Взаємодія нерелятивістських заряджених частинок в імпульсному світловому полі

Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЇ ФІЗИКИ НАН УКРАЇНИ

УДК 535.21;537.8

ВЗАЄМОДІЯ НЕРЕЛЯТИВІСТСЬКИХ ЗАРЯДЖЕНИХ ЧАСТИНОК В ІМПУЛЬСНОМУ СВІТЛОВОМУ ПОЛІ

01.04.02 - теоретична фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Стародуб Станіслав Сергійович

Суми - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Інституті прикладної фізики НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Рощупкін Сергій Павлович, зав. лабораторії “Квантової електродинаміки сильних полів” Інституту прикладної фізики НАН України.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Полуектов Юрій Матвійович, провідний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ННЦ “Харківський фізико-технічний інститут” НАН України;

доктор фізико-математичних наук, професор Шматько Олександр Олександрович, професор кафедри фізики надвисоких частот Харківського національного університету ім. В.Н.Каразіна МОН України.

Захист відбудеться “26” червня 2008 року о 15⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 55.250.01 при Інституті прикладної фізики НАН України за адресою: м. Суми, вул. Петропавловська 58, конференц-зал.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту прикладної фізики НАН України.

Автореферат розісланий “ 23 ” травня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради С.М. Мордик

нерелятивістський електрон імпульсний лазерний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нині в практиці фізичного експерименту зі взаємодії лазерного випромінювання з речовиною широко використовуються інтенсивності в діапазоні 10¹² 10²⁰ Вт/см². Досягнення релятивістських інтенсивностей стало можливим за рахунок використання надкоротких (піко- і фемтосекундних) і жорстко сфокусованих (розмір плями у фокусі має порядок декількох довжин хвиль) імпульсів. З початку 1996 року серія експериментів з перевірки квантової електродинаміки у таких полях проводиться групою Макдональда на прискорювачі SLAC (Princeton Rochester, SLAC, Tennessee collaboration), а також у Брукхейвенській національній лабораторії (Brookhaven National Laboratory, USA) [1]. Можливість притягання однойменно заряджених частинок в лазерному полі являє собою як загально фізичний інтерес, так і широкі прикладні аспекти. Раніше (див., наприклад, роботу [2]) було показане, що притягання між електронами в полі плоскої монохроматичної хвилі можливо тільки для релятивістських енергій електронів і релятивістських інтенсивностей лазерного поля (для нерелятивістських енергій електронів ефект притягання пропадає). Проте така задача не вивчалася для нерелятивістських електронів (іонів) в імпульсних лазерних полях. Тому теоретичне вивчення взаємодії нерелятивістських однойменно заряджених частинок в імпульсних лазерних полях, поза сумнівом є актуальним.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в лабораторії “Квантової електродинаміки сильних полів” відділу теоретичної фізики Інституту прикладної фізики НАН України і є частиною досліджень, які проводилися по проектах “Стохастичні, когерентні і резонансні квантово електродинамічні явища в сильних електромагнітних полях і інтенсивних іонних пучках” (державний реєстраційний №0102U002777), “Когерентні і резонансні квантово-електродинамічні явища в сильних лазерних полях” (державний реєстраційний №0107U000315).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є теоретичне вивчення взаємодії нерелятивістських електронів (іонів) між собою в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль.

Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішуються наступні завдання:

– поза рамками дипольного наближення (з урахуванням релятивістських поправок ) теоретично вивчити ефективну силу взаємодії між двома нерелятивістськими електронами, що рухаються назустріч один одному в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль, які поширюються перпендикулярно напрямку руху електронів;

– поза рамками дипольного наближення (з урахуванням релятивістських поправок ) теоретично вивчити ефективну силу взаємодії між двома нерелятивістськими іонами водню в умовах параксіального пучка в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль, які поширюються паралельно напрямку руху іонів;

– визначити просторові і часові області, в яких має місце притягання електронів (іонів) в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль;

– теоретично вивчити можливість утримання електронів (іонів) на деякій ефективній відстані в імпульсному полі двох зустрічних лазерних хвиль.

Об'єктом дослідження є процес взаємодії нерелятивістських електронів (іонів) між собою в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль.

Предметом дослідження є можливість притягання і контролю утримання однойменно-заряджених частинок на деякій ефективній відстані в імпульсному полі однієї та двох зустрічних лазерних хвиль.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовується математичний апарат класичної електродинаміки, методи теоретичної фізики взаємодії лазерного випромінювання з речовиною.

Наукова новизна одержаних результатів:

– виявлено ефект притягання нерелятивістських електронів в імпульсному полі однієї та двох зустрічних лазерних хвиль, які поширюються перпендикулярно напрямку руху електронів, коли швидкість осциляцій частинок в хвилі набагато більше швидкості поступального руху електронів;

– знайдено механізм контролю сили притягання нерелятивістських електронів і часу їх утримання на певній середній відносній відстані в імпульсному полі двох зустрічних лазерних хвиль;

– виявлено ефект притягання нерелятивістських іонів водню в умовах параксіального пучка в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль, які поширюються паралельно напрямку руху іонів, коли швидкість осциляцій частинок в хвилі одного порядку з поперечною компонентою відносної швидкості теплового руху іонів;

– знайдено механізм контролю сили притягання нерелятивістських іонів в пучку та часу їх утримання біля певної середньої відносної відстані в імпульсному полі двох зустрічних лазерних хвиль.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертації розширюють наші уявлення про можливості взаємодії нерелятивістських однойменно заряджених частинок в імпульсних лазерних полях. Отримані результати можуть бути використані при вивченні дії інтенсивного імпульсного лазерного випромінювання на електронні та іонні пучки, атоми, молекули, кластери, а також для просторового утримання пучка заряджених частинок, вивчення поведінки нерелятивістських заряджених частинок в атмосферних явищах та інших системах, в яких ефективна сила взаємодії однойменно заряджених частинок під дією імпульсного лазерного випромінювання може якісно відрізнятися від закону Кулону.

Результати дисертаційної роботи можуть бути використані в ІПФ НАН України, ІТФ НАН України, ННЦ “ХФТІ” НАН України, Київському національному університеті ім. Тараса Шевченка, Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна, Інституті загальної фізики РАН, Московському інженерно-фізичному інституті, Московському фізико-технічному інституті, Брукхейвенській національній лабораторії (США) та інших наукових центрах.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані здобувачем самостійно або при його безпосередній участі. У роботах [1, 13], опублікованих в співавторстві, здобувачем безпосередньо було показано відсутність ефекту притягання нерелятивістських електронів в полі плоский електромагнітній хвилі. У роботах [2, 8, 10-12] здобувач теоретично вивчив середню ефективну силу взаємодії нерелятивістських електронів в імпульсному полі лазерної хвилі. У роботах [3, 7, 9] здобувачем була розв'язана задача про взаємодію двох нерелятивістських іонів водню в умовах параксіального пучка в імпульсному полі лазерної хвилі. У роботі [4] здобувач теоретично вивчив середню ефективну силу взаємодії нерелятивістських електронів в імпульсному лазерному полі двох зустрічних хвиль. У роботах [5-6] здобувач теоретично вивчив середню ефективну силу взаємодії нерелятивістських іонів водню в умовах параксіального пучка в імпульсному лазерному полі двох зустрічних хвиль.

З науковим керівником обговорювалися завдання в плані постановки, методів рішення, способів обчислення конкретних величин і аналізу отриманих результатів.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на наукових семінарах ІПФ НАН України та на 8 науково-технічних конференціях: научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и студентов механико-математического факультета Сумского госуниверситета (Сумы, Украина, 2000, 2001, 2002, 2003гг.); 5th International Workshop on Laser and Fiber-optical Networks Modeling (LFNM), Alushta, Crimea, Ukraine, 2003; XV международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, Обнинск, Россия, 2003; 6th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, (LFNM), Kharkov, Ukraine, 2004; Second International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (CAOL'2005), Yalta, Crimea, Ukraine, 2005.

Публікації. Основні матеріали дисертації відображені у 13 наукових працях, з яких 5 статей опубліковано у спеціалізованих наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, і 8 у вигляді тез доповідей у збірниках наукових праць міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел (102 найменування). Повний об'єм дисертації складає 124 сторінки, робота містить 40 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована актуальність вибраної теми, сформульована мета і визначені основні завдання дослідження, відображена новизна отриманих результатів, їх наукове, практичне значення і апробація, визначений особистий внесок здобувача, представлений короткий зміст роботи.

У першому розділі “Взаємодія електронів в світловому полі” проведений огляд літератури, присвяченої вивченню взаємодії електронів між собою в полі світлової хвилі. Детально розглянута взаємодія класичних релятивістських електронів в полі циркулярно поляризованої монохроматичної хвилі довільної інтенсивності. Відмічено, що характерним параметром задачі взаємодії електронів в присутності хвилі є класичний релятивістськи інваріантний параметр , що чисельно дорівнює відношенню роботи поля на довжині хвилі до енергії спокою електронів з приведеною масою м; e - заряд електрону; F - напруженість електричного поля хвилі. Для релятивістських електронів залежно від параметра з зовнішнє поле поділяється на слабке (з<<1), середнє (з~1) і сильне (з>1). Розглянуті граничні випадки слабкого і сильного полів, ближньої (r<л) і дальньої (r>л) зони. У сильному полі осцилюючий рух електронів стає релятивістським. Показано, що в ближній зоні існує можливість притягання релятивістських електронів в полі плоскої монохроматичної хвилі.

Проведений детальний аналіз задачі про релятивістський електрон в полі плоскої квазімонохроматичної хвилі з обвідною за часом , . Хвиля називається квазімонохроматичною, якщо характерний час зміни обвідної великий в порівнянні з періодом поля . Обвідна, яка має куполоподібну форму характеризується єдиним параметром, шириною , і має структуру . У розрахунках часто використовують прості залежності і т.п. Параметр визначає тривалість електромагнітного імпульсу у фіксованій точці простору та/або просторовий розмір області, заповненої полем в певний момент часу. Проаналізовані основні закономірності поведінки електрона в такому полі.

У другому розділі “Взаємодія нерелятивістських електронів в імпульсному полі однієї і двох зустрічних світлових хвиль” теоретично вивчена ефективна сила взаємодії двох нерелятивістських електронів у присутності імпульсного поля однієї і двох світлових хвиль, що поширюються перпендикулярно руху заряджених частинок.

У параграфі 2.1 поза рамками дипольного наближення теоретично розглянута взаємодія електронів в системі центру мас за умов, що в початковий момент часу електрони знаходилися на осі на відстані двох довжин хвиль один від одного мкм і мали енергію 3 еВ (), а напруженості електричної () і магнітної компонент () імпульсної електромагнітної хвилі, що поширюється уздовж осі мають наступний вигляд:

, (1)

, (2)

де і - амплітуди напруженостей електричної і магнітної компонент поля в максимумі імпульсу (при ); , і - частота швидких осциляцій і довжина хвилі; і - одиничні вектори, направлені уздовж осей і . Відзначимо, що в системі центру мас в дипольному наближенні (при нехтуванні поправками , - відносна швидкість електронів, - швидкість світла у вакуумі) зовнішнє лазерне поле не впливає на відносний рух електронів. Тому задача розв'язувалася в першому незникаючому наближенні по . В цьому випадку відносний рух електронів не залежить від руху центру мас. Система рівнянь для відносного руху електронів в полі (1), (2) і початкові умови мають наступний вигляд:

(3)

(4)

де - вектор відносної відстані між електронами в одиницях довжини хвилі , ; параметр , при цьому знак “-“ обирається для електронів, а знак “+” - для іонів водню; параметри і , а також, обвідна хвилі мають наступний вигляд:

, (5)

де параметр дорівнює відношенню амплітуди швидкості осциляцій електронів в хвилі до швидкості світла (надалі називатимемо даний параметр швидкістю осциляцій), а параметр дорівнює відношенню енергії кулонівської взаємодії на довжині хвилі до енергії спокою електрона з приведеною масою , . Праві частини системи рівнянь (3) визначають проекції на осі , і ефективної сили , що діє на електрони в с.ц.м.:

(6)

Тут перший доданок є силою Кулона, а другий визначається електромагнітним полем. Легко бачити, що в дипольному наближенні другий доданок в правій частині співвідношення (6) дорівнює нулю і електрони взаємодіють за законом Кулона. Проекція ефективної сили (6) на відносний напрямок визначається виразом:

(7)

де - одиничний вектор, направлений уздовж вектора . Відзначимо, що для більшості сучасних імпульсних лазерів виконується умова , тобто час імпульсу значно перевищує період швидких осциляцій. Тому проекцію ефективної сили (7) і відносну відстань між електронами необхідно усереднити за періодом швидких осциляцій хвилі:

. (8)

Надалі величину (8) називатимемо середньою ефективною силою взаємодії електронів (іонів), а лазерні поля поділяти на: слабкі, якщо швидкість осциляцій електронів (іонів) набагато менше їхньої відносної швидкості (); середні, якщо швидкість осциляцій електронів (іонів) одного порядку з їхньою відносною швидкістю () і сильні, якщо швидкість осциляцій електронів (іонів) набагато більша їхньої відносної швидкості ().

У роботі показано, що в слабкому і середньому полі вплив імпульсного лазера на взаємодію електронів незначний. У сильному полі виявлений ефект притягання електронів після досягнення максимуму інтенсивності при (на вершині лазерного імпульсу), коли швидкість осциляцій електронів набагато більша їхньої відносної швидкості. Ефект притягання, в основному, обумовлений магнітною компонентою в ефективній силі (7) і пов'язаний зі взаємодією струмів, що виникають при відносному русі частинок. Середня ефективна сила притягання за тривалістю близька до половини часу імпульсу (час імпульсу дорівнює с , частота хвилі =3·10¹⁵ с^-1 , див. рис.1а лінії 1, 2), при цьому відбувається уповільнення відносного руху заряджених частинок (див. рис.1б лінії 1, 2). З рис.1б видно, що зовнішнє імпульсне поле не дозволяє електронам зближуватися на кулонівські відстані (відстані, на які зближуються електрони (іони) у відсутність зовнішнього електромагнітного поля).

У параграфі 2.2 поза рамками дипольного наближення теоретично вивчена ефективна сила взаємодії двох нерелятивістських електронів в імпульсному полі двох зустрічних світлових хвиль за умов, що електрони рухаються назустріч один одному уздовж осі , а хвилі поширюються уздовж осі . В цьому випадку система рівнянь відносного руху електронів і початкові умови мають вигляд:

(9)

(10)

де - вектор відносної відстані між електронами в одиницях , ; параметр , при цьому знак “-“ обирається для електронів, а знак “+” - для іонів водню; параметри і , а також обвідні хвиль мають наступний вигляд:

. (11)

, (12)

де і - напруженості електричного поля першої і другої хвиль в піці імпульсу; , ( і - часи імпульсів першої і другої хвиль), а параметри і визначаються виразами:

(13)

Ефективна сила взаємодії електронів визначається через свої проекції на координатні осі , і (див. праві частини системи рівнянь (9)), а її проекція на відносну відстань дорівнює:

(14)

Надалі проекція ефективної сили взаємодії електронів і відносна відстань між частинками усереднюються за періодом швидких осциляцій, як і в полі однієї хвилі (див. (8)).

У роботі показано, що в слабкому і середньому полі вплив імпульсних лазерних хвиль на взаємодію електронів незначний. У сильному полі виявлено ефект притягання електронів після досягнення максимуму інтенсивностей при , коли швидкості осциляцій електронів набагато більші їхньої відносної швидкості (див. рис. 2а). При однакових частотах і часах імпульсів ефект притягання спостерігається для інтенсивностей хвиль одного порядку . При цьому середня ефективна сила притягання за тривалістю близька до половини часу імпульсу хвиль (часи імпульсів рівні с ) , і якісно не відрізняється від сили притягання в полі однієї хвилі (порівн. рис. 1а лінії 1 и рис. 2а). В цьому випадку електрони утримуються на певній середній відносній відстані біля положення протягом часу, що приблизно дорівнює половині тривалості лазерного імпульсу (див. рис. 2б).

У імпульсному полі двох зустрічних світлових хвиль отримана можливість посилення середньої ефективної сили притягання електронів за рахунок варіації часу імпульсу однієї з хвиль. Так, наприклад, зменшення часу імпульсу другої хвилі щодо першої на порядок приводить до збільшення значення сили притягання в два рази (порівн. лінії 1 і 2 на рис. 3а). При цьому електрони утримуються на відстанях, близьких до значення , протягом більшого часу імпульсу (див. рис. 3б, лінія 2).

Таким чином, виявлено механізм контролю утримання нерелятивістських електронів біля певної середньої відносної відстані протягом достатньо великого часу за рахунок варіювання часу імпульсу однієї з хвиль.

В третьому розділі “Взаємодія нерелятивістських іонів в імпульсному полі однієї і двох зустрічних світлових хвиль” поза рамками дипольного наближення теоретично вивчена в параксіальному пучку ефективна сила взаємодії двох нерелятивістських іонів водню з енергією кеВ (поздовжні швидкості , поперечні швидкості ) у імпульсному полі однієї і двох зустрічних електромагнітних хвиль, що поширюються паралельно напрямку руху іонів.

У параграфі 3.1 розглянута взаємодія двох іонів водню, що рухаються практично паралельно один одному в полі однієї імпульсної лазерної хвилі, що поширюється у напрямі руху частинок. Рівняння відносного руху іонів, як і у разі електронів, мають вигляд (3) при і масі, що дорівнює масі іонів водню. На відміну від задачі з електронами тут інша геометрія процесу і початкові умови мають вигляд:

 (15)

Проекція ефективної сили взаємодії іонів, а також її середнє значення в імпульсному полі лазерної хвилі мають вигляд (7) і (8), відповідно.

У слабких полях внесок імпульсного лазерного поля в середню ефективну силу взаємодії іонів малий в порівнянні з кулонівським полем.

У середніх полях виявлено ефект притягання нерелятивістських іонів водню після досягнення максимуму інтенсивностей при (на вершині лазерного імпульсу), коли швидкість осциляцій одного порядку з величиною поперечної компоненти відносної швидкості руху частинок. Сила взаємодії зберігає характер притягання протягом половини часу імпульсу (час імпульсу дорівнює с , частота хвилі =3·10¹⁵ с^-1 , див. рис. 4а), при цьому відбувається уповільнення відносного руху заряджених частинок (див. рис. 4б). З рис. 4б видно, що після піку лазерного імпульсу іони віддаляються один від одного на відстань порядку довжини хвилі, після чого під дією сили притягання частинки зближуються на відстань порядку і значно повільніше розходяться.

У параграфі 3.2 поза рамками дипольного наближення теоретично вивчена ефективна сила взаємодії двох нерелятивістських іонів водню в параксіальному пучку в імпульсному полі двох зустрічних лазерних хвиль, що поширюється уздовж напряму руху частинок. Рівняння відносного руху іонів, як і у разі електронів, мають вигляд (9) при , а початкові умови представлені у вигляді (16):

(16)

Проекція ефективної сили взаємодії іонів, а також її середнє значення в імпульсних лазерних полях мають вигляд (14) і (8), відповідно.

Було показано, що в слабких полях внесок імпульсного лазерного поля двох зустрічних хвиль в середню ефективну силу взаємодії іонів малий в порівнянні з кулонівським полем.

У середніх полях виявлено ефект притягання нерелятивістських іонів водню після досягнення максимуму інтенсивностей при (на вершині лазерного імпульсу), коли швидкості осциляцій одного порядку з величиною поперечної відносної швидкості руху частинок. При рівних частотах і часах імпульсів (₁=₂), але різних інтенсивностях сила взаємодії зберігає характер притягання близько половини часу імпульсу (див. рис. 5а, часи імпульсів рівні с ). При цьому графік відносної відстані якісно не відрізняється від відповідного в полі однієї хвилі (порівн. рис. 5б і рис. 4б ).

У імпульсному полі двох зустрічних світлових хвиль одержана можливість контролю мінімальної відносної відстані між іонами за рахунок варіації параметрів обох хвиль. Одним з параметрів є інтенсивність.

При однакових частотах і часах імпульсів хвиль, якщо зафіксувати інтенсивність першої хвилі і зменшити іншу на порядок, то можна утримувати іони біля деякої мінімальної середньої відносної відстані (порядку довжини хвилі) протягом часу імпульсу хвилі і довше (див. рис. 6а). При цьому середня ефективна сила взаємодії має невеликі осциляції з домінуванням в області негативних значень сили (див. рис. 6б). Інший параметр - це час імпульсу. При однакових частотах і інтенсивностях хвиль, змінюючи час імпульсу однієї з хвиль, можна також впливати на процес притягання.

Наприклад, при зменшенні часу імпульсу другої хвилі на порядок збільшується час перебування іонів біля певної мінімальної середньої відносної відстані протягом часу, що перевищує час імпульсу першої хвилі (див. рис. 7а). При цьому середня ефективна сила взаємодії також має невеликі осциляції в області негативних значень сили (див. рис. 7б).

ВИСНОВКИ

1. Поза рамками дипольного наближення (з урахуванням релятивістських поправок ) теоретично вивчена середня ефективна сила взаємодії нерелятивістських електронів, що рухаються назустріч один одному в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль, які поширюються перпендикулярно напрямку руху електронів.

2. Вперше виявлено ефект притягання електронів після досягнення максимуму інтенсивностей в сильних лазерних полях, коли швидкість осциляцій електронів набагато більша їхньої відносної швидкості. На разі, в полі двох зустрічних хвиль, що мають однакові частоти і інтенсивності, але різні часи імпульсів, даний ефект можна підсилити за рахунок варіювання часу імпульсу другої хвилі щодо першої. При цьому відносна швидкість електронів зменшується, а час утримання електронів на деякій ефективній середній відстані один від одного збільшується.

3. Поза рамками дипольного наближення (з урахуванням релятивістських поправок ) теоретично вивчена середня ефективна сила взаємодії між двома нерелятивістськими іонами водню в умовах параксіального пучка в імпульсному полі однієї і двох зустрічних лазерних хвиль, які поширюються паралельно напрямку руху іонів.

4. Вперше виявлено ефект притягання іонів водню в параксіальному пучку після досягнення максимуму інтенсивностей в середніх лазерних полях, коли швидкість осциляцій іонів одного порядку з величиною їхньої відносної поперечної швидкості. На разі, в полі двох зустрічних лазерних хвиль вперше виявлена можливість контролю утримання іонів на деякій ефективній відносній середній відстані один від одного за рахунок варіації параметрів обох хвиль (однакові частоти, часи імпульсів, але різні інтенсивності; однакові частоти, інтенсивності, але різні часи імпульсів). Із зростанням поля ефект притягання іонів слабішає і в сильних полях зникає.

ЦИТОВАНА ЛIТЕРАТУРА

1. Kumita T., Kamiya Y. et al. Observation of the Nonlinear Effect in Relativistic Thomson Scattering of Electron and Laser Beams // Laser Physics. - 2006. - V.16, № 2. - P.267-271.

2. Казанцев А.П., Соколов В.П. Взаимодействие электронов в световом поле // ЖЭТФ. - 1984. - Т.86, № 3. - С.896-905.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Стародуб С.С., Рощупкин С.П. Взаимодействие классических нерелятивистских электронов в поле световой волны // Вестник СумГУ. - 2001. - № 3(24)-4(25).-С.29-33.

2. Starodub S.S., Roshchupkin S.P. Interaction of nonrelativistic electrons in the presence of a strong pulsed laser field // Laser Physics. - 2003. - Vol.13, № 11. - P.1422-1425.

3. Starodub S.S., Roshchupkin S.P. The Coulomb Repulsion Compensation Between the Ions of the Beam in the Presence of a Strong Pulsed Laser Field // Laser Physics Letters. - 2005. - Vol.2, №8. - P.407-411.

4. Starodub S.S., Roshchupkin S.P. Interaction of the nonrelativistic electrons in the pulsed field of two laser waves // The European Physical Journal D. - 2007. - Vol.44, P.401-405.

5. Starodub S.S., Roshchupkin S.P. The hydrogen ions attraction effect in the pulsed field of two laser waves propagating in the opposite directions // Laser Physics Letters. - 2008. - Vol.5, №9. - P.691-696 (published online April 22, 2008. DOI 10.1002/lapl.200810036).

6. Starodub S.S., Roshchupkin S.P. The beam ions interaction in the presence of two strong pulsed laser fields // Proceedings CAOL 2005. 2-nd International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers, September 12 - 17. - Vol.2. - Yalta, Crimea, Ukraine: 2005. - P.130-132.

7. Starodub S.S., Roshchupkin S.P. The coulomb repulsion compensation of the beam ions // Proceedings of LFNM 2004, 6th International Conference on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling, 6 - 9 September. - Kharkov, Ukraine: 2004. - P.275-277.

8. Стародуб С.С., Рощупкин С.П. Эффект компенсации кулоновского отталкивания электронов в кроссовере в сильном импульсном лазерном поле // Сборник трудов XV -ой международной конференции по электростатическим ускорителям и пучковым технологиям, 25 - 27 ноября. - Обнинск, Россия: 2003. - С.175-179.

9. Roshchupkin S.P., Storizhko V.E., Denisenko O.I., Voroshilo A.I., Starodub S.S., Nedoreshta V.N., Bernd Sulkio-Cleff The influence of relativistic and quantum effects on the blur in projection lithography systems // Proceedings of LFNM 2003, 5th International Workshop on Laser and Fiber-optical Networks Modeling, 19 - 20 September. - Alushta, Crimea, Ukraine: 2003. - P.122-124.

10. Стародуб С.С. Взаимодействие нерелятивистских электронов в лазерном поле // Научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников и студентов механико-математического факультета, 15 - 30 апреля. - Сумы: СумГУ, 2003. - С.94-95.

11. Стародуб С.С. Взаимодействие нерелятивистских электронов в фемтосекундном импульсном лазерном поле // Научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников и студентов механико-математического факультета, 15 - 26 апреля. - Сумы: СумГУ, 2002. - С.90.

12. Стародуб С.С. Взаимодействие медленных электронов в импульсном лазерном поле // Научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников и студентов механико-математического факультета, 16 - 22 апреля. - Сумы: СумГУ, 2001. - С.139-140.

13. .Стародуб С.С., Рощупкин С.П. Взаимодействие медленных классических электронов в поле линейно поляризованной световой волны // Научно-техническая конференция преподавателей, сотрудников и студентов механико-математического факультета, 3 - 7 апреля. - Сумы: СумГУ, 2000. - С.24-26.

АНОТАЦІЯ

Стародуб С.С. Взаємодія нерелятивістських заряджених частинок в імпульсному світловому полі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.02 - теоретична фізика. - Інститут прикладної фізики НАН України, Суми, 2008.

Дисертація присвячена теоретичному вивченню взаємодії нерелятивістських заряджених частинок (електронів, іонів) в імпульсному полі однієї і двох лазерних хвиль.

Поза рамками дипольного наближення (з урахуванням релятивістських поправок ) теоретично вивчена середня ефективна сила взаємодії двох нерелятивістських електронів в полі однієї і двох зустрічних імпульсних лазерних хвиль. Показано, що в полях слабкої і середньої інтенсивностей, коли швидкість осциляцій електронів в електромагнітному полі набагато менша або одного порядку з величиною їхньої відносної швидкості, вплив лазерного поля на середню ефективну силу взаємодії електронів малий. Теоретично передбачений ефект притягання електронів в сильних лазерних полях, коли швидкість осциляцій електронів в хвилі набагато більша відносної швидкості руху частинок. В цьому випадку зовнішнє поле зменшує відносну швидкість руху електронів і не дозволяє їм зближуватися на кулонівські відстані (відстані, на які зближуються нерелятивістські електрони, іони без зовнішнього поля). Характерна часова ширина області притягання складає величину близько половини часу імпульсу хвилі. Показано, що ефект притягання можна підсилити за рахунок варіювання часу імпульсу другої хвилі щодо першої.

Поза рамками дипольного наближення (з урахуванням релятивістських поправок ) теоретично вивчена середня ефективна сила взаємодії двох нерелятивістських іонів водню в умовах параксіального пучка, уздовж напрямку якого поширюється одна або дві протилежно направлені імпульсні лазерні хвилі. Теоретично передбачений ефект притягання іонів в середніх полях, коли швидкість осциляцій іонів в хвилі одного порядку з величиною відносної поперечної швидкості руху частинок. Виявлено механізм контролю мінімальної відносної відстані між іонами за рахунок варіації параметрів обох хвиль (однакові частоти і часи імпульсів, але різні інтенсивності хвиль; однакові частоти і інтенсивності, але різні часи імпульсів хвиль). При цьому відносна швидкість електронів зменшується, а час їхнього утримання на деякій ефективній середній відстані один від одного збільшується..

Ключові слова: імпульсне лазерне поле, електрони, іони, середня ефективна сила взаємодії.

АННОТАЦИЯ

Стародуб С.С. Взаимодействие нерелятивистских заряженных частиц в импульсном световом поле. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.02 - теоретическая физика. - Институт прикладной физики НАН Украины, Сумы, 2008.

Диссертация посвящена теоретическому изучению взаимодействия нерелятивистских заряженных частиц (электронов, ионов) в импульсном поле одной и двух лазерных волн.

Вне рамок дипольного приближения (с учетом релятивистских поправок ) теоретически изучена средняя эффективная сила взаимодействия двух нерелятивистских электронов в импульсном лазерном поле. Показано, что в полях слабой и средней интенсивностей, когда скорость осцилляций электронов в электромагнитном поле много меньше или одного порядка с величиной их относительной скорости, влияние лазерного поля на среднюю эффективную силу взаимодействия электронов мало (в сравнении с величиной силы Кулона). Теоретически предсказан эффект притяжения электронов после достижения максимума интенсивности при (после пика лазерного импульса) в сильных лазерных полях, когда скорость осцилляций электронов в волне много больше относительной скорости движения частиц. В этом случае внешнее поле уменьшает относительную скорость движения электронов и не позволяет им сближаться на кулоновские расстояния (расстояния, на которые сближаются нерелятивистские электроны, ионы без внешнего поля). Характерная временная ширина области притяжения составляет величину около половины времени импульса волны.

Вне рамок дипольного приближения (с учетом релятивистских поправок ) теоретически изучена средняя эффективная сила взаимодействия двух нерелятивистских электронов в импульсном лазерном поле двух встречных электромагнитных волн. Теоретически предсказан эффект притяжения между электронами, который имеет место в сильных полях, когда скорости осцилляций электронов намного больше скорости относительного движения частиц. Показано, что при одинаковых частотах и временах импульсов, но разных интенсивностях волн характер притяжения качественно не отличается от результатов в поле одной волны. Однако в поле двух встречных волн, имеющих одинаковые частоты и интенсивности, но разные времена импульсов, эффект притяжения можно усилить за счет варьирования времени импульса второй волны относительно первой. При этом относительная скорость электронов уменьшается, а время их удержания на некотором эффективном среднем расстоянии друг от друга увеличивается.

Вне рамок дипольного приближения (с учетом релятивистских поправок ) теоретически изучена средняя эффективная сила взаимодействия двух нерелятивистских ионов водорода в условиях параксиального пучка, вдоль направления которого распространяются одна или две противоположно направленные импульсные лазерные волны.

В поле одной лазерной волны теоретически предсказан эффект притяжения ионов после достижения максимума интенсивности при в средних полях, когда скорость осцилляций ионов в волне одного порядка с относительной поперечной скоростью движения частиц. После пика лазерного импульса ионы не расходятся по закону Кулона, а отходят друг от друга на расстояние порядка длины волны, после чего притягиваются до расстояний порядка сотых долей длины волны. Далее притяжение частиц ослабевает, и они медленно расходятся.

В импульсном поле двух встречных лазерных волн теоретически предсказан эффект притяжения нерелятивистских ионов в средних полях, когда скорости осцилляций ионов одного порядка с относительной поперечной скоростью их движения. Причем длительность данного эффекта близка к величине большего времени импульса волн.

Теоретически предсказан механизм контроля минимального относительного расстояния между ионами за счет вариации параметров обеих волн. Так, при одинаковых частотах и временах импульсов волн, если зафиксировать интенсивность первой волны и варьировать интенсивность другой волны вплоть до порядка величины интенсивности, то можно удерживать ионы около некоторого минимального среднего относительного расстояния (порядка длины волны) в течении времени импульса волны и более. С другой стороны, при одинаковых частотах и интенсивностях волн, варьируя время импульса одной из волн можно также влиять на процесс притяжения. Например, уменьшая время импульса второй волны на порядок, можно увеличить время пребывания ионов около определенного минимального среднего относительного расстояния.

Ключевые слова: импульсное лазерное поле, электроны, ионы, средняя эффективная сила взаимодействия.

ABSTRACT

Starodub S.S. Interaction of the nonrelativistic charged particles in a pulsed light field. -Manuscript.

Thesis for a Doctor of Philosophy (Ph.D.) degree in physics and mathematics, field 01.04.02 - theoretical physics. - Institute of Applied Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Sumy, 2008.

The thesis is devoted to theoretical studying of the nonrelativistic charged particles (electrons, ions) interaction in the pulsed field of one and two laser waves.

Outside the framework of the dipole approximation, the mean effective interaction force of two nonrelativistic electrons in the field of one and two pulsed laser waves extending towards each other is theoretically studied. It is shown, that in fields of small and medial intensities, when oscillation velocity in an electromagnetic field is much less or one order with quantity than electrons relative velocity, influence of a laser field on mean effective interaction force of electrons a little. The effect of an attraction of electrons in the strong laser fields, when oscillation velocity of electrons in a wave much more than the relative velocity of a motion of particles is theoretically predicted. In this case the external field reduces the relative velocity of a motion of electrons and does not allow them to approach on Coulomb distances (distances on which the nonrelativistic electrons (ions) approach without an external field). The characteristic temporary breadth of field of an attraction makes quantity about half of time of an impulse of a wave. It is shown, that the effect of an attraction can be strengthened at the expense of a variation of time of an impulse of the second wave concerning the first. Outside the framework of dipole approximation mean effective interaction force of two nonrelativistic ions of hydrogen in the conditions of a paraxial bundle along which one or two is opposite directional pulsing laser waves are spread is theoretically studied. The effect of an attraction of ions in medial fields, when oscillation velocity of ions in a wave of one order with quantity of the relative traversal velocity of a motion of particles is theoretically predicted. The mechanism of the control of the underload relative distance between ions at the expense of a variation of parameters of both waves is found out: at identical frequencies and times of impulses, but different intensities of waves; at identical frequencies and intensities, but different times of impulses of waves. Thus, the relative velocity of electrons decreases, and time of their deduction for some effective medial distance is from each other incremented.

Key words: the pulsed laser field, electrons, ions, the mean effective interaction force.

Размещено на Allbest.ru