Резонансная динамика заряженных частиц в магнитном поле в присутствии электромагнитных волн.

Цикл работ, подаваемый на конкурс научных работ ИКИ РАН 2011 г.

(Фундаментальные и прикладные научные исследования в области физики космической плазмы, энергичных частиц, Солнца и солнечно-земных связей)

Авторы:

А.В.Артемьев, Д.Л.Вайнштейн, А.А.Васильев, Л.М.Зелёный, А.И. Нейштадт.

Аннотация

Цикл состоит из семи работ, в которых рассматриваются различные аспекты резонансной динамики заряженной частицы под действием волн в плазме в фоновом постоянном магнитном поле. При этом рассматривается резонанс черенковского типа, в котором проекция скорости частицы (или ее скорости, усредненной по ларморовскому движению, см. ниже) на направление волнового вектора равна фазовой скорости волны. Ранее было известно, что захват в такой резонанс может приводить в ряде конфигураций к серфотронному ускорению частицы. Однако, в случае электростатической волны захват в режим такого ускорения для нерелятивистской частицы невозможен. В работах цикла рассматривается взаимодействие с электромагнитными волнами в слабом внешнем магнитном поле. В работе [1] была обнаружена возможность неограниченного серфотронного ускорения нерелятивистских заряженных частиц высокочастотными электромагнитными волнами, распространяющимися перпендикулярно к стационарному однородному магнитному полю, и описан захват в режим такого ускорения. Найдена область параметров, в которой существует эффект захвата и ускорения. Проведены оценки вклада данного механизма в рост энергии заряженных частиц в хвосте земной магнитосферы. Аналогичные результаты для системы с низкочастотными волнами (частота волны существенно меньше гирочастоты частицы во внешнем поле) получены в работе [3]. Исследование динамики нерелятивистской заряженной частицы в поле нескольких электромагнитных волн, распространяющихся в плазме перпендикулярно стационарному магнитному полю, было проведено в [4]. Захват частицы одной из волн приводит к серфотронному ускорению частицы. Показано, что влияние других волн может ограничивать величину достигаемой энергии, и получены оценки этой энергии. В работе [6] рассмотрен случай наклонного распространения волны. Показано, что в этом случае неограниченное ускорение частицы невозможно. Описаны диффузия эергии частицы, связанная с рассеянием на резонансе, захват в резонанс и выброс из резонанса. Обнаружено, что в результате захвата и последующего выброса из резонанса частица получает дополнительную энергию, которая целиком аккумулируется в параллельной внешнему магнитному полю компоненте движения частицы. Релятивистская задача рассматривается в статье [7]. Показано, что захват в резонанс приводит к неограниченному ускорению частицы серфотронного типа. Захваченная частица движется вдоль фронта волны, причем ее энергия неограниченно (в рамках рассмотренной модели) растет. Рассеяние на резонансе приводит к стохастизации движения частицы и диффузионному росту ее энергии.

В работах [2,5] рассмотрена динамика заряженных частиц в параболическом магнитном поле типа хвоста магнитосферы Земли под действием электростатической [2] или электромагнитной [5] волны. Исследовались системы, в которых ларморовский радиус частиц много меньше минимального радиуса кривизны магнитных силовых линий, и в отсутствие волны движение описывается адиабатической теорией ведущего центра. Движение может быть представлено как композиция быстрого ларморовского вращения и медленного периодического движения вдоль силовой линии между магнитными «зеркалами»; каждому из этих движений соответствует свой адиабатический инвариант (соответственно, магнитный момент и «продольный» инвариант). Исследовано влияние на динамику резонансов типа «волна-частица», когда проекция усредненной по ларморовскому вращению скорости частицы на направление волнового вектора совпадает с фазовой скоростью волны. Получены формулы для скачка «продольного» адиабатического инварианта при рассеянии на резонансе и для вероятности захвата в резонанс. Исследована пространственная структура областей, в которых возможен захват. На основе полученных формул продемонстрировано возникновение диффузии и хаотического перемешивания по значению «продольного» адиабатического инварианта. Показано, что частица, захваченная в резонанс, проходит сквозь магнитное зеркало и движется вдоль магнитной силовой линии в направлении Земли до момента выброса из резонанса (в случае электростатической волны выброс оказывается невозможным и частица уходит за пределы рассматриваемой области).

Список работ, составляющих цикл:

1. А.И.Нейштадт, А.В.Артемьев, Л.М.Зелёный, Д.Л.Вайнштейн, Серфотронное ускорение в электромагнитных волнах с малой фазовой скоростью, Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 9, с. 528-534 (2009).

2. Д.Л.Вайнштейн, А.А.Васильев, А.И.Нейштадт, Динамика электронов в параболическом магнитном поле в присутствии электростатической волны, Физика плазмы, том 35, №12, с. 1102-1113 (2009).

3. A.I.Neishtadt, A.V.Artemyev, and L.M.Zelenyi, Regular and chaotic charged particle dynamics in low frequency waves and role of separatrix crossings, Regular and Chaotic Dynamics, Vol. 15, pp. 564-574 (2010).

4. A.V.Artemyev, A.I.Neishtadt, L.M.Zelenyi, and D.L.Vainchtein, Adiabatic description of capture into resonance and surfatron acceleration of charged particles by electromagnetic waves, Chaos 20, 043128 (2010).

5. A.I.Neishtadt, D.L.Vainchtein, and A.A.Vasiliev, Dynamics of electrons in a parabolic magnetic field perturbed by electromagnetic wave, Plasma Physics and Controlled Fusion 53, 085014 (15pp) (2011).

6. A.A.Vasiliev, A.I.Neishtadt, and A.V.Artemyev, Nonlinear dynamics of charged particles in an oblique electromagnetic wave, Physics Letters A 375, 3075-3079 (2011).

7. A.I.Neishtadt, A.A.Vasiliev, and A.V.Artemyev, Resonance-induced surfatron acceleration of a relativistic particle, Moscow Mathematical Journal, Vol. 11, No. 3, pp. 531-545 (2011).