不均匀等离子体中电磁波与朗缪尔波的相互作用

不均匀等离子体中电磁波与朗缪尔波的相互作用四川大学周磊引言电磁波与朗缪尔波在不均匀等离子体中的相互作用于60年代由Ginzberg已经初步阐述,并经过Means,Denise,盛政明等人加以发展.历史资料表明：在临界密度附近,电磁波与朗缪尔波能够相互转换,转换效率与等离子体密度标长,入射角度以及入射朗缪尔波波的频率有关，最高转换效率约为50%.而在小尺度的高温等离子体中,共振吸收是反常吸收的主要机制，其产生的等离子体波会通过朗道阻尼产生能量很高的超热电子,它对激光聚变是有害的.因此要想办法降低反常吸收（主要是共振吸收）的效率，减少超热电子的产生来提高激光聚变的效率．在基于等离子体产生电磁辐射、等离子体诊断技术以及激光聚变等方面的研究，我们非常关心电磁波与朗缪尔波相互作用过程及机制。数值计算及电磁波波矢的变化为了研究相互作用问题,我们选取一个密度线性增加的等离子体模型:初始密度n0=2*1016m-3,临界密度nc=5*1016m-3,等离子体温度Te=1.3eV,n0到nc的距离为2m,均匀等离子体到不均匀等离子体分界面电磁波入射角为15度.左图为电磁波在等离子体中传播,X0为均匀等离子体,X0为密度线性增长的不均匀等离子体,XT,XL分别是电磁波与朗缪尔波的反射点,X0为临界密度点(电磁波频率等于当地等离子体频率)X=0在不均匀密度空间的波动方程三个异常点：朗谬尔波的转换点，横波的转换点，两波相互作用的临界点（上图）。最简单的方法是用合适的边界条件解出上述方程组的数值解。这儿描述的情况可用于两种问题。第一种情况，我们从x=－∞入射一个P极化横波，它在XT点开始反射，到X0点以朗谬尔波的形式完全反射。第二种情况则颠倒过来。每种情况都包括了三个波：一个入射波（横波或者朗谬尔波），两个反射波（横波和郎谬尔波）。电磁波转化为朗缪尔波就第一种情况而言，通过数值求解上述方程组可以发现并且在XT点快速增长，这也是符合物理的，因为：入射到层上的电磁波引起等离子体震荡，因为有热运动，所以会形成朗缪尔波。00/dxdEx电磁波传播矢量的变化左图为斜入射电磁波波在不均匀等离子体中传播的波矢量Kt随X轴的变化.实部(蓝线)逐步下降为零(反射点),虚部在反射点之前为零表明没有衰减(无碰撞)00.20.40.60.811.21.41.61.82-10-505101520253035ktxxkLe由波矢量Kt的变化可以看出电磁波在小于临界密度点(W=Wp)时就已经开始反射(即反射点XT).在反射点之后电磁波开始以指数形式衰减。而朗缪尔波则以指数形式增长。xkte2222222222)()(3ckkwwvkkwwtyptLyp要满足同步条件即在附近，电磁波与朗缪尔波才能相互作用。且同步条件也不是两波相互作用的唯一条件，两种波在X方向上的波矢量必须为虚数才能有能量的交换。可见，电磁波在反射点XT就已经开始逐步转化为朗缪尔波并以当地等离子体震荡频率反射，并随着向W=Wp点靠近等离子体波的振幅增加22222222)()(3ckkwvkkwtyptLyp朗缪尔波转换成电磁波就第二种情况而言，通过数值求解上述方程组可以发现，并且在XL点开始快速增长，因为：入射到层上的朗缪尔波引发电磁震荡，形成电磁波，不再是纯的朗缪尔波00yLyxyyEkixEEkixE当朗缪尔波斜入射不均匀等离子体在XL点反射时,其X方向波矢量KL为零,即EX为零,得即朗缪尔波不能再往X方向传播0XdEdx在反射点之后，朗缪尔波以指数形式衰减，电磁波以指数形式增长。可见，朗缪尔波在反射点XT就已经开始逐步转化为电磁波并以当地等离子体震荡频率反射，并随着向W=Wp点靠近电磁波的振幅增加xkLexkte