​​Специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) работают над теоретическим и численным исследованием механизма генерации электромагнитного (ЭМ) излучения пучково-плазменной антенной, то есть тонкой пучково-плазменной системой, размеры которой сравнимы с длиной излучаемых волн. Изучение вопросов, связанных с генерацией ЭМ излучения из плазмы под действием электронного пучка, относится к числу наиболее фундаментальных и актуальных задач физики плазмы. В будущем понимание этих механизмов поможет объяснить различные физические явления в космической плазме, например, радиовсплески на Солнце, а также поможет в создании мощного источника терагерцового излучения, обладающего огромным прикладным потенциалом. На данный момент специалисты разработали теорию пучково-плазменной антенны, провели численное моделирование плазменных процессов и предложили сценарий генерации ЭМ излучения в плазменном эксперименте. Промежуточные результаты были представлены на Конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН 2020 г. Работы выполняются при поддержке гранта РФФИ (18-02-00232).​ 

Волчок.jpg 

(а) Схематическое изображение геометрии задачи, ​

(б) Результаты численного моделирования-компонента Е_х электрического поля излучения. Предоставлено Е. Волчок​​​ 


«Вопрос излучения из плазмы под действием электронного пучка не является принципиально новым – он активно изучается на протяжении уже более полувека, например, в контексте солнечных радиовсплесков II и III типов, в которых излучение рождается в процессе распространения потоков электронов по плазме солнечной короны, – рассказала аспирант ИЯФ СО РАН Евгения Волчок. – Для объяснения этого излучения было предложено множество теорий, однако большинство из них традиционно рассматривают безграничную плазму, что логично для таких космических масштабов. В лабораторных экспериментах условия другие – плазма узкая. Мы изучаем возможность эффективной генерации мощного электромагнитного излучения в тонкой пучково-плазменной системе, поперечные размеры которой сравнимы с длиной излучаемых волн. В такой плазме многие процессы идут иначе, а значит, просто применить уже существующие теории нельзя – нужно было разработать свою теорию». ​

Первые указания на существование нового механизма излучения были получены в экспериментах на установке ГОЛ-3 ИЯФ СО РАН в 2013 г. В этих экспериментах исследовался турбулентный нагрев плазмы электронным пучком и был зарегистрирован непривычно высокий уровень электромагнитного излучения в режиме, когда диаметр пучка становился сравнимым с длиной волны возбуждаемых пучком колебаний. Позднее теоретики показали, что для эффективной генерации ЭМ волн вблизи плазменной частоты нужен не только малый поперечный размер системы, но и продольная модуляция плотности плазмы с подходящим периодом. В этом случае система плазма-пучок может излучать электромагнитные волны как дипольная антенна (отсюда и название механизма). Результаты, представленные в 2020 г., позволили обобщить теорию пучково-плазменной антенны на случай генерации излучения вблизи удвоенной плазменной частоты. 

«Работа, результаты которой были представлены на Конкурсе молодых ученых ИЯФ СО РАН, была посвящена развитию предложенного ранее механизма, – объяснила Евгения Волчок. – Мы заметили, что и в экспериментах, и в численных расчетах генерация ЭМ волн на плазменной и удвоенной плазменной частотах имеет сравнимую эффективность. Включая в рассмотрение процессы нелинейной конверсии неустойчивых пучковых колебаний на периодическом возмущении плотности плазмы, мы показали, что эти процессы действительно могут участвовать в генерации ЭМ излучения на удвоенной плазменной частоте посредством антенного механизма, а также определили угловые и энергетические характеристики этого излучения. Эти результаты были проверены численным моделированием методом частиц в ячейках. С помощью этого метода были исследованы границы применимости теоретической модели и установлены режимы, при которых излучение будет наиболее эффективным. Также мы показали, что мощность излучения может достигать нескольких процентов от мощности пучка». ​

Исследованный механизм генерации ЭМ волн имеет фундаментальное значение как для развития представлений об излучении космической плазмы, так и для создания мощного источника терагерцового излучения. 

«Область применимости этого механизма отнюдь не ограничена малыми поперечными размерами пучка и образуемой им плазмы, – добавил ведущий научный сотрудник Лаборатории 9-0 ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Игорь Тимофеев. – Этот механизм может включаться и в пространственно-протяженных системах, если развитие пучковой неустойчивости или нарастание модуляции плотности по разным причинам локализовано на масштабах порядка длины волны излучения. Этот механизм даже не требует наличия пучка в плазме. В частности, наши недавние исследования показали, что он должен играть заметную роль в экспериментах по лобовому столкновению лазерных кильватерных волн, которые сегодня проводятся совместно с Институтом лазерной физики СО РАН». ​

По словам Игоря Тимофеева, основную перспективу практического применения изученного механизма специалисты видят в возможности генерации ТГц излучения гигаваттного уровня мощности за счет использования мульти-гигаваттных электронных пучков. 

​«Выход на рекордную мощность и энергию ТГц излучения откроет дверь в новую физику, связанную с направленным воздействием такого излучения на различные неравновесные состояния материи – фотоиндуцированные фазовые переходы, сверхпроводимость, спиновые волны и т.д.», – пояснил специалист. 

ИЯФ СО РАН 

Источники

Новосибирские ученые близки к созданию сверхмощного источника терагерцового излучения
Atas.info, 16/07/2020
Механизм пучково-плазменной антенны откроет путь к созданию сверхмощного источника терагерцового излучения
Институт ядерной физики имени Г.И.Будкера СО РАН (inp.nsk.su), 16/07/2020
Механизм пучково-плазменной антенны откроет путь к созданию сверхмощного источника терагерцового излучения
Наука в Сибири (sbras.info), 16/07/2020
Механизм пучково-плазменной антенны откроет путь к созданию сверхмощного источника терагерцового излучения
Поиск (poisknews.ru), 16/07/2020
В Институте ядерной физики им. Будкера разрабатывают механизм пучково-плазменной антенны
Российское атомное сообщество (atomic-energy.ru), 17/07/2020
Механизм пучково-плазменной антенны откроет путь к созданию сверхмощного источника терагерцового излучения
Сибирское отделение Российской академии наук (sbras.ru), 17/07/2020
Новосибирские физики исследовали механизм генерации электромагнитных волн
РИА Сибирь (ria-sibir.ru), 17/07/2020

Похожие новости

  • 14/08/2019

    Физический институт РАН получил максимальный грант в 2019 году

    Физический институт имени Лебедева Российской академии наук (РАН) получил максимальный грант Министерства науки и высшего образования РФ в размере более 280 млн рублей на обновление приборной базы в рамках нацпроекта "Наука".
    1018
  • 26/12/2019

    РФФИ: Подведены итоги трех международных конкурсов

    ​Российский фонд фундаментальных исследований сообщает об итогах трех международных конкурсов 2019 и 2020 гг.   Итоги конкурса на лучшие научные проекты фундаментальных исследований, проводимого совместно РФФИ и Немецким научно-исследовательским сообществом  Код конкурса: (ННИО_а) Совместный конкурс фундаментальных исследований с Немецким научно-исследовательским сообществом Год конкурса: 2020 На конкурс 2020 года было получено 215 заявок.
    923
  • 15/06/2020

    Минобрнауки опубликовало список заявок, допущенных к конкурсу крупных проектов

    ​Минобрнауки допустило 367 вузов и научных организаций к участию в конкурсном отборе на предоставление грантов для реализации крупных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития.
    1203
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    2758
  • 19/06/2020

    65 научных онлайн-конференций пройдут во II полугодии 2020 года при поддержке РФФИ

    ​​Более 60 научных организаций и университетов получат гранты в размере от 100 до 500 тыс. рублей от Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) на проведение научных онлайн-конференций во втором полугодии 2020 года.
    715
  • 15/11/2018

    Мегагранты: две стороны медали

    Четыре года назад Российский научный фонд объявил конкурс мегагрантов для научных учреждений страны. В список из 16 победителей конкурса вошли и два института Новосибирского научного центра – Институт ядерной физики СО РАН и Институт археологии и этнографии СО РАН.
    1376
  • 24/10/2018

    Около 100 фундаментальных исследовательских проектов представлено в Новосибирской области в рамках Фестиваля науки

    ​Презентация проектов, поддержанных Российским фондом фундаментальных исследований и Правительством Новосибирской области, прошла в регионе 24 октября в рамках VI Фестиваля науки. Представленные проекты представляют большую ценность для фундаментальной науки и развития экономики региона.
    2067
  • 03/01/2017

    Новосибирские ученые научились имитировать «темную материю»

    ​Ученые Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН научились моделировать взаимодействие гипотетической "темной материи" с обычным веществом, сообщил замдиректора ИЯФ Юрий Тихонов.
    1870
  • 19/11/2015

    ИЯФ СО РАН завершил набор в стипендиальную программу 2015 года

    ​Завершился очередной набор в стипендиальную программу Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН. В этом году конкурс прошли 23 школьника из Специализированного учебно-научного центра НГУ (СУНЦ НГУ, ФМШ) и 4 студента Новосибирского государственного университета (НГУ).
    3067
  • 11/01/2019

    Главные новости сибирской науки в декабре 2018 года

    В результате анализа данных информационного портала ГПНТБ СО РАН «Новости сибирской науки» за декабрь 2018 г. выявлены самые рейтинговые сообщения по различным категориям.  В категории «Новости Минобрнауки / ФАНО» большой интерес вызвали публикации: 19 декабря – Глава Минобрнауки назвал задачи в рамках нацпроекта «Наука».
    4876