Переходное излучение и рассеяние волн от движущихся источников различной природы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МАГНИТОГИДРОдинамиЧЕСКИХ ВОЛН. II

§1.1 Основные уравнения и граничные условия

§ 1.2 Переходное излучение равномерно движущегося заряда, пересекающего плоскую границу раздела вакуум - проводящая среда

§ 1.3 Переходное излучение, возбуждаемое термоакустическим источником, пересекающим границу проводящей среды.

§ 1.4 Излучение термоакустического источника, сканирующего по свободной поверхности проводящей среды.

ГЛАВА II ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ПЕРЕХОДНОЕ РАССЕЯНИЕ УПРУГИХ ВОЛН.

§ 2.1 Основные уравнения и граничные условия теплового возбуждения упругих волн в твёрдом теле.

§ 2.2 Переходное излучение упругих волн, возбуждаемое термоакустическим источником

§ 2.3 Переходное рассеяние звука в неоднородной жвдкости.

§2.4 Переходное рассеяние звука на пространственно взволнованной поверхности однородной липкости

ГЛАВА III ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ И ПЕРЕХОДНОЕ РАССЕЯНИЕ ВНУТРЕННИХ ГРАВИТАЦИОННЫХ ВОЛН

ЧАСТЬ I ПЕРЕХОДНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ВНУТРЕННИХ ВОЛН НА ГРАНИЦЕ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНО СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ СРЕД.

§ 3.1 Основные уравнения и граничные условия

§ 3.2 Поля переходного излучения внутренних волн при вертикальном пересечении границы раздела точечным источником массы

§ 3.3 Переходное излучение внутренних волн при наклонном пересечении границы раздела

§ 3.4 Энергия переходного излучения внутренних волн.

ЧАСТЬ II ПЕРЕХОДНОЕ РАССЕЯНИЕ ВНУТРЕННИХ ЮЛН

§ 3.5 Переходное рассеяние внутренних волн на горизонтальных крупномасштабных неодно-родностях.

§ 3.6 Переходное рассеяние внутренних волн при учёте тонкой вертикальной структуры поля плотности

ГЛАВА 1У ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ОСЦИЛЖТО

РОМ С МОДУЛИРОВАННОЙ АМПЛИТУДОЙ.

§ 4.1 Излучение покоящегося осциллятора с модулированной амплитудой.

§ 4.2 Излучение осциллятора с модулированной амплитудой, движущегося в однородной среде. ИЗ

§ 4.3 Излучение осциллятора с модулированной амплитудой, движущегося в периодически неоднородной среде.

Пересечение источником границы раздела двух сред, как известно, приводит к генерированию излучения, вызванного перестройкой поля источника вследствие различий в физических параметрах этих сред. Впервые на возможность появления переходного излучения электромагнитных волн при влете заряда из вакуума в среду было указано В.Л.Гинзбургом и И.М.Франком ^ . В дальнейшем развитие теории переходного излучения определялось, в основном, вопросами создания генераторов электромагнитного излучения и детектир рования частиц высоких энергий .

Формирование переходного излучения происходит всякий раз, когда вдоль траектории источника возникает какая-либо неоднородность в пространстве или во времени. В последнем случае речь идёт о так называемых нестационарных средах 4 . Когда пространственная неоднородность имеет периодический характер, говорят о с переходном рассеянии , либо о резонансном переходном излучении заряженных частиц ® . Однако общефизический характер переходного излучения не исчерпывается излучением электромагнитных волн. Переходное излучение имеет место и в акустике: оно возникает при пересечении силовым источником границы раздела двух газообразных 7 сред с различным импедансом ; для двух жидкостей, граница коо торых пересекается термоакустическим источником ° , а также при переходе движущейся дислокации через границу зёрен в поликрис9 талле .

Универсальный характер переходного излучения и переходного рассеяния, а также возможность непосредственной экспериментальной проверки полученных результатов, делает актуальным теоретическое рассмотрение указанных явлений в самых разнообразных фис; зических ситуациях .

Актуальность исследований переходного излучения и переходного рассеяния волн различной природы обосновывается не только растущим научным интересом к разнообразным теоретическим моделям переходного излучения, но и возможностью рассмотрения новых, нетрадиционных источников генерации волн самой разнообразной природы в различных средах. К числу последних, в первую очередь, можно отнести термоакустические источники ^ , солитоны различтт 12 тя ной природы ' , электромагнитные волны , и т.п.

Цель настоящей диссертации заключается в следующем:

1. Развить теорию переходного излучения на случай, когда по обе стороны от границы может возбуждаться одновременно несколько различных ветвей свободных колебаний: электромагнитные и магнитогидродинамические, упругие объёмные продольные и поперечные и поверхностные волны.

2. Исследовать переходное рассеяние звуковых волн, генерируемых при сканировании распределённого в пространстве источника вдоль свободной поверхности неоднородной жидкости, или вдоль взволнованной поверхности однородной жидкости.

3. Получить решение задачи о переходном излучении и переходном рассеянии внутренних волн в стратифицированных покоящихся жидкостях при движении в них источников массы.

4. Рассмотреть переходное рассеяние электромагнитных волн от источников, обладающих спектром собственных частот.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

I. Впервые рассмотрено переходное излучение заряда и термоакустического источника, когда по обе стороны от границы раздела могут возбуждаться одновременно волны различной природы.

Именно, исследовано переходное излучение электромагнитных волн в вакуум и магнитогидродинамических волн в проводящую среду при пересечении источником плоской границы раздела вакуум - проводящая среда, при наличии магнитного поля, нормального к границе.

2. Впервые исследовано одновременное возбуждение поперечных и продольных объёмных и поверхностных волн термоакустическим источником, пересекающим поверхность твердого тела.

3. Решена задача о переходном рассеянии звуковых волн при сканировании термоакустическим источником по свободной поверхности пространственно-неоднородной жидкости, а также при движении этого источника вдоль взволнованной поверхности однородной жидкости.

4. Построена теория переходного излучения внутренних гравитационных волн, возбуждаемых движущимся источником массы на границе раздела двух экспоненциально стратифицированных жидкостей.

Решены задачи о переходном рассеянии внутренних гравитационных волн в пространственно-неоднородной жидкости.

5. Получены решения задач об электромагнитном излучении движущегося осциллятора с модулированной амплитудой.

Практическая ценность полученных в диссертации результатов заключается в том, что последние обобщают и развивают теорию переходного излучения заряда и термоакустического источника на случаи излучения различных типов волн.

В п ервой главе диссертации показывается, что угловое распределение интенсивности переходного излучения электромагнитных волн в вакууме, возбуждаемое на границе с проводящей жидкостью в магнитном поле, зависит от скорости альфве-новской волны, что даёт основание говорить о возможности диагностики проводящих сред по переходному излучению электромагнитных волн в вакууме.

Рассмотрение переходного излучения упругих волн в твёрдом теле, возбуждаемых термоакустическим источником, проведённое во втором параграфе второй главы, создаёт принципиальную основу как нового метода генерации волн в твёрдом теле, так и акустического способа детектирования высокоэнергетических нейтральных частиц.

Результаты, полученные в четвёртом и пятом параграфах второй главы по переходному рассеянию звуковых волн при сканировании термоакустического источника по поверхности жидкости, подтверзда-ют резонансный характер переходного рассеяния и дают возможность оценить масштаб неоднородностей по спектральному распределению излучения.

Известный практический интерес представляют также результаты исследования переходного излучения и переходного рассеяния внутренних гравитационных волн, изложенные в третьей главе диссертации, которые могут быть использованы в прик-кладной космической физике и в физике атмосферы и океана для диагностики стратифицированных сред.

Решения задач об электромагнитном излучении движущегося осциллятора с модулированной амплитудой, изложенные в четвертой главе диссертации, могут быть применены при расчетах электродинамических систем типа ондуляторов, а также в кристаллофизике, при расчетах излучения каналируемых в поле звуковой волны заряженных частиц.

Основные положения, выносимые на защиту, можно сформулировать следующим образом:

I. Постановка задачи о переходном излучении электромагнитных волн в вакуум и низкочастотных магнитогидродинамических волн в проводящую среду при пересечении границы раздела вихревыми и дивергентными источниками.

Результаты анализа пространственно-временного импульса переходного излучения в вакуум и в проводящую среду.

2. Постановка задачи о переходном излучении упругих волн пространственно ограниченным проникающим излучением, за счет неоднородного теплового расширения твёрдой среды. Результаты решения этой задачи, сводящиеся к тому, что при пересечении термоакустическим источником гауссовой формы свободной границы твёрдого тела в последнем возбуждаются переходные пространственно -временные импульсы как объёмных поперечных и продольных смещений сферической формы, описываемых формулой (2.23)Т так и поверхностных смещений цилиндрической формы, описываемых формулой (2.29).

3. Периодически-неоднородная жидкость со свободной плоской границей, так же, как и однородная жидкость со свободной периодически-взволнованной поверхностью, при сканировании термоакустического источника по свободной поверхности создают качественно одинаковую картину переходного рассеяния.

4. Постановка задачи о переходном излучении и переходном рассеянии внутренних гравитационных волн в экспоненциально стратифицированных жидкостях источником массы и результаты анализа основных характеристик (частотное распределение давления, частотно-угловое распределение энергии и др.) излучения.

5. Результаты анализа переходного рассеяния электромагнитных волн в периодически неоднородных средах, излучаемых движущимся осциллятором с модулированной амплитудой. Нумерация формул в диссертации - сквозная по главам. При ссылке на формулу из другой главы указывается номер главы.

Основные результаты, содержащиеся в диссертации, докладывались на Ш-й Всесоюзной конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой" (Алма-Ата, 1982 г.), на 11-м Симпозиуме по переходному излучению частиц высоких энергий (Ереван, 1983 г.), на семинарах Ереванского физического института "Взаимодействие заряженных частиц с веществом" (руководитель - академик АН Арм.ССР Г.М.Гарибян), на теоретических семинарах ФИАН СССР, руководимых профессором Б.М.Болотовским, на семинаре ИКИ АН СССР по прикладной космической физике, руково-водимом профессором С.С.Моисеевым, на общеинститутских семинарах ИРФЭ АН Арм.ССР и ОТФ АН Узб.ССР.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах - 130

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кратко сформулируем основные результаты, полученные в диссертации.

1. Проведено исследование переходного излучения альфвенов -ских волн зарядом, нормально пересекающим границу вакуум - проводящая среда, и наклонно пересекающим границу вакуум - несжимаемая идеально проводящая среда.

Показано, что в случае нормального пересечения зарядом границы, поля и энергия переходного излучения существенно зависят от скорости альфвеновских волн в областях, близких к границе раздела. В случае наклонного пересечения зарядом границы несжимаемой среды, в последней возбуждаются две альфвеновские волны переходного излучения, имеющие различные фазовые скорости и поляризации. Получены пространственно-временное распределение импульсов переходного излучения альфвеновских волн и частотно-угловое распределение их энергии.

2. Исследовано переходное излучение магнитозвуковых волн, возбуждаемое термоакустическим источником гауссовой формы, как при пересечении им границы вакуум- идеально проводящая среда, так и при его сканировании по поверхности проводящей среды. Проанализировано поведение пространственно-временных импульсов газокинетического и магнитного давлений быстрых и медленных магнитозвуковых волн в пределе больших и малых альфвеновских скоростей. Приведены частотно-угловое и угловое распределение энергии переходного излучения этих волн.

3. Приведён расчёт полей и энергии переходного излучения упругих волн при пересечении свободной поверхности изотропного твёрдого тела термоакустическим источником гауссовой формы. Показано, что пространственно-временной импульс смещений переходного излучения поверхностных волн спадает в пространстве по

I -1/й. экспоненциальному закону, а во времени - как ь

4. Методом ВКБ-приближения получены поля переходного рассеяния звуковых волн как при сканировании по свободной поверхности периодически неоднородной жидкости термоакустическим источником, так и при сканировании термоакустическим источником по свободной взволнованной поверхности однородной жидкости. Показана аналогия полей переходного рассеяния в этих различных физических ситуациях. Приведены условия, определяющие длины рассеянных волн, "запираемых" в таких периодических структурах и условия резонансного рассеяния. Указано, что в случае источника, обладающего собственной частотой, в переходном рассеянии возникает сложный эффект Допплера.

5. Проведено последовательное рассмотрение переходного излучения внутренних гравитационных волн на границе двух экспоненциально стратифицированных сред как в случае нормального, так и при наклонном пересечении границы их раздела 8*-образным источником массы. Показано, что поля переходного излучения состоят при со| >Ыгп<хх, из поверхностных волн, а при /со/ Ытсп. - из объёмных волн. Подробно исследовано поведение амплитуд давления переходного излучения поверхностных и объёмных волн как в случае слабого скачка плотности на границе, так и для слабого скачка производной от плотности (скачок частоты Вяйсяля-БрентаV ). Показано, что в обоих случаях зависимость амплитуд и энергии излучения от параметров скачков носит различный характер для нормального и наклонного пересечения источником границы раздела: в последнем случае она оказывается значительно сильнее.

6. В ВКБ-приближении рассмотрено переходное рассеяние внутренних волн от нитевидного источника массы конечной длины при его движении в среде с крупномасштабными горизонтальными неоднородностями плотности. Получены частотные характеристики гармоник полей переходного рассеяния и частотно-угловая зависимоть мощности излучемой энергии внутренних волн.

7. Методом теории возмущений изучено переходное рассеяние внутренних волн при движении нитевидного источника массы конечной длины в экспоненциально стратифицированной среде, обладающей тонкой вертикальной структурой. В первом приближении теории возмущений получено пространственно-временное распределение рассеянного поля давления. Из условия излучения на бесконечности найдены угловые ограничения на области рассеяния, которые, по сути дела, для внутренних волн являются ограничениями на спектр излучаемых частот.

Найдено частотное распределение мощности рассеянной энергии и показано "обрезание" её спектрального интервала. Отмечено, что особенность в частотной зависимости мощности переходного рассеяния в первом приближении теории возмущений связана с аналогом условия первого максимума Вульфа-Брегга для внутренних волн. Приведены условия когерентного взаимодействия движущегося источника конечных размеров с тонкой периодической структурой.

8. Исследовано поле электромагнитного излучения покоящегося осциллятора с непрерывной и дискретной модуляцией амплитуды. Найдены условия максимальной перекачки энергии при делении частоты за счёт модуляции амплитуды. Рассмотрено излучение осциллятора с модулированной амплитудой, движущегося в однородной диэлектрической среде и найдены спектры излучаемых электромагнитных волн и спектрально-угловая зависимость их энергии.

9. В первом приближении теории возмущений изучено излучение движущегося осциллятора с модулированной амплитудой в периодически неоднородной среде. Найдены спектры излучаемых волн, которые определяются кинематическим преобразованием "гибридных" частот осциллятора и частоты пролёта неоднородности.

Указана аналогия излучения осциллятора с модулированной амплитудой в периодически неоднородной среде с излучением заряженных частиц при плоскостном каналировании в поле звука.

В заключение автор выражает глубокую признательность научным руководителям Б.М.Болотовскому и О.С.Мергеляну за постоянную поддержку, и сердечную благодарность Ф.А.Костаняну за плодотворное сотрудничество.

1. Гинзбург В.Л., Франк И.М. Излучение равномерно движущегося электрона, возникающее при его переходе из одной среды в другую. -

2. ЖЭТФ, 1964, т.16, ЖЕ, с. 15-28.

3. Алиханян А.И. Переходное излучение релятивистских частиц.- в кн.: Ионизационные эффекты и переходное излучение релятивистских заряженных частиц (труды ФИАН, т.140).- М.: Наука, 1982, с. 92-95.

4. Гарибян Г.М., Ян Ши. Рентгеновское переходное излучение.- Ереван.: Изд. АН Арм.ССР, 1983. 20 изд.л.

5. Гинзбург В.Л. Об одном типе переходного излучения. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1973, т.16, вып.4, с. 512-516.

6. Гинзбург В.Л., Цытович В.Н. Некоторые вопросы переходного излучения и переходного рассеяния. УФН, 1978, т.126,вып.4, с. 553-608.

7. Тер-Микаелян МЛ. Влияние среды на электромагнитные процессы при высоких энергиях. Ереван, Изд. АН Арм.ССР, 1969.- 460с.

8. Докучаев В.П. К теории излучения звуковых волн при движении малых тел в газообразных средах. ЖЭТФ, 1962, т. 43, вып. 2(8), с. 595-604.

9. Божков А.И., Бункин Р.В., Коломенский Ал.А., Лямшев М.Л., Маляровский А.И., Михалевич В.П., Родин A.M. Переходное излучение звука термооптическим источником, реализуемым сканирующим лазерным пучком. Акуст.ж., 1982, т.28, вып.4, с.461--469.

10. Нацик В.Д. Излучение звука дислокаций, выходящей на поверхность кристалла. Письма в ЖЭТФ, 1968, т.8, Жэ,с.324-328.

11. Лямшев Л.М. Оптико-акустические источники звука. УФН, 1981, т.135, №4, с.637-669.

12. Коу П.К., Цинцадзе Н.Л., Цхакая Д.Д. Излучение ионно-звука-вых волн ускоренно движущимся ленгмюровским солитоном.- ЖЭТФ, 1982, т.82, J®, с. 1449-1456.

13. Мак-Лафлин Д., Скотт Э. Многосолитонная теория возмущений.- в кн.:Солитоны в действии. М.: Мир, 1981, с.210-268.

14. Аскарьян Г.А. Черенковское и переходное излучения от электромагнитных волн. ЖЭТФ, 1962, т.42, вып.5, с.1360-1364.

15. Гарибян Г.М. К теории переходного излучения и ионизационных потерь энергии частицы. ЖЭТФ, 1959, т.37, вып.2(8), с.527--533.

16. Гарибян Г.М. Излучение частицы при переходе через границу раздела сред с учетом влияния многократного рассеяния.- ЖЭТФ, i960, т.39, вып.2, с.332-336.

17. Гарибян Г.М. К теории переходного излучения. ЖЭТФ, 1957, т.33, вып.6(12), с.1403-1410.

18. Гарибян Г.М. Излучение заряженной частицы, пролетающей через слоистую среду. ЖЭТФ, 1958, т.35, вып.6(12), с.1435-1439.

19. Пафомов В.Е. Излучение заряженной частицы при наличии границ раздела. Тр.ФИАН, 1969, т.44, с.28-167.

20. Аматуни АД., Корхмазян H.A. Переходное излучение в случае размытой границы раздела двух сред. -ЖЭТФ, i960, т.39, МЦО), с.1011-1019.

21. Аматуни АД. Переходное излучение дипольных моментов. -Изв. АН Арм.ССР, серия физ.-мат.наук, i960,т. 13, вып.1, с. III--120.

22. Аматуни АД., Корхмазян H.A. Излучение заряженной частицы (в среде с периодически меняющейся плотностью). Изв.АН

23. Арм.ССР, серия физ.-мат.наук, I960, т.13, вып.5,с.54-64.

24. Барсуков К.А., Болотовский Б.М. Излучение быстрых частиц в нестационарной неоднородной среде. ЖЭТФ, 1963, т.45, вып. 2(8), с.303-304.

25. Тер-Микаелян М.Л. Излучение быстрых частиц в неоднородной среде. ДАН СССР, I960, т.134, вып.2, с.318-321.

26. Эйдман В.Я. Об излучении заряда, движущегося в неоднородной среде. Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1962, т.5, вып.5, с.897-900.

27. Файнберг Б.Я., Хижняк H.A. Потеря энергии заряженной частицей при прохождении через слоистый диэлектрик. ЖЭТФ, 1957, т.32, вып.4, с.883-895.

28. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967. - 684 с.

29. Силин В.П., Рухадзе A.A. Электромагнитные свойства плазмы и плазмоподобных сред. М.: Атомиздат, 1961. - 244 с.

30. Б.Л.Желнов. Выход в вакуум черенковского излучения, возникающее на продольных волнах в среде. ЖЭТФ, 1961,т.40, вып.1, с.170-177.

31. Капер Э.А., Яковенко В.М. К теории переходного излучения. ЖЭТФ, 1962, т.42, вып.2, с.471-478.

32. Аматуни А.Ц., Гарибян Г.М., Элбакян С.С. Излучение переменного во времени заряда, движущегося в среде с постоянной скоростью. Изв. АН Арм.ССР, серия физ.-мат.наук, 1963,т.16, вып.6, с.101-112.

33. Эйдман В.Я. О переходном излучении на границе с плазмой при учете пространственной дисперсии. Изв.ВУЗов, Радиофизика, 1962, т.5, вып.З, с.478-483.

34. Яковенко В.М. О переходном излучении в магнитоактивной33