Рассеяние поляризованного излучения плазменными турбулентными пульсациями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт Лазерной Физики

сг> сгг

С~>

На правах рукописи УДК 621.373-

ТИРСКИЙ ВЛАДИСЛАВ ВИКТОРОВИЧ

РАССЕЯНИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.ПЛАЗМЕННЫМИ ТУРБУЛЕНТНЫМИ ПУЛЬСАЦИЯМИ

Спец.: 01.04.03- Радиофизика АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук .

ИРКУТСК . 199Г5

Работа выполнена в Отделе Автоматизации и Технической -Физики при Президиуме Иркутского Научного Центра Сибирского Отделения Академии Наук..

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

В М.Томозов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук .

профессор А.Г.Пономаренко доктор физико-математических наук " В.Н.Сенаторов

Ведущая организация: Научно Исследовательский Институт t Прикладной Физики при Иркутском Государственном Университете

Защита состоится ^Ц • г*. в ^часов

на заседании Специализированного совета К200.18.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте Лазерной Физики Сибирского отделения РАН (630090, г.Новосибирск,90, проспект Академика Лаврентьева,13, корп.З).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Лазерной Физики Сибирского отделения РАН.. . ■ ,

Автореферат разослан

42 " Аквира 1996 г .

©

Ученый секретарь Специализированного совета К200.18.01 к.ф-м.н.

Никулин Н.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА'РАБОТЫ

Исследование процессов комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения плааменными турбулентными пульсациями является одной из фундаментальных проблем современной физики взаимодействия лазерного излучения с высокотемпературной плазмой. Кроме фундаментальных проблем изучение указанных выше процессов позволяет решить ряд прикладных задач связанных с диагностикой турбулентности в установках термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы, с лазерным термоядерным синтезам , а также п£и создании новых мощных импульсных лазеров с "плазменным зеркалом". Все вышеперечисленное позволяет утверждать, что исследование процессов комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения плазменными турбулентными пульсациями представляет одну из важных задач физики.

Актуальность работы.Актуальность изучения рассматриваемых процессов определяется необходимостью," интерпретации многочисленных экспериментов в области взаимодействия электромагнитного излучения с высокотемпературной турбулентной плазмой установок термоядерного синтеза (как с инерционным , так и с магнитным удержанием плазмы) а также при создании новых мощных импульсных лазеров с плазменным зеркалом. Для.интерпретации указанных экспе риментов необходимо создать теорию описывающую процессы комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения турбул'ентными пульсациями в плазме . произвольной оптической толщины т ( 0 >< г о°) . В работах Цытовича В.Н. , Силина В.П. и Пустовалова В.В. была разработайа теория описывающая процессы ' комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения турбулентными пульсациями в случае оптически Тонкой плаз мы. Влияние однородного магнитного поля на рассматриваемые процессы также изучалось Цытовичем В.Н., Силиным В.П. и Пустовало-вым В.В. в случае оптически тонкой'турбулентной плазмы. I Теория описывающая рассматриваемые процессы в плазме произвольной оптической толщины разработана не была, в то время как в большом чис ле опытов по рассеянию поляризованного электромагнитного излучения турбулентнь-'и пульсациями в высокотемпературной плазме по-

следнюю нельзя счита/ь оптически тонкой.

Целью работы является: Создание теории и анализ, основных свойств процессов комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения плазменными турбулентными пульсациями в плазме произвольной оптической толщины.

Методы исследований: Для вывода уравнений описывающих исследуемые процессы в плазме с произвольной оптической толщиной автором диссертации была разработана методика основанная на" объединении подхода, предложенного Цытовичем В.Н. и методов теории переноса поляризованного электромагнитного излучения в плазме . предлоа(енных Долгиновым А.З., Гнеднным Ю.Н., Силантьевым 'H.A.. Анализ решений выведенных автором диссертации- уравнений проводился с использованием методов теории переноса излучения описанных в работах Соболева В.В. и Чанд'расекара С.,

Научная новизна: Автором диссертации сделан вывод уравнений описывающих процессы.комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения плазменными турбулентными пульсациями для случая плазмы произвольной оптической толщины . Это позволило с помощью построения и решения соответствующих модельных задач предсказать следующие эффекты:

- зависимость интенсивности рассеянного плазменными турбулентными пульсациями электромагнитного излучения от направления плоскости линейной поляризации рассеиваемого электромагнитного излу-чекия в отсутствии внешних полей. .

- свойство турбулентной плазмы в однородном и стационарном магнитном поле более интенсивно рассеивать излучение правокруговой поляризации по Сравнению с излучением левокруговой поляризации.

- свойство турбулентной плазмы в однородном и стационарном внешнем электрическом поле преобразовывать излучение линейной поляризации в излучение эллиптической поляризаций.

Автор защищает:

1.Разработку теории комбинационного рас?ияния поляризованного электромагни-тного излучения плазменными турбулентными пульсациями на случай плазмы произвольной оптической толщины установок лазерного термоядерного синтеза и систем с магнитным удержанием

н

плазмы.

2.Существование зависимости интенсивности рассеянного плазменными турбулентными пульсациями электромагнитного излучения от направления плоскости .линейной поляризации рассеиваемого электромаг нитного излучения.

3.Свойство турбулентных пульсаций плазмы в магнитном поле более интенсивно рассеивать электромагнитное излучение правокруговой поляризации по сравнению с излучением левокруговой поляризации.

4.Свойство турбулентной плазмы в однородном и стационарном внешнем электрическом поле преобразовывать излучение'линейной поляризации в излучение эллиптической поляризации.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на:

-XX International Conference Phenomen. Ionized Gases,Cíocco (Barga.Italy),1991 . ' '

-третьем всесоюзном семинаре по Атомной спектроскопии (Черноголовка,1992)

-шестом межреспубликанском научно-техническом семинаре по теме "Применение лазеров в науке и технике" (Иркутск,1994) , а также обсуждались рабочей группой РАН по физике низкотемпературной плазмы (^Приэлектродные явления в вакууме и плазменной дуге" Иркутск, 1991)

Кроме того работа прошла опробацию на семинарах Института Солнечно-Земной'Физики.

Публикации. Основные научные результаты диссертационной ре-боты отражены в 14 печатных работах: •

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения , приложения , списка литературы ( наименований ) . Диссертация содержит /0?страниц основного текста , f<J рисунков., i приложение .'

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы , и изложены используемые методы.

В первой главе сделан обзор основных результатов полученных предшественниками по теме диссертации и сформулирован« основная

£

аадача диссертации - исследование процессов комбииациои»оро рассеяния поляризованного электромагнитного излучения турбулентными пульсациями плазмы. Для решения основной задачи диссертации в первой главе сделан вывод уравнений описывающих данные процессы в плазме произвольной оптической толщины .

Вывод указанных уравнений сделан с помощью разработанной автором диссертации методики основанной на объединении подхода предложен ного Цытовичем В .Н . и методов теории переноса поляризованного электромагнитного излучения в плазме предложенных Долгиновым А . 3 Гнединым Ю .Н Силантьевым Н .А .. Рассмотрен ряд частный случаев выведенных уравнений таких как:

-уравнения описывающие процессы комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения турбулентными пульсация-( ми при наличии в турбулентной плазме однородного и стационарного магнитного поля,

-уравнения описывающие процессы комбинационного рассеяния поля-, ризованного электромагнитного излучения турбулентными плазменными пульсациями при наличии в турбулентной плазме однородного и стационарного электрического поля,

-уравнения описывающие процессы комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения турбулентными плазменными пульсациями при отсутствии в турбулентной плазме однородных и стационарных электрического и магнитного полей

Во второй главе исследовалась зависимость интенсивности отраженного оптически полупрозрачным слоем турбулентной плазмы электромагнитного излучения от поляризации падающего на слой излучения. Исследования проводились путем решения уравнений , описывающих процессы комбинационного рассеяния поляризованного элек тромагнитного ¿Излучения плазменными турбулентными пульсациями вы веденных в главе 1 . Основные результаты исследований состоят в следующем. Обнаружена зависимость интенсивности отраженного слоем излучения от направления плоскости линейной поляризации падающего на слой излучения. Получены ( для произвольного вида турбулентных пульсаций ) аналитические выражения для коэффициентов отражения электромагнитного излучения с различной поляризацией ( линейной , круговой ) от оптически полупрозрачного слоя турбулен тной плазмы. Выписаны аналитические выражения для коэффициентов .

отражения излучения с различной поляризацией.( линейной , круговой ) от оптически полупрозрачного слоя Плазмы в котором возбуждена ленгмюровская турбулентность. Для,последних отмечено , что в частном случае , когда угол падения равен нулю ,а волновые пек тора падающего и отраженного слоем излучения антипараллелыш , коэффициент отражения не зависит от поляризации падающего излучения и для плазмы с параметрами температурой элетронов Тв=-500эВ

, концентрацией электронов п^-10"19смТэ, геометрической толщиной слоя г ■»10~эсм. при мощности генерации ленгмюровской турбулентности в единице обьема плазмы ф"10"6пвТвы^ может достигать И-Ю-4 , а при ()=10~4п Ты- К-10~3 (и -ленгмюровская частота

© о ре ре

электронов ) .

Показано , что коэффициенты отражения поляризованного электромаг нитного излучения от оптически полупрозрачного слоя плазмы с ленгмюровской турбулентностью ( в случае и>>йи>>о> ) могут не

ре

зависеть от • ча'стоты отраженного излучения вплоть до частот

ы~си /V ,с-скорость света в вакууме . Последнее свойство осо-р в т в

бенно интересно , так как позволяет говорить , что турбулентная плазма эффективно отражает волны .частоты которых на порядок и болеэ.превышают ленгмюровскую частоту и электронов плазменного

ре

слоя ( при п -1019смТ3, Т 500 эВ , и "1.8 Ю^секГ1 до . 7

е е ре

1015сек"1) .

Свойства такого отражателя далеки от свойств известных в оптике зеркал , а также от так называемого "плазменного зеркала" ( так , в частности отраженное им излучение некогерентно и сдвинуто по частоте на частоту плазменных турбулентных пульсаций , от которых происходит отражение) , тем не менее , как показывает расчет

, оно может отражать излучение частот и «1014-10гбеек.

(Т =0.5КэВ, г -10~эсм. , и "1.8,1014секТ1 ) с коэффициентом

е О .ре ' ' ^ "

отражения И-Ю"4 и Н-Ю"1 при параметрах плазмы п

в

Т «=2-ЗКэв , г =10~3см. - о

Все рассмотренные в данной главе эффекты могут наблюдаться в экс периментах по рассеянию лазерного излучения на турбулентных нуль

сациях плазмы при условии , что коэффициент рассеяния (Г<СГ1 'лчэер

ного излучения на турбулентных пульсациях удовлетворяет,условию

сг<<Г1>(о)>>са(и),ат (1)

(см рис 1-2 ), а интенсивность рассеянного лазерного излучения' превышает собственное излучение плазмы. Здесь а(и) - коэффициент поглощения плазмы на частоте исследуемого электромагнитного

излучения , а <гт(ы) - коэффициент релеевского рассеяния электромагнитного излучения на электронах плазмы.

В третьей главе исследуются процессы комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучений плазменными турбулентными пульсациями при наличии в плазме однородного и стационарного магнитного поля . Исследования проводятся путем анализа уравнений ( описывающих данные процессы ) выведенных ра-< нее в главе 1. Рассматриваются задачи рассеяния электромагнитного излучения с различной поляризацией ( поляризованного по кругу , линейно-поляризованного и неполяризованного ) плазменными тур-ч булентными пульсациями. Для каждого из указанных случаев получена аналитические выражения , связывающие параметры Стокса падающего и рассеянного излучения при однократном рассеянии. Проведенные исследования параметров Стокса электромагнитного излучения < ы>>а ) , рассеянного на любом из возможных в плазме

ре

с однородным магнитным полем типах турбулентных пульсаций <г ( <г - I ( ленгмюровские турбулентные пульсации ) ,« ( ионнозву-ковые турбулентные пульсации ) ,и ( вистлеры ) и так далее ) как в случае ленгмюровской частоты Злектронов больше гирочастоты ын электронов ,так и при и <и показывают ^ что турбулентная плаз

р © Не

ма с магнитным полем более интенсивно в ,

Э=(1+2Уне)/(1-^Ке) (2)

раз (см рис 3 ) рассеивает излучение с прааокруговой поляризацией по сравнению с излучением левокруговой поляризации. Этот эффект можно наблюдать при сравнении рассеяния электромагнитного излу чения со стопроцентными правой и левой круговыми поляризациями турбулентной плазмой с магнитным полем при условии , что и>>ирв , и,выполняется неравенство вида (1) ( см рис 4 ) , а интенсивность рассеянного излучения превышает фоновое излучение плазмы.

м

10 9

г-

6

5 Ц

3 2 1

о 1 2 3 ч

Рис.1 Отношение коэффициента рассеяния О1 электромагнитного излучения на электронных ленгмюровских турбулентных пульсациях к коэффициенту 0ттоМпсоноВского рассеяния электромагнитного излучения электронами плазмы, ш =10шв. (0/шрвпвТв)=10-3, тв=3\ ) Т^ В ^Т^ТеплшЮ 1-П =Ш1яоГэ,г-п =101С,ск-э

д

и ■

Л»)

И 10

9

(о

5

3

2 /

0

У

Рис.2 Отношение коэффициента рассеяния О1электромагнитного излучения на электронных ленгнюровских турбулентных пульсациях к коэси>ициенту «^.обратно ториозного поглощения электромагнитного излучения электронами плаэны. Ц> =10ш , <0/Ш а Т )=10"1 , Т =Т. ,Т. в >В.

р* * 4 ре « О ' ' » V ) с

1-П,=1019с«"а,2-П =10"сн7в '

5 13 2: 1

1 • * #

Рис. 4 Отношение коэффициента рассеяния (^электромагнитного излучение на висглерах к коэффициенту Оттоипсоновского рассеяния электроиагнитного излучения электронами плазмы. Ш-=0.1ш , ш =10Ш , (Я"/п Т >=10^ ,Т. В Я.

Но р«' рдг V » о' ) е

1-п =10"сн"а, 2-п =10"сп~* -в ■ б»

1

г

*

Анализ поляризации электромагнитного излучения в процессе комбинационного рассеяния на плазменных турбулентных пульсациях тина <г ( ог1~ I , а , н и т.д. ) при наличии в плазме однородного магнитного поля показал , что параметр Стокса V рассьянного излучения не равен нулю^. ( в отличии от случая без однородного магнит-лого поля ) и при однократном рассеянии прямо пропорционален напряженности магнитного поля. Отмечается ,что круговая поляризация может достигать 30-40х при однократном рассеянии , при этом величина поляризации прямо пропорциональна параметру ин /о. Описанное поведение параметра Стокса V может наблюдаться в континуальном излучении турбулентной плазмы < и>>ы ) с магнитным

р е

полем при выполнении условия (1) .

Исследования поляризационных характеристик лазерного излучения однократно рассеянного На плазменных турбулентных пульсациях ( здесь аг - 1 , я , и и т. д. , а рассеиваемое лазерное излучение линейно поляризовано ) в плазме с магнитным полем показали , что параметр Стокса V рассеянного лазерного излучения не равен нулк; в отличии от случая , когда магнитное поле в плазме отсутствует. Этот эффект может наблюдаться при рассеянии инфракрасного ■( 10.6 мкм ) лазерного излучения турбулентной плазмой установок термоядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы при выполнении неравенства (1) , а также услйвия , что интенсивность рассеянного излучения превышает фоновое излучение плазмы.

В четвертой главе анализируются процессы комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения плазменными турбулентными пульсациями при наличии в плазме однородного электрического поля. Исследования проводятся путем анализа уравнений , описывающих данные процессы , выведенных в главе 1. Рассматривайте,! задачи рассеяния электромагнитного излучения с различной поляризацией ( поляризованного по кругу , линейно-поляризованного и неполяризованного ) плазменными турбулентными пульсациями.Для каждого из указанных случаев получены аналитические выражения , связывающие параметры Стокса рассеиваемого.и рассеянного излучении при однократном рассеянии. Результаты исследований показывают , что наличие однородного и. стационарного внешнего электрического поля в турбулентной плазме может влиять иа абсолютные величины и угловые зависимости параметров Стокса I ,

(3 однократно рассеянного турбулентными пульсациями электромагнит ио^о излучения. Последнее связано с тем обстоятельством , что параметры Стокса I , 0 рассеянного турбулентными пульсациями

I"

электромагнитного излучения прямо пропорциональны плотности энер гии турбулентных пульсаций на которых рассеивалось электромагнитное излучение , последняя как известно сложным , нелинейным образом , зависит от напряженности однородного и стационарного внешнего поля в котором находится плазма.

Наличие в турбулентной плазме однородного и стационарного внешнего электрического поля приводит также к тому , что параметр Стокса V рассеянного на турбулентных пульсациях первоначально неполяризованного излучения становится не равным нули (в отличии от случая без поля ) и прямо пропорциональным напряженности Ео электрического поля т.е.

еЕ_

(3)

Здесь е-заряд электрона , ш -масса электрона .

Данный эффект имеет место также и в случае , когда рассеивается

электромагнитное излучение с линейкой поляризацией.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Развита теория и полученц уравнения описывающие процессы комбинационного рассеяния поляризованного электромагнитного излучения на плазменных турбулентных пульсациях в плазме произволь ной-оптической толщины. ■

2.Обнаружена зависимость интенсивности отраженного оптически полупрозрачным слоем турбулентной плазмы излучения от направления пл кости линейной поляризации падающего на слой излучения в случае отсутствия в слое внешних полей.

3.Показано , что турбулентная плазма при наличии в ней однородного и стационарного магнитного поля более интенсивно (в £™(1+2(<<>Нв/ы))/(1-2(инв/и)) раз) рассеивает излучение правокру-говой поляризации по сравнению с" излучением левокруговой поляризации.

4.Показано , что электромагнитное излучение линейной поля-

V

ризации (а также неполяризованное) рассеиваясь на турбулентных пульсациях плазмы с однородным электрическим полем может преобразоваться в электромагнитное излучение эллиптической поляризации при этом параметр Стокса V рассеянного излучения прямо пропорционален напряженности электрического поля .

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.Тирский В.В. Перенос поляризованного излучения в турбулентной плазме.// Препринт Отдела Автомат.и Техн. Физики £ЧНЦ СО РАН. N1.-Иркутск.:Отдел Автомат, и Техн. Физики ИНЦ СО РАН,1994. -с.1-16.

2.Томозов В.М.,Тирский В.В. О рассеянии поляризованного электромагнитного излучения на плазменных турбулентных пульсациях при наличии магнитного поля.// Физика плазмы.1994.-т20. -с.1016-1019. •

З.Ойрингель И.М..Тирский В.В. О рассеянии поляризованного излучения на ионнозвуковых турбулентных пульсациях плазмы.// Физика плазмы.-1994.-т20.,-с. 483-487.

4.Kleiman Е.В..Kulinich V.V..Ojringel I.М.,Tirsky V.V. Concerning the polarized line radiation transfer in a plasma . with well-developed langmuir turbulence.// Phenom.loniz.Gas.:Contributed Papers 6, XX Int.Conf.,Thusday afternoon,11th July, 1991,-II Ciocco (Barga,Italy),1991.-pp.1267-1268.

5.Tirsky V.V. and Tomozov V.to. On the scattering of polarized electromagnetic radiation due to plasma turbulent pulsations in the presence of a magnetic field.// Physica Scripta.-1995.-v51.-pp.96-99.

6.Tomozov V.M. and Tirsky V.V. On the scattering'of polarized electromagnetic radiation due to plasma turbulent pulsations in the presence of a magnetic field.// Preprint Instit.Solar.-Terrest.Phys.N2.-Irkutsk:Inst it.Solar.Terrest.Phys.,1994.-p.1-15. .

7.Tirsky V.V. and Tomozov V.M. On the scattering of polarized electromagnetic radiation due to plasma turbulent pulsations in the presence of a electric field.// Preprint Instit.Solar.-Terrest.Phys.N4.-Irkut k:Instit.Solar.Те' rest.Phys,,1994.-p.1-

Й.Тоыозов В.М.,Тнрский B.B. О рассеянии электромагнитного нолязованкого по кругу излучения в турбулентной плазме с магнитным полем.// Астрономический Циркуляр.-1994.-N1556.-с.21-22.

9.ТОМОЗОВ В.Н.,Тирский В.В. О поляризации электромагнитного излучения в турбулентной плазме с магнитным полем.// Астрономический Циркуляр.-1994.-N1556.-с.23-24-

Ю.Томозов В.М..Тирский В.В. О рассеянии электромагнитного излучения с круговой поляризацией в турбулентной плазме с магнит ным полем.// Астрономический Циркуляр.-1994.-Н1556.-с.25-26.

И.Ойрингель И. М., Клейман Е.Б.Дирскин В. В. , Кулинич В.В. О переносе поляризованного линейчатого излучения в плазме с ленг-мюровской турбулентностью.// Астрономический Циркуляр.-1990. -N1546.-c.l-2.

12.0йрингель И.Н.,Тирский В.В. О переносе поляризованного излучения в плазме с ионнозвуковой турбулентностью.// Астрономический Циркуляр.-1991.-N1549.-с.1-2.

13.Тирский В.В. Об анализе рассёяния поляризованного лазерного излучения турбулентными пульсациями высокотемпературной плазмы. // Применение лазеров в науке и технике : Материалы Шестого межреспубликанскгт'о заочного научно-технического семинара 1721 сентября 1994 г.-Иркутск,1994.-е.55-57.

14.Tirsky V.V. and Tomozov V.M. On the scattering of polarized electromagnetic radiation due to plasma turbulent pulsations in the presence of a electfic field.// Physica Scripta. -1995.-v51.-pp.780-783.

Подписано в печать 4. (2 95 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.пёч.л. ¿.о Тираж 100 экз. 8ак.<?5".

Редакционно-издательский отдел . Иркутского государственного университета 664003, Иркутск, бульвар Гагарина,36