​​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

  • 11/04/2019

    Открытие новосибирских физиков ускорит оптоволоконный интернет

    Передача данных с использованием сети интернет осуществляется по оптоволоконным каналам связи – нелинейным системам, в которых распространение электромагнитного сигнала (информации) описывается (в простейших моделях) нелинейным уравнением Шрёдингера.
    846
  • 17/10/2019

    Новосибирские ученые разработают новые методы прогноза разрушения механизмов из-за трения

    Коллектив ученых из Новосибирского государственного технического университета (НГТУ), выигравших молодежный грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), займется изучением эволюции структуры и свойств в поверхностных слоях рельсовых сталей в процессе трения с использованием синхротронного излучения (СИ).
    314
  • 28/08/2019

    Сибирские ученые рассказали в Москве об опытах ИЯФа

    ​Сотрудники Института ядерной физики СО РАН выступили с докладами на одном из самых представительных научных форумов в Москве - 19-ой Международна Ломоносовской конференции по физике элементарных частиц.
    548
  • 31/07/2019

    Российские физики создали и испытали прототип детектора для поисков Новой физики в рамках международного проекта в Японии

     Стандартная модель (СМ) – современная теория микромира – хорошо описывает взаимодействия элементарных частиц. Множество параметров в СМ, например, массы кварков, лептонов, калибровочных бозонов и др.
    489
  • 27/04/2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» на МНСК-2017

    «Фотоника и квантовые оптические технологии» — такая секция впервые была организована в рамках 55-ой Международной научной студенческой конференции, которая прошла 16-20 апреля в НГУ. Исследования и разработки в направлениях науки и техники, связанных с генерацией и распространением квантов света (фотонов), управлением ими, изучением и использованием их взаимодействия с веществом, бурно развиваются во всем мире, а результаты этих работ быстро выходят на рынок в виде высоковостребованных устройств и технологий - систем сверхбыстрой оптической связи, промышленных лазеров, биомедицинского лазерного оборудования, метрологических и сенсорных устройств, и многих других.
    3580
  • 17/06/2017

    Семь тезисов академика Александра Сергеева

    ​Один из кандидатов на пост президента Российской Академии наук обсудил ключевые положения своей предвыборной программы с сибирскими учеными. "Никогда не думал, что я буду претендовать на такую позицию, - признался членам президиума СО РАН академик Александр Михайлович Сергеев.
    2669
  • 25/02/2016

    Сибирские физики создали ловушку для света

    ​Ученые Института ядерной физики СО РАН создали фотонную ловушку, идея которой родилась из аналогии с открытыми плазменными ловушками и простейшим бильярдом, сообщает пресс-служба института. В термоядерном реакторе должно выделяться энергии больше, чем затрачивается на нагрев плазмы.
    3154
  • 14/07/2020

    Сибирские ученые разрабатывают антираковые препараты нового поколения на основе альбумина

    ​Ученые из Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН в сотрудничестве с коллегами из ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», Новосибирского института органической химии им. Н.
    940
  • 01/03/2018

    Исследования группы российских ученых помогут при изучении новых полимерных материалов

    ​Ученые из Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) и  Научно-технологического центра уникального приборостроения РАН (НТЦУП РАН), подведомственных ФАНО России, совместно с коллегами из Российского университета дружбы народов (РУДН) провели серию экспериментов по исследованию термостимулированных поверхностных плазмон-поляритонов (ТППП).
    1343
  • 10/10/2017

    Молодежная конференция «Оптические и информационные технологии» прошла в новосибирском Академгородке

    ​​​Традиционная молодёжная конкурс-конференция «Оптические и информационные технологии» прошла с 25 по 27 сентября 2017 года в новосибирском Академгородке. Её организовали совместно Институт автоматики и электрометрии (ИАиЭ) СО РАН и Новосибирский государственный университет (НГУ) (при финансовой поддержке Российского научного фонда).
    2366