loading // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A. 2006. V. 558. No.l. P. 62 65.

30. Schachter L. Hybrid Cerenkov mode in a resonant medium // Phys. Rev. E. 2000. V. 62. No. 1. P. 1252- 1257.

31. Tyukhtin A., Kanareykin A., Schoessow P. Wakefields generated by electron beams passing through a waveguide loaded with a slightly dispersive active medium // Physical Review STAB. 2007. V.10. P. 051302.

32. Иванов H. В., Тюхтин А. В. Об усилении излучения пучка заряженных частиц, движущихся в волноводе со слоем активной среды // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32. № 10. С. 68-75.

33. Тюхтин А. В. О применении анизотропных диспергирующих материалов для высокоточного определения энергии заряженных частиц // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35. № 6. С. 31 -38.

34. Tyukhtin А. V., Doil'nitsina Е. G., Kanareykin A. Particle energy determination technique based on waveguide mode frequency measurement // Proceedings of IP AC 10. Kyoto, Japan, 2010. P.1071 -1073.

35. Pendry J. В., Holden A. J., Stewart W.J., Youngs I. Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 4773.

36. Pendry J. B. Negative Refraction Makes a Perfect Lens // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. No. 18. P. 3966-3969.

37. Pendry J. В., Holden A. J., Robbins D. J., Stewart W. J. Magnetism from Conductors and Enhanced Nonlinear Phenomena // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. 1999. V. 47. No. 11. P. 2075-2084.

38. Shelby R. A., Smith D. R., Nemat-Nasser S. C., Schultz S. Microwave transmission througha two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial // Applied Phys. Lett. 2000. V. 78. No. 4. P. 489-491.

39. Smith D. R., Padilla W. J., Vier D. C., Nemat-Nasser S. C., Schultz S. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84, No. 18. P. 4184.

40. Shelby R. A., Smith D. R., Schultz S. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction // Science. 2001. V. 292. P. 77 79.

41. Smith D. R., Kroll N. Negative Refractive Index in Left-Handed Materials // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85. P. 2933.

42. Soukoulis С. M., Zhou J., Koschny Т., Kafesaki M., Economou E. N. The science of negative index materials // J. Phys.: Condens. Matter. 2008. V. 20. P. 304217.

43. Веселаго В. Г. О свойствах веществ с одновременно отрицательными значениями диэлектрической (f) и магнитной (//) восприимчивостей // ФТТ. 1966. Т. 8. № 12. С. 3571.

44. Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями е и р //УФЫ. 1967. Т. 92. № 3. С. 517-526.

45. Веселаго В. Г. Электродинамика материалов с отрицательным коэффициентом преломления // УФН. 2003. Т. 173. № 3. С. 790 794.

46. Мандельштам JI. И. Групповая скорость в кристаллической решетке // ЖЭТФ. 1945. Т. 15. №9. С. 475-478.

47. Мандельштам JI. И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972. 440 с.

48. Агранович В. М., Гартштейн Ю. Н. Пространственная дисперсия и отрицательное преломление света // УФН. 2006. Т. 176. № 10. С. 1051 1068.

49. Veselago V., Braginsky L., Shklover V., and Hafner C. Negative Refractive Index Materials // Journal of Computational and Theoretical Nanoscience. 2006. V. 3. P. 1 30.

50. Moroz A. http://www.wave-scaterring.com/negative.html.

51. Lu J., Grzegorczyk Т. M., Zhang Y., Jr J. P., Wu B.-I., Kong J. A., Chen M. Cerenkov radiation in materials with negative permittivity and permeability // Opt. Express. 2003. V. 11. No. 7. P. 723 734.

52. Duan Z. Y., Wu B.-I., Xi S., Chen H. S., Chen M. Research Progress in Reversed Cherenkov Radiation in Double-Negative Metamaterials // Progress In Electromagnetics Research, PIER. 2009. V. 90. P. 75 87.

53. Xi S., Chen H., Jiang Т., Ran L., Huangfu J., Wu B-I., Kong J. A., Chen. M. Experimental Verification of Reversed Cherenkov Radiation in Left-Handed Metamaterial // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 194801.

54. Пафомов В. E. К вопросу о переходном излучении и излучении Вавилова-Черенкова // ЖЭТФ. 1959. Т. 36. № 6. С. 1853 1858.

55. Пафомов В. Е. К теории излучения Вавилова-Черенкова в анизотропных средах и при наличии границ // Труды ФИАН. 1961. Т. 16. С. 94 139.

56. Гинзбург В. Л., Франк И. М. Излучение равномерно движущегося электрона, возникающее при его переходе из одной среды в другую // ЖЭТФ. 1946. Т. 16. № 1. С. 15.

57. Басс Ф. Г., Яковенко В. М. Теория излучения заряда, проходящего через электрически неоднородную среду // УФН. 1965. Т. 86. № 2. С.189 230.

58. Гарибян Г. М. К теории переходного излучения // ЖЭТФ. 1957. Т. 33. № 6(12). С. 1403 -1410.

59. Канер Е. А., Яковенко В. М. К теории переходного излучения // ЖЭТФ. 1962. Т. 42. №2. С. 471 -478.

60. Гинзбург В. Л., Цытович В. Н. Переходное излучение и переходное рассеяние. М.: Наука, 1984. 360 с.

61. Аверков Ю. О. Переходное излучение электронного сгустка, пересекающего границу раздела вакуум левая среда // Радиофизика и электроника (Харьков). 2005. Т. 10. № 2. С.248 - 255.

62. Галямин С. Н. Некоторые задачи теории излучения Вавилова-Черенкова в активных и пассивных средах с резонансной дисперсией // X Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков. СПб, 2006. С. 15-17.

63. Тюхтин А. В., Галямин С. Н., Иванов Н. В. Излучение Вавилова-Черенкова в пассивных и активных средах с двумя резонансными частотами // Региональная XI конференция по распространению радиоволн. СПб, 2005. С. 98 100.

64. Галямин С. Н., Тюхтин А. В., Доильницина Э. Г. Излучение заряда, влетающего из вакуума в левую среду // Региональная XIV конференция по распространению радиоволн. СПб, 2008. С. 63.

65. Галямин С. Н., Тюхтин А. В. Об электромагнитном поле заряда, влетающего из вакуума в анизотропную среду // Региональная XVI конференция по распространению радиоволн. СПб, 2010. С. 137- 140.

66. Tyukhtin А. V. ,Galyamin S. N., Alekhina Т. Yu., Doil'nitsina Е. G. Radiation of a charge crossing a left-handed medium boundary and prospects for its application to beam diagnostics // Proceedings of PAC09. Vancouver, Canada, 2009. P. 4030 4032.

67. Tyukhtin A. V., Galyamin S. N., Belonogaya E. S. Reversed Cherenkov-transition Radiation and Prospect of its Application to Beam Diagnostics // Proceedings of IPAC10. Kyoto, Japan, 2010. P. 1068 -1070.

68. Galyamin S. N., Alekhina T. Yu., Doil'nitsina E. G., Tyukhtin A. V. Radiation of a charge passing from vacuum into the left-handed medium // Proceedings of Days on Diffraction 2009. Saint Petersburg, 2009. P. 69 - 75.

69. Galyamin S. N., Tyukhtin A. V. New approach to the theory of a moving charge's radiation in dispersive medium and its application to the case of left-handed materials // J. Phys.: Conf. Ser. 2010. V. 236. P. 012003(1-8).

70. Галямин С. H., Тюхтин А. В. Взаимодействие точечных зарядов, движущихся в резонансно диспергирующем диэлектрике // Вестник СПбГУ, 2006. Сер. 4. В. 1. С. 21 30.

71. Tyukhtin A.V., Galyamin S.N. Vavilov-Cherenkov Radiation in Passive and Active Media with Complex Resonant Dispersion // Phys. Rev. E. 2008. V. 77. P. 066606(1-8).

72. Galyamin S. N., Tyukhtin A. V., Kanareykin A., Schoessow P. Reversed Cherenkov

73. Transition Radiation by a Charge Crossing a Left-Handed Medium Boundary // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 194802(1-4).

74. Galyamin S. N., Tyukhtin A. V. Electromagnetic field of a moving charge in the presence of a left-handed medium // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. P. 235134(1-14).

75. Галямин C.H., Тюхтин A.B. Обратное черенковско-переходное излучение заряда, влетающего в анизотропную среду // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 7. С. 54 63. Принято к печати.

76. Тюхтин А. В. Электромагнитное излучение заряженной частицы, движущейся в изотропной среде. Учебное пособие. СПб.: Изд. СПбГУ, 2004. 48 с.

77. Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П. Теория волн. М.: Наука, 1979. С. 65 -70.

78. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндо М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1970. Т. 7. С. 48-58.

79. Болотовский Б. М., Столяров С. Н. О принципах излучения в среде с дисперсией // Проблемы теоретической физики. Сборник памяти И. Е. Тамма. М.: Наука, 1972. С. 267 -280.

80. Прудников А. П., Брычков Ю. А., Маричев О. И. Интегралы и ряды. Специальные функции. М.: Наука, 1983. С. 183.

81. Сидорович А. М. Программа для расчета и моделирования спектральных свойств вещества в широком диапазоне частот, http://spectra.at.tut.by

82. Pimenov A., Loidl A., Gehrke K., Moshnyaga V., Samwer K. Negative Refraction Observed in a Metallic Ferromagnet in the Gigahertz Frequency Range // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 197401.

83. Maslovski S. I., Tretyakov S. A., Belov P. A. Wire Media with Negative Effective Permittivity: a Quasi-Static Model // Microwave and Optical Technology Letters. 2002. V. 35. No. 1. P. 47-51.

84. Belov P. A., Tretyakov S. A., Viitanen A. J. Dispersion and Reflection Properties of Artificial Media Formed by Regular Lattices of Ideally Conducting Wires // J. Electromagn. Waves and Appl. 2002. V. 16. No. 8. P. 1153-1170.

85. Sarychev A. K., Shalaev V. M. Comment on paper "Extremely Low Frequency Plasmons in Metallic Mesostructures" J. B. Pendry, et al., Phys. Rev. Lett. 76, 4773 (1996)] // cond-mat/0103145v 1.

86. Sarychev A. K., McPhedran R. C., Shalaev V. M. Electrodynamics of metal-dielectric composites and electromagnetic crystals // Phys. Rev. В. Y. 62. No. 12. P. 8531 8539.

87. Belov P. A., Marques R., Maslovski S. I., Nefedov I. S., Silverina M., Simovski C. R., Tretyakov S. A. Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. P. 113103.

88. Demetriadou A., Pendry J. B. Taming spatial dispersion in wire metamaterial // J. Phys.: Condens. Matter. 2008. V. 20. P. 295222.

89. Fang A., Koschny Т., Soukoulis C. Optical anisotropic metamaterials: Negative refraction and focusing //Phys. Rev. B. 2009. V. 79. P. 245127.

90. Silveirinha M. Broadband negative refraction with a crossed wire mesh // Phys. Rev. B.i

91. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во АН СССР, 1957. 502 с.

92. Фелсен Л., Маркувиц Н. Излучение и рассеяние волн. Т. 1,2. М.: Мир, 1977.

93. Макаров Г. И., Новиков В. В., Рыбачек С. Т. Распространение электромагнитных волн над земной поверхностью. М.: Наука, 1991. 196 с.

94. Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям, М.: Наука, 1979.

95. Markos P., Rousochatzakis I., Soukoulis C. M. Transmission losses in left-handed materials // Phys. Rev. E. 2002. V. 66. P. 045601 (R).

96. Wang J.-F., Qu S.-B., Xu Z., Zhang J.-Q., Ma H., Yang Y.-M., Gu C. A Method of Analyzing Transmission Losses in Left-Handed Metamaterials // Chin. Phys. Lett. 2009. V. 26. No. 8. P. 084103.832 c.