Взаимодействие частиц с волна­ми

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧАСТИЦ С ВОЛНАМИ, взаимодействие заряженных частиц плазмы с создаваемыми ими электромагнитными волнами (полями). Характерно для разреженной высокотемпературной плазмы, в отличие от жидкости или газа, где взаимодействуют только частицы с частицами. Сила кулоновского взаимодействия между заряженными частицами уменьшается с расстоянием r между ними по степенному закону ~ 1 /r². Поэтому в плазме заряженные частицы взаимодействуют не только с ближайшими соседями, но и с частицами, удалёнными на большие расстояния. Это обстоятельство, как показал А. А. Власов, способствует появлению коллективных степеней свободы, при возбуждении которых частицы движутся согласованно и синхронно (самосогласованные колебания плазмы), создавая коллективные электромагнитные поля. Однако на больших расстояниях кулоновское взаимодействие сравнительно слабое - заряженные частицы движутся почти свободно, не сталкиваясь с другими частицами. В результате, если температура плазмы не слишком низка, в ней сосуществуют взаимодействия частиц с индивидуальными и коллективными полями. Особенно эффективно взаимодействие частицы с коллективными электромагнитными полями, когда заряженная частица попадает в резонанс с самосогласованными колебаниями, фаза которых на траектории частицы не меняется. В отсутствие внешнего магнитного поля движение заряженных частиц в высокотемпературной бесстолкновительной плазме близко к равномерному. В этом случае при совпадении фазовой скорости самосогласованных колебаний со скоростью частицы наступает черенковский резонанс. При колебаниях термически равновесной плазмы с максвелловским распределением заряженных частиц по скоростям в результате резонансного взаимодействия энергия коллективных полей передаётся частицам. Это ведёт к затуханию самосогласованных колебаний (Ландау затухание).

В магнитном поле заряженные частицы движутся по винтовым траекториям - свободно вдоль магнитного поля и вращаясь по циклотронным окружностям в поперечном направлении. Если циклотронная частота частицы совпадает с частотой коллективных электромагнитных полей, говорят о циклотронном резонансе. Вращающаяся по циклотронным окружностям заряженная частица излучает электромагнитные волны. Интенсивность излучения равновесной непрозрачной плазмы пропорциональна её температуре, поэтому данные о циклотронном излучении позволяют судить о температуре плазмы. При термоядерной температуре (когда возможны термоядерные реакции, ≥ 10⁸ К) потери на циклотронное излучение весьма существенны.

Если плазма термодинамически неравновесна, то при резонансе (и циклотронном, и черенковском) энергия частиц может переходить в коллективные колебания плазмы, что ведёт к их раскачке и возникновению неустойчивостей. Раскачка электромагнитных волн пучком электронов в магнитном поле используется в мощных генераторах коротковолнового излучения (сантиметрового и миллиметрового диапазонов) - гиротронах, которые широко применяются в термоядерном эксперименте. Их излучение вводится в плазму и, поглощаясь в условиях электронного циклотронного резонанса, нагревает плазму. Т. к. электромагнитные волны несут и энергию, и импульс, при их поглощении может возникать направленное движение заряженных частиц - электрический ток. Таким образом можно поддерживать электрический ток в замкнутых системах удержания плазмы.

Электромагнитные волны более низкой частоты, для которых выполняется условие циклотронного резонанса с ионами, также применяются для нагрева плазмы. Если ионная компонента плазмы представляет собой смесь ионов нескольких сортов с различными значениями заряда или массы, то, подбирая частоту волны, можно нагреть ионы определённого сорта, а затем выделить их из плазмы. Так можно разделить различные химические элементы или изотопы одного элемента. Волны достаточно большой амплитуды могут ускорять заряженные частицы, захватывая их и заставляя двигаться вместе с волной.

Лит.: Власов А. А. Теория многих частиц. М.; Л., 1950; Тимофеев А. В. Резонансные явления в колебаниях плазмы. М., 2000; Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Физическая кинетика. 2-е изд. М., 2001.