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泵波揭秘三波作用相干辐射

Yaochen博客 | 2021-05-04

还有一个重要的研究基础需交代。课题组在2020年发表的一篇等离子体辐射机制的数值模拟研究工作3表明,Z模和哨声波应该是可以满足并合条件产生等离子体辐射的。该文引入损失锥类高能电子,激发了Z模和哨声波,而后在模拟的演化过程中,观察到了基频辐射。辐射的产生是模拟的结果,而产生的过程却藏于计算之中并非显而易见的,只能依据表观特征去猜测其发生机理。

以上便是此处欲介绍的研究工作4的主要背景。

为了证明Z模、哨声波、辐射电磁波可以满足三波并合条件且可真地产生,一方面直接求解三波并合条件,将模式得完整表达式代入,通过编制小程序稍事运行便可完成求解;另一方面,通过在粒子模拟系统中单独泵入或一起泵入前两种模式,通过对照试验,便可知道并合过程(及辐射)是否发生。除此之外,还可以通过定量的能量计算,来分析三波并合过程中的能量转化效率问题。

对于如何实现“泵波”,理解起来也是比较直观的。每种波模都有自己的色散关系,规定了波长和频率之间的固定关系,模式的电场、磁场、密度和速度扰动参量间的相对幅值也是固定的。根据理论计算可确定这些相对幅值,在设定模拟程序初值时写入即可“泵入”相应模式。

应该来说,该工作在等离子体辐射机制研究方面还是有推动力的。一方面,通过共振条件求解在大参数区间内找到了许多满足并合条件的解,匹配精度可高达万分之一甚至更高;另一方面,在粒子模拟试验中,当同时泵入Z和W模时,观测到了新出现的等离子体辐射模式,而且所得模式参数与相应共振条件界定的参数一致!这说明Z模和哨声波通过波波作用产生了等离子体辐射(简记为Z+W->O),而且该过程可以在大参数范围内、在相对“宽松的条件”下发生。

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图1 三波作用(Z+W->O)共振条件求解所得的三种模式的相应参数示例:波数(a)和频率(b,c)。

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