Демпфирование Ландау - Landau damping

В физика, Демпфирование Ландау, названный в честь его первооткрывателя,^[1]Советский физик Лев Давидович Ландау (1908–68), является эффектом демпфирование (экспоненциальное убывание как функция времени) продольные волны пространственного заряда в плазма или аналогичная среда.^[2] Это явление предотвращает развитие нестабильности и создает область стабильности в пространство параметров. Позже это утверждал Дональд Линден-Белл что подобное явление происходило в галактической динамике,^[3] где газ электронов, взаимодействующих с помощью электростатических сил, заменен «газом звезд», взаимодействующим с помощью гравитационных сил.^[4] Затуханием Ландау можно точно управлять в численных моделированиях, таких как частица в клетке моделирование.^[5] Его существование было экспериментально доказано Мальмбергом и Уортоном в 1964 г.^[6] почти через два десятилетия после его предсказания Ландау в 1946 году.^[7]

Взаимодействие волна-частица

Затухание Ландау происходит из-за обмена энергией между электромагнитным волна с фазовой скоростью ${\displaystyle v_{\text{ph}}}$ и частицы в плазме со скоростью, примерно равной ${\displaystyle v_{\text{ph}}}$, который может сильно взаимодействовать с волной.^[8] Частицы со скоростями чуть меньше ${\displaystyle v_{\text{ph}}}$ будут ускорены электрическим полем волны, чтобы двигаться с фазовой скоростью волны, в то время как частицы со скоростями немного больше, чем ${\displaystyle v_{\text{ph}}}$ будет замедляться, теряя энергию в волне: частицы стремятся синхронизироваться с волной. Это доказано экспериментально с Лампа бегущей волны.^[9]

В идеале MHD плазмы скорости частиц часто принимаются приблизительно равными Максвелловская функция распределения. Если наклон функции отрицательный, количество частиц со скоростями, немного меньшими, чем фазовая скорость волны, больше, чем количество частиц со скоростями немного большей. Следовательно, больше частиц получают энергию от волны, чем теряют ее, что приводит к затуханию волны. Если, однако, наклон функции положительный, то количество частиц со скоростями, немного меньшими фазовой скорости волны, будет меньше чем количество частиц со скоростями немного больше. Следовательно, больше частиц теряет энергию из-за волны, чем из-за волны, что приводит к увеличению энергии волны.

Физическая интерпретация

Математическая теория затухания Ландау несколько сложна - см. Раздел ниже. Однако существует простая физическая интерпретация [введенная в разделе 7.5 ^[2] с оговоркой], что, хотя и не совсем правильно, помогает визуализировать это явление.

Можно представить Волны Ленгмюра как волны в море, и частицы, как серфингисты, пытающиеся поймать волну, движутся в одном направлении. Если серфер движется по поверхности воды со скоростью, немного меньшей, чем скорость волн, он в конечном итоге будет пойман и вытолкнут вдоль волны (набирая энергию), в то время как серфер, движущийся немного быстрее волны, будет толкать волну при движении в гору (теряя энергию на волне).

Стоит отметить, что только серфингисты играют важную роль в этом энергетическом взаимодействии с волнами; пляжный мяч, плавающий на воде (с нулевой скоростью), будет подниматься и опускаться по мере прохождения волны, совсем не набирая энергии. Кроме того, лодка, которая движется очень быстро (быстрее волн), не обменивается большой энергией с волной.

Простое механическое описание динамики частиц дает количественную оценку синхронизации частиц с волной [Уравнение (1) ^[9]]. Более строгий подход показывает, что наиболее сильная синхронизация происходит для частиц со скоростью в волновой системе, пропорциональной скорости затухания и не зависящей от амплитуды волны [раздел 4.1.3 документа ^[10]]. Поскольку затухание Ландау происходит для волн с произвольно малыми амплитудами, это показывает, что наиболее активные частицы в этом затухании далеки от захвата. Это естественно, поскольку при захвате таких волн (в частности, ${\displaystyle T_{\text{trap}}\sim A^{-1/2}}$ для амплитуды волны ${\displaystyle A}$).

Теоретическая физика: теория возмущений в системе Власова

Теоретическое лечение начинается с Уравнение Власова в нерелятивистском пределе нулевого магнитного поля - система уравнений Власова – Пуассона. Явные решения получаются в пределе малого ${\displaystyle E}$-поле. Функция распределения ${\displaystyle f}$ и поле ${\displaystyle E}$ расширены в серию: ${\displaystyle f=f_{0}(v)+f_{1}(x,v,t)+f_{2}(x,v,t)}$, ${\displaystyle E=E_{1}(x,t)+E_{2}(x,t)}$ и условия равного порядка собираются.

Чтобы Первый заказ уравнения Власова – Пуассона читаются

${\displaystyle (\partial _{t}+v\partial _{x})f_{1}+{e \over m}E_{1}f'_{0}=0,\quad \partial _{x}E_{1}={e \over \epsilon _{0}}\int f_{1}\mathrm {d} v}$.

Ландау рассчитал^[1] волна, вызванная начальным возмущением ${\displaystyle f_{1}(x,v,0)=g(v)\exp(ikx)}$ и найден с помощью Преобразование Лапласа и контурная интеграция затухающая бегущая волна вида ${\displaystyle \exp[ik(x-v_{\text{ph}}t)-\gamma t]}$ с участием волновое число ${\displaystyle k}$ и декремент затухания

${\displaystyle \gamma \approx -{\pi \omega _{p}^{3} \over 2k^{2}N}f'_{0}(v_{\text{ph}}),\quad N=\int f_{0}\mathrm {d} v}$.

Вот ${\displaystyle \omega _{p}}$ это плазменное колебание частота и ${\displaystyle N}$ - электронная плотность. Позже Нико ван Кампен доказано^[11] что тот же результат может быть получен с преобразование Фурье. Он показал, что линеаризованные уравнения Власова – Пуассона имеют непрерывный спектр сингулярных нормальных мод, теперь известный как режимы ван Кампена

${\displaystyle {\frac {\omega _{p}^{2}}{kN}}f'_{0}{\frac {\mathcal {P}}{kv-\omega }}+\epsilon \delta \left(v-{\frac {\omega }{k}}\right)}$

в котором ${\displaystyle {\mathcal {P}}}$ означает главное значение, ${\displaystyle \delta }$ - дельта-функция (см. обобщенная функция ) и

${\displaystyle \epsilon =1+{\frac {\omega _{p}^{2}}{kN}}\int f'_{0}{\frac {\mathcal {P}}{\omega -kv}}\mathrm {d} v}$

- диэлектрическая проницаемость плазмы. Разложив исходное возмущение в этих модах, он получил спектр Фурье результирующей волны. Затухание объясняется смешением фаз этих мод Фурье с немного разными частотами вблизи ${\displaystyle \omega _{p}}$.

Было неясно, как может происходить затухание в бесстолкновительной плазме: куда девается энергия волны? В теории жидкости, в которой плазма моделируется как дисперсионная диэлектрическая среда,^[12] энергия ленгмюровских волн известна: энергия поля, умноженная на фактор Бриллюэна ${\displaystyle \partial _{\omega }(\omega \epsilon )}$.Но демпфирование не может быть получено в этой модели. Для расчета энергообмена волны с резонансными электронами теория плазмы Власова должна быть расширена до второго порядка и возникают проблемы с подходящими начальными условиями и временными условиями.

В исх.^[13] эти проблемы изучаются. Поскольку вычисления для бесконечной волны недостаточны во втором порядке, a волновой пакет анализируется. Найдены начальные условия второго порядка, которые подавляют секулярное поведение и возбуждают волновой пакет, энергия которого согласуется с теорией жидкости. На рисунке показана плотность энергии волнового пакета, движущегося на групповая скорость его энергия уносится электронами, движущимися с фазовой скоростью. Общая энергия, площадь под кривыми, сохраняется.

Математическая теория: задача Коши для пертурбативных решений

Строгая математическая теория основана на решении Задача Коши для эволюционного уравнения (здесь дифференциальное уравнение Власова – Пуассона в частных производных) и доказательство оценок решения.

Сначала со времен Ландау была разработана довольно полная линеаризованная математическая теория.^[14]

Выход за пределы линеаризованного уравнения и решение проблемы нелинейности было давней проблемой математической теории затухания Ландау. Ранее одним математическим результатом на нелинейном уровне было существование класса экспоненциально затухающих решений уравнения Власова – Пуассона в окружности, что было доказано в^[15] с помощью метода рассеяния (этот результат был недавно расширен в^[16]). Однако эти результаты существования ничего не говорят о который исходные данные могли привести к таким затухающим решениям.

В недавней статье^[17] решена проблема исходных данных и впервые математически установлено затухание Ландау для нелинейного уравнения Власова. Доказано, что решения, начинающиеся в некоторой окрестности (для аналитической топологии или топологии Жевре) линейно устойчивого однородного стационарного решения, (орбитально) устойчивы во все времена и глобально затухают во времени. Явление затухания переосмысливается в терминах передачи регулярности ${\displaystyle f}$ как функция ${\displaystyle x}$ и ${\displaystyle v}$соответственно, а не обмены энергией. Крупномасштабные вариации переходят в вариации все меньшего и меньшего масштаба в пространстве скоростей, что соответствует сдвигу спектра Фурье ${\displaystyle f}$ как функция ${\displaystyle v}$. Этот сдвиг, хорошо известный в линейной теории, оказывается справедливым в нелинейном случае.

Теоретическая физика: теория возмущений в системе N тел ^[18]

Выражение диэлектрической проницаемости плазмы, аналогичное приведенному выше, но соответствующее преобразованию Лапласа, используемому Ландау, может быть получено просто в системе координат N тел. Один рассматривает (однокомпонентную) плазму, в которой в качестве частиц присутствуют только электроны, а ионы просто обеспечивают однородный нейтрализующий фон. Принцип расчета обеспечивается рассмотрением фиктивного линеаризованного движения одиночной частицы в единственной фурье-компоненте ее собственного электрического поля. Полный расчет сводится к суммированию соответствующего результата по всем ${\displaystyle N}$ частицы и все компоненты Фурье. Власовское выражение для диэлектрической проницаемости плазмы, наконец, восстанавливается путем подстановки интеграла по гладкой функции распределения для дискретной суммы по частицам в диэлектрической проницаемости плазмы N тел. Вместе с затуханием Ландау этот механический подход также обеспечивает расчет экранирования Дебая, или Экранирование электрического поля, в плазме.

Смотрите также

• Список статей по плазме (физике)

Примечания и ссылки

1. Ландау Л. «О колебаниях электронной плазмы». ЖЭТФ 16 (1946), 574. Английский перевод в J. Phys. (СССР) 10 (1946), 25. Воспроизводится в Сборнике статей Л.Д. Ландау, под редакцией и с введением Д. тер Хаара, Pergamon Press, 1965, стр. 445–460; и в Men of Physics: L.D. Ландау, т. 2, Pergamon Press, D. ter Haar, ed. (1965).
2. Чен, Фрэнсис Ф. Введение в физику плазмы и управляемый синтез. Второе издание, 1984 Plenum Press, Нью-Йорк.
3. Линден-Белл, Д. (1962). «Устойчивость и колебания звездного газа». Пн. Не. R. Astron. Soc. 124 (4): 279–296. Bibcode:1962МНРАС.124..279Л. Дои:10.1093 / mnras / 124.4.279.
4. Бинни, Дж., И Тремейн, С. Галактическая динамика, второе изд. Принстонская серия в астрофизике. Princeton University Press, 2008.
5. У Мён, Чанг; Ку Ли, Джэ (2014). «Влияние конечной амплитуды на затухание Ландау и уменьшение переноса захваченных электронов». Журнал Физического общества Японии. 83 (7): 074502. Bibcode:2014JPSJ ... 83g4502M. Дои:10.7566 / jpsj.83.074502.
6. Malmberg, J. H .; Уортон, К. Б. (1964-08-10). «Бесстолкновительное затухание электростатических плазменных волн». Письма с физическими проверками. 13 (6): 184–186. Bibcode:1964ПхРвЛ..13..184М. Дои:10.1103 / PhysRevLett.13.184.
7. Ландау, Л.Д. «О колебаниях электронной плазмы». Ж. Эксп. Теор. Физ. 16: 574–86 (перепечатано 1965 г., Сборник статей Ландау эд Д тер Хаара (Оксфорд: Пергамон), стр. 445–60).
8. Цурутани, Б .; Лахина, Г. (1997). «Некоторые основные концепции взаимодействия волны с частицами в бесстолкновительной плазме». Обзоры геофизики. 35 (4): 491–502. Bibcode:1997RvGeo..35..491T. Дои:10.1029 / 97rg02200.
9. Doveil, F .; Escande, D. F .; Макор, А. (2005-03-04). «Экспериментальное наблюдение нелинейной синхронизации одной волны». Письма с физическими проверками. 94 (8): 085003. Bibcode:2005ПхРвЛ..94х5003Д. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.085003. PMID  15783900.
10. Эсканде, Доминик; Эльскенс, Ив (2002-10-23). Микроскопическая динамика плазмы и хаоса.. Микроскопическая динамика плазмы и хаоса. Серия: Серия по физике плазмы.. Серия по физике плазмы. 12. Bibcode:2002SPP .... 12 ..... E. Дои:10.1201/9781420033953. ISBN  9780750306126.
11. ван Кампен, Н. Г., "К теории стационарных волн в плазме", Physica 21 (1955), 949–963. Увидеть http://theor.jinr.ru/~kuzemsky/kampenbio.html
12. Ландау, Л. Д., Лифшиц, Э. М., Электродинамика сплошных сред. §80, Pergamon Press (1984).
13. Бест, Роберт В. Б., "Энергия и плотность импульса волнового пакета с затуханием Ландау", J. Plasma Phys. 63 (2000), 371-391
14. См., Например, Бэкус Г. «Линеаризованные плазменные колебания в произвольных электронных распределениях». J. Math. Phys. 1 (1960), 178–191, 559. Дегонд П. Спектральная теория линеаризованного уравнения Власова – Пуассона. Пер. Амер. Математика. Soc. 294, 2 (1986), 435–453. Маслов, В. П., Федорюк, М. В. "Линейная теория затухания Ландау". Мат. Сб. (Н.С.) 127(169), 4 (1985), 445–475, 559.
15. Caglioti, E .; Маффеи, К. (1998). «Асимптотика по времени решений уравнения Власова – Пуассона в круге». J. Statist. Phys. 92: 1–2, 301–323. Дои:10.1023 / А: 1023092317419.
16. Хван, Х. Дж. И Веласкес Дж. Дж. Л. «О существовании экспоненциально убывающих решений нелинейной задачи о затухании Ландау», Indiana Univ. Математика. Дж. 68, 6 (2009), 2623–2660
17. Мухо, К., Виллани, К. «О затухании Ландау», Acta Math. 207, 1 (2011), 29–201 (цитируется по Медаль Филдса присуждена Седрик Виллани в 2010)
18. Escande, D F; Doveil, F; Эльскенс, Ив (2016). "N-тело описание экранирования Дебая и затухания Ландау". Физика плазмы и управляемый синтез. 58 (1): 014040. arXiv:1506.06468. Bibcode:2016PPCF ... 58a4040E. Дои:10.1088/0741-3335/58/1/014040.