Общая характеристика, актуальность и цели работы.
Проблемы излучения движущихся заряженных частиц в присутствии сред с теми или иными свойствами исследовались начиная с 30-х годов XX века. Несмотря на огромное количество публикаций по этой тематике, ряд вопросов остается не исследованным или недостаточно исследованным до сих пор. К числу таких вопросов относится, в частности, анализ поведения полного электромагнитного поля, создаваемого зарядом (как правило, обычно основное внимание уделялось энергетическим характеристикам поля излучения). Также нужно отметить, что актуальность исследований в этом направлении возрастает в последние годы в связи с бурным развитием методов создания новых материалов с необычными свойствами. Среди них стоит особо отметить так называемые «метаматериалы» -искусственные структуры из макроэлементов, проявляющие порой весьма неожиданные свойства. Одним из ярких примеров таких структур служит «левая» среда, в которой вектор плотности потока энергии противоположен волновому вектору, а излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ) в такой среде носит обратный характер. Процессы излучения заряженных часгиц при наличии левой среды представляются довольно перспективными как для детектирования заряженных частиц, так и для диагностики пучков частиц. Также для этих целей могут быть интересны аналогичные процессы в присутствии анизотропных искусственных сред. Стоит отметить, что данные явления могут использоваться и при решении обратной задачи — определении характеристик среды по свойствам того или иного типа излучения. Перечисленные факторы указывают на актуальность исследований в этом направлении.
Цель работы заключается в аналитическом и численном исследовании электромагнитного поля точечного заряда, равномерно движущегося в безграничной среде со сложной или необычной дисперсией либо влетающего в такую среду. При этом анализируются следующие ситуации:
— случаи движения заряда в безграничной изотропной среде с несколькими резонансными частотами;
— случай движения заряда в изотропной левой среде с частотной дисперсией;
— случаи движения заряда в немагнитной анизотропной негиротропной одноосной среде с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости;
— случай влета заряда из вакуума в левую среду с частотной дисперсией;
— случай влета заряда из вакуума в немагнитную электрически анизотропную негиротропную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости.
Краткий обзор литературы.
Настоящий обзор затрагивает теоретические работы, посвященные главным образом излучению заряда, равномерно движущегося в безграничной среде или пересекающего границу раздела двух сред. Он естественным образом разбивается на две части, соответствующие указанным случаям.
Излучение заряда, равномерно движущегося в среде, было открыто С. И. Вавиловым и П. А. Черенковым в 1934 году при изучении люминесценции растворов солей урана, возбуждаемой /-лучами [1—3]. Впоследствии это излучение было названо «излучением Вавилова-Черенкова» (ИВЧ), а за рубежом за ним закрепился термин «черенковское излучение». Вскоре после открытия появилась макроскопическая теория, эффекта, разработанная И. Е. Таммом и И. М. Франком [4,5]. Она основывается на решении уравнений Максвелла с точечным источником, движущимся в немагнитной диэлектрической среде без потерь. Были получены интегральные выражения для компонент электромагнитного поля заряда и рассчитана энергия, теряемая им на излучение. Формула для потерь энергии заряда на единице длины пути впоследствии была названа в честь ее авторов формулой Тамма-Франка. Несколько позже В. JI. Гинзбург [6] исследовал вопрос о поле и энергии частицы в оптически анизотропной среде, а также развил квантовую теорию ИВЧ [7]. В юм же году Е. Fermi [8] рассмотрел случай диэлектрической среды с поглощением и исследовал влияние поляризации среды на величину энергетических потерь. Отметим, что в работе [8] были получены формулы для компонент поля заряда, движущегося в среде с диэлектрической проницаемостью, обладающей дисперсией резонансного типа с одной резонансной частотой и поглощением.
С этого времени началось активное развитие теории эффекта Вавилова-Черенкова. Среди первых исследований в данном направлении следует отметить, например, работы [912] (О. Halpern, Н. Hall, R. М. Sternheimer), где результаты E. Fermi для потерь энергии заряда были обобщены на случай изотропных веществ с более сложной частотной дисперсией диэлектрической проницаемости, в частности, эмульсий и твердых тел. Первое обобщение формулы Тамма-Франка на случай среды, обладающей как диэлектрическими, так и магнитными свойствами, было произведено в работах А. Г. Ситенко [13], и Д. Д. Иваненко и В. Н. Цытовича [14]. Что касается развития теории ИВЧ в анизотропных средах, то первыми исследованиями в этом направлении были работы А. А. Коломенского [15,16], М. И. Каганова [17] и А. Г. Ситенко, М. И. Каганова [18], где были получены энергетические потери заряда при его движении вдоль оси одноосного диэлектрического кристалла. Дальнейшее развитие теории как по указанным направлениям, так и по другим аспектам теории ИВЧ, а также более подробный список литературы содержится в обзорах Б. М. Болотовского [19,20]. Кроме того в последующие годы был опубликован ряд монографий [21−23], где были систематизированы основные результаты теории ИВЧ, а также освещены вопросы применения ИВЧ на практике.
Следует отметить, что одним из основных результатов теории ИВЧ обычно считалась формула, описывающая энергетические потери движущейся частицы, и выводу этой формулы уделялось основное внимание. Среди работ, затрагивавших вопросы исследования самого электромагнитного поля движущегося заряда, можно отметить лишь несколько. Прежде всего, это работа И. Е. Тамма [5], где был предложен асимптотический метод построения поверхностей, на которых напряженности электромагнитного поля имеют максимум. Численный расчет компонент поля с использованием формул работы [8] был проведен Г. Ы. Афанасьевым и В. Г. Картавенко [24], в этой работе также были построены поверхности «гребней» электромагнитного поля, предложенные И. Е. Таммом [5]. Для более сложных сред структура поля в известной нам литературе не исследовалась.
Интересно, что поля зарядов в последние десятилетия более активно исследовались в гакой ситуации, когда они движутся в регулярной волноведущей структуре, содержащей ту или иную среду. Данные исследования, начатые еще в середине XX века [20], получили значительное развитие в последнее время, прежде всего в связи с перспективами применения подобных структур для целей так называемого кильватерного ускорения заряженных частиц (см., к примеру, [25−32]). Этот метод ускорения предполагает создание ускоряющего поля большим (ведущим) сгустком заряженных частиц и ускорение в этом поле малого (ведомого) сгустка. Для таких целей рассматривались различные структуры: чаще всего это был круглый волновод с одним или несколькими цилиндрическими слоями того или иного материала [26−32], но анализировались и волноводы иной формы [25]. Слои вещества обычно не обладали существенной дисперсией и поглощением [25−28], однако и задачи с учетом эгих факторов также рассматривались [29−34]. Отметим также в этой связи, что в последнее время обсуждается идея применения подобных структур и для целей диагностики пучков частиц [33, 34].
Исследования в рассматриваемой области в значительной степени стимулируются бысфым развитием технологии разработки и производства искусственных «метасред» или «метаматериалов» [35−42]. С помощью метаматериалов могут быть реализованы достаточно сложные дисперсионные закономерности, зачастую не встречающиеся в природе. Одним из примеров является так называемая «левая» среда, или среда с отрицательным показателем преломления [43—45]. Первое описание левых сред было произведено В. Г. Веселаго в работах [43,44]. Левой средой было названо изотропное непоглощающее вещество, имеющее одновременно отрицательными диэлектрическую и магнитную проницаемости. Коэффициент преломления в такой ситуации является вещественной величиной, что обеспечивает возможность распространения электромагнитных волн. Основные свойства левых сред, отмеченные В. Г. Веселаго, заключаются в следующем. Вектор электрического поля, вектор магнитного поля и волновой вектор волны образуют левую ортогональную тройку (отсюда и термин «левая среда»), следовательно, вектор Пойтинга противоположен волновому вектору и фазовой скорости. При этом электромагнитная волна, падающая из обычной среды на границу с левой средой, испытывает аномальное (отрицательное) преломлениепреломленная волна имеет фазовую скорость, направленную к границе, и групповую скорость, проекция которой на границу раздела противоположна проекции групповой скорости падающей волны. Кроме того в левой среде наблюдаются обращенный эффект Вавилова-Черенкова и обращенный эффект Допплера [43−45].
Следует особо отметить, что вопросы, косвенно касающиеся левых сред, затрагивались различными учеными задолго до работ В. Г. Веселаго [43, 44]. Особо следует отметить заслугу JI. И. Мандельштама, в работах которого было достигнуто глубокое понимание сути отрицательного преломления [46, 47]. JL И. Мандельштамом было показано, что в основе отрицательного преломления лежит эффект «отрицательной групповой скорости», когда групповая скорость и поток энергии противоположны фазовой скорости. Таким образом, отрицательное преломление возможно для волн любой природы и, вообще говоря, не обязательно связано с отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями. Упоминания о ранних исследованиях сред с отрицательной групповой скоростью, а также ссылки на соответствующие работьь можно найти в обзорах В. М. Аграновича и Ю. Н. Гартштейна [48], В. Г. Веселаго с соавторами [49] и на веб-странице [50].
В работе J. Lu с соавторами [51] теоретически исследовалось излучение Вавилова-Черенкова в левой среде. При этом была предложена оригинальная энергетическая характеристика для описания свойств направленности излучения — энергетическая диаграмма излучения. С помощью нее был продемонстрирован обратный характер ИВЧ в левой среде. С этого времени термин «обратное излучение Вавилова—1Черенкова» («reversed Cherenkov radiation») стал достаточно часто встречаться в научной литературе. Этому эффекту посвящен, например, обзор [52]. Также имеются попытки экспериментального наблюдения ИВЧ в левой среде [53,54]. Следует отметить, что вопросы, связанные с обратным характером ИВЧ в случае отрицательной групповой скорости обсуждались еще в работах В. Е. Пафомова [55, 56]. Отметим, однако, что структура электромагнитного поля заряда, движущегося в левой среде, вовсе не анализировалась в известной нам научной литературе.
Задача о пересечении зарядом границы раздела между двумя средами, отличающимися диэлектрическими свойствами, впервые была рассмотрена в работе В. Л. Гинзбурга и И. М. Франка [57]. Возникающее при этом излучение было названо переходным излучением (ПИ). С тех пор было опубликовано огромное количество работ по различным аспектам ПИ (см., например, обзор Ф. Г. Баса и В. М. Яковенко [58] и приведенный там список литературы), среди которых следует отметить следующие. В работе Г. М. Гарибяна [59] было произведено обобщение теории В. Л. Гинзбурга и И. М. Франка на случай, когда среды отличаются как диэлектрическими, так и магнитными свойствами. В этой работе использовался метод перевала, однако в несколько усеченном виде — контур наискорейшего спуска строился только в окрестности седловой точки. В случае вылета заряда из среды в вакуум отмечалась возможность выхода в эту область излучения Вавилова-Черенкова, излученного частицей при движении в среде. В работе Е. А. Канера и В. М. Яковенко [60] рассмотрена задача о переходном излучении на границе вакуум — плазма с учетом пространственной дисперсии. В упоминавшихся работах В. Е. Пафомова [55, 56] рассмотрен случай пролета заряда через пластинку, в том числе анизотропную. В последующей монографии В. Л. Гинзбурга и В. П. Цытовича [61] были систематизированы основные результаты теории переходного излучения.
Как и в случае с излучением Вавилова-Черенкова, основное внимание в теории ПИ уделялось энергетическим характеристикам, в результате чего некоторые вопросы не получили должного освещения в литературе. К ним относится, прежде всего, анализ электромагнитного поля для тех или иных моделей сред, включая даже классическую модель резонансно диспергирующей изотропной среды. Что касается конкретного случая вакуумлевая среда, то он лишь частично был рассмотрен в работе [62]. Эффект обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ) (без использования данного термина) упоминался и анализировался лишь на уровне энергетических характеристик [55, 62], а его проявление на уровне полей практически не исследовалось.
Краткое содержание диссертации.
Первая глава посвящена исследованию поля точечной заряженной частицы, движущейся в безграничной среде с частотной дисперсией.
В параграфе 1.1 рассматриваются некоторые общие свойства известных интегралов Фурье, определяющих электромагнитное поле движущейся частицы. Определяется «физический» лист римановой поверхности, анализируются свойства подынтегральных функций, находятся области возможной трансформации исходного контура интегрирования и асимптоты контура наискорейшего спуска (КНС). Показывается, что интеграл по симметричному относительно мнимой оси контуру может быть сведен к интегралу по одной его части в правой полуплоскости. Полученные свойства являются базой для дальнейшего исследования.
В параграфе 1.2 рассматривается случай многорезонансной лоренцевской среды при условии, что резонансные частоты существенно превышают плазменные частоты. Анализируется расположение разрезов и полюсов на комплексной плоскости частоты, после чего проводится преобразование интегралов методами теории функций комплексного переменного. Полученные выражения для компонент полного поля представляют собой сумму трех слагаемых: волновое поле (поле излучения Вавилова-Черенкова), «квазикулоновское» (или квазистатическое) поле и так называемый «плазменный след». Такое представление имеет преимущества по сравнению с исходными интегралами по вещественной оси, к числу которых относится ясный физический смысл и определенные преимущества при вычислении отдельных компонент. В параграфе 1.2 также описан эффективный алгоритм численного расчета, использующий определенную трансформацию контура интегрирования. Приводятся типичные графические результаты, полученные при помощи данного алгоритма.
В параграфе 1.3 сходная методика применяется к анализу поля заряда, движущегося в левой среде, у которой диэлектрическая и магнитная проницаемости отрицательны в одном и том же диапазоне частот. При этом используется резонансная модель для магнитной проницаемости и плазменная модель для диэлектрической проницаемости. Получено разложение полного поля на волновую часть, «квазикулоновскую» часть и плазменный след. Представлены типичные графические результаты для полного поля. Проведен анализ энергетических диаграмм излучения. Продемонстрированы различия характеристик излучения в обычной (правой) среде и в левой среде, где излучение Вавилова-Черенкова (ИВЧ) носит «обратный» характер, т. е. максимум диаграммы составляет тупой угол с направлением скорости движения заряда. Отмечены также ситуации, когда имеется как обычное, так и обратное ИВЧ.
В параграфе 1.4 проведено аналогичное аналитическое и численное исследование для случая анизотропной негиротропной одноосной среды с плазменной зависимостью компонент тензора диэлектрической проницаемости от частоты. Особое внимание уделено такой ситуации, когда ИВЧ носит обратный характер.
Вторая глава посвящена исследованию поля частицы, которая влетает из вакуума в полупространство, заполненное левой средой.
В параграфе 2.1 приводится мотивация необходимости исследования данного явления.
В параграфе 2.2 выполняется постановка задачи, приводятся известные общие интегральные выражения для компонент поля, выбираются модели дисперсии для описания обеих сред. Далее проводится анализ особенностей подынтегральных выражений и описываются применяемые методы (аналитический и численный).
В параграфе 2.3 описывается получение асимптотических представлений для Фурье-гармоник компонент поля в области вакуума. Определяется седловая точка, строится КНС и исследуется возможность захвата полюсов при трансформации исходного контура к КНС. Вклады этих полюсов описывают ИВЧ, вышедшее из левой среды в вакуумную область. Это излучение названо «обратным черенковско-переходным излучением» (ОЧПИ). Подобно переходному излучению (ПИ), оно возникает при наличии границы раздела, а, подобно черенковскому, имеет место при выполнении в среде черенковского условия. Показывается, что ОЧПИ в вакууме, является «двухбарьерным» эффектом: оно генерируется в определенном диапазоне скоростей движения частицы. Нижний предел — это черенковский барьер для левой среды, а верхний предел связан с полным внутренним отражением волн ИВЧ от границы раздела. Показывается также, что вакуумное ОЧПИ является двухпороговым эффектом и по частоте, что представляется весьма перспективным для приложений. Проведенное исследование включает также анализ поведения поля в переходных областях (областях «полутени»).
В параграфе 2.4 проведено аналогичное исследование для полупространства, заполненного левой средой. Получены асимптотические представления, справедливые, в том числе, и в областях «полутени».
В параграфе 2.5 проводится анализ влияния малых потерь в среде на распространение волн излучения. Показано, что потери в среде приводят к ослаблению излучения не только в среде, но и в вакууме. Даются оценки областей существенности ПИ, ИВЧ и ОЧПИ. Эти оценки показывают, что вакуумное ОЧПИ может быть обнаружено в эксперименте.
В параграфе 2.6 описывается алгоритм численного расчета как Фурье-гармоник поля, так и полного поля. При этом никаких ограничений не накладывается, расчет проводится по строгим формулам. Представлены типичные численные результаты, иллюстрирующие основные эффекты, в том числе эффект ОЧПИ. Для Фурье-гармоник дано сравнение результатов численного расчета и расчета по асимптотическим формулам, демонстрирующее хорошее совпадение в области применимости последних. Результаты расчета полного поля показывают, что ОЧПИ является доминирующим эффектом при определенных временах и расстояниях.
В третьей главе рассматривается задача о влете частицы в электрически анизотропную негиротропную одноосную среду, компоненты тензора диэлектрической проницаемости которой обладают дисперсией плазменного типа, а оптическая ось ортогональна границе раздела.
Проводится анализ особенностей подынтегральных выражений для Фурье-образов компонент электромагнитного поля (параграф. 3.2). С помощью метода перевала строятся асимптотики в дальней (по отношению к точке влета) зоне в вакууме (параграф 3.3) и в среде (параграф 3.4).
В процессе получения асимптотик поля получены, в частности, условия генерации вакуумного ОЧПИ. Показано, что ОЧПИ в такой ситуации имеет только один порог по скорости (причем он связана эффектом полного внутреннего отражения), но, тем не менее, два порога по частоте. Проведена оценка областей «полутени». Выявлено влияние диссипации в среде на ОЧПИ в вакууме. Оценены области существенности ОЧПИ. Для полупространства, заполненного средой, также построены асимптотики, оценены области «полутени» и рассмотрено влияние диссипации на различные компоненты поля.
Численные расчеты проводятся на основании строгих формул (параграф 3.5). Описывается алгоритм численного расчета, приводятся характерные графические результаты, которые сравниваются с результатами расчета по асимптотическим формулам. Проводится также сравнение с соответствующими результатами для случая левой среды. Отмечены, в частности, существенные отличия свойств ОЧПИ в этих двух задачах.
В заключении перечислены основные результаты, полученные в диссертации.
В приложении, А приводится вывод выражений для поля равномерно движущегося заряда с использованием принципа причинности. В приложениях Б и В производится анализ возможности генерации поверхностных волн на границе раздела в случае изотропной левой среды и в случае рассматриваемой анизотропной среды.
Положения и результаты, выносимые на защиту.
1. Результаты исследования электромагнитного поля заряда, равномерно движущегося в изотропной многорезонансной среде, изотропной левой среде и анизотропной одноосной среде с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости, из которых вытекает следующее: а) Поле равномерно движущегося заряда представимо в виде суммы волнового поля, квазистатического поля и «плазменного следа». б) Для численного расчета поля целесообразно использовать алгоритм интегрирования по определенному контуру в комплексной плоскости, обеспечивающему плавное поведение подынтегральных функций и их наискорейшее убывание при больших значениях переменной интегрирования. в) Поле излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) в левой среде сильнее отстает от заряда по сравнению со случаем обычной среды.
2. Результаты исследования полного поля заряда, влетающего из вакуума в изотропную левую среду, которые подтверждают возможность обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ) и выявляют следующие его свойства: а) ОЧПИ в вакууме имеет как нижний порог по скорости (связанный с порогом генерации ИВЧ), так и верхний порог (связанный с полным внутренним отражением ИВЧ от границы) — диапазон частот ОЧПИ также имеет нижнюю и верхнюю границы. б) Наличие поглощения-в среде приводит к ослаблению ОЧПИ не только в среде, но и вакууме, причем в вакууме влияние диссипации минимально в областях «полутени». в) ОЧПИ в вакууме может быть основным видом излучения при определенных временах наблюдения.
3. Результаты исследования электромагнитного поля заряда, влетающего из вакуума в анизотропную одноосную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости, из которых вытекает следующее: а) Как и в случае левой среды, объемное излучение в вакуумной области может содержать ОЧПИ, однако, в отличие от случая левой среды, волны ОЧПИ не интерферируют друг с другом: б) В отличие от случая левой среды, ОЧПИ в вакууме имеет только нижний порог по скорости, связанный с полным внутренним отражением ИВЧ от границыдиапазон частот ОЧПИ ограничен как снизу, так и сверху. в) Наличие поглощения в среде приводит к ослаблению ОЧПИ в вакууме, причем наименьшее ослабление имеет место в областях «полутени».
Публикации и апробации.
Все основные результаты диссертации отражены в 12 публикациях [63−74], в том числе статьях [70−74], тезисах докладов на конференциях [63−66] и полнотекстовых докладах в трудах конференций [67−69]. Ещё одна статья принята к печати [75].
Вошедшие в диссертацию результаты докладывались на X Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (СПб, 2006) [63], Региональных XI, XIV и XVI конференциях по распространению радиоволн (СПб, 2005, 2008 и 2010) [64−66], ведущих международных конференциях в области физики ускорителей «Particle Accelerator Conference (РАС09)» (Ванкувер, Канада, 2009) [67] и «International Particle Accelerator Conference (IPAC10)» (Киото, Япония, 2010) [68], международной конференции «Days on Diffraction» (СПб, 2009) [69] и VIII международном симпозиуме «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures (RREPS-09)» (Москва, Звенигород, 2009) [70].
3.6. Выводы.
В данной главе было проанализировано электромагнитное поле, возникающее при пересечении заряженной частицей границы раздела между вакуумом и электрически анизотропной немагнитной средой. Был рассмотрен случай, когда тензор диэлектрической проницаемости имеет диагональный вид, типичный для одноосных кристаллов, причем его компоненты обладают дисперсией плазменного типа. Для сравнения было рассмотрено два возможных соотношения плазменных частот, при которых генерируемое в среде излучение Вавилова-Черенкова носит либо прямой, либо обратный характер.
Электромагнитное поле исследовалось с помощью двух методов. Первый из них основан на применении метода перевала для построения асимптотик поля в дальней по отношению к точке влета зоне. Как и в случае левой среды (глава 2) в поле объемного излучения основную роль играют сферические волны переходного излучения (вклад седловой точки) и цилиндрические волны излучения Вавилова-Черенкова (ИВЧ) и обратного черенковско-переходного излучения (ОЧПИ). Была построена неравномерная асимптотика, учитывающая указанные типы объемных волн. Данная асимптотика корректно описывает поведение электромагнитного поля вне переходных областей (областей полутени"), внутри которых происходит переход от наличия волн ОЧПИ к их отсутствию. При учете конечных потерь в среде области «полутени» оказываются ограниченными и по углу, и по расстоянию (ограничение по расстоянию возникает вследствие затухания волн ИВЧ в среде).
Были найдены условия генерации ОЧПИ, которые являются условиями захвата соответствующих полюсов при трансформации исходного контура интегрирования к контуру наискорейшего спуска. В отличие от случая левой среды ОЧПИ в вакуумной области имеет только нижний порог по скорости движения частицы, причем этот порог связан с полным внутренним отражением. В частотной области вакуумное ОЧПИ имеет как нижний, так и верхний пороги. Нижний порог совпадает с одной из плазменных частот, а верхний порог, монотонно возрастающий с ростом скорости, связан с полным внутренним отражением на границе.
Был проведен анализ влияния потерь в среде на распространение указанных типов излучения (переходное излучение, излучение Вавилова-Черенкова и ОЧПИ) и оценены пространственные области их существенности. Как и в случае левой среды, наличие потерь в среде приводит к ослаблению волн ОЧПИ не только в среде, но и вакуумной области. Максимальное расстояние от точки влета заряда в среду, на котором ОЧПИ в вакууме является значимым эффектом, составляет (при использовании реалистичных параметров анизотропной среды) величину порядка тысячи длин волн. Эта величина представляется вполне достаточной для регистрации излучения в эксперименте и его использования в целях диагностики пучков частиц или диагностики свойств материалов.
Другой метод исследования полного поля состоял в применении разработанного численного алгоритма для расчета Фурье-гармоник поля по точным формулам. С помощью данного метода было исследовано пространственное и спектральное распределение Фурье-гармоник полного поля. Результаты для Фурье-гармоник подтверждают все выводы аналитического исследования, в частности, наличие эффекта ОЧПИ и его свойства. Отметим, чго в целях диагностики (пучков частиц или свойств материалов) могут быть использованы, прежде всего, граничные частоты в спектре вакуумного ОЧПИ.
Заключение
.
В настоящей диссертации был рассмотрен ряд задач об излучении движущегося заряда в присутствии материальной среды. Прежде всего, это анализ поля заряда, равномерно движущегося в безграничной среде с частотной дисперсией. Были проанализированы случай среды с произвольным числом резонансных частот, случай «левой» среды (среды с отрицательным показателем преломления) и случай анизотропной плазмоподобной среды. Во всех трех ситуациях компоненты электромагнитного поля заряда были представлены в виде суммы физически различных составляющих: «квазикулоновской» (квазистатической) составляющей, волновой составляющей и составляющей «плазменного следа» (если таковая имеется). Было показано, что полученные выражения обладают рядом преимуществ по сравнению с ранее известными. Также был разработан эффективный метод численного расчета полного поля, использующий определенную трансформацию исходного контура интегрирования. Среди наиболее ярких эффектов следует отметить более сильное отставание волнового поля от заряда в левой среде по сравнению со случаем обычной (правой) среды. Данный эффект является следствием обратного характера излучения Вавилова-Черенкова в левой среде. Аналогичный, но менее выраженный эффект наблюдался и при рассмотрении анизотропной среды в такой ситуации, когда генерируемое излучение Вавилова-Черенкова носит обратный характер.
Далее были рассмотрены две задачи, посвященные анализу поля заряда, пересекающего границу раздела между вакуумом и средой. Было рассмотрено два случая: когда заряд влетает в левую среду и когда он влетает в электрически анизотропную среду с плазменной дисперсией компонент тензора диэлектрической проницаемости.
Электромагнитное поле исследовалось с помощью двух методов. Первый из них основан на применении метода перевала для построения асимптотик поля в дальней (по отношению к точке влета) зоне. При этом в обеих граничных задачах была построена асимптотика, учитывающая главные члены объемного излучения — сферические и цилиндрические волны. Были найдены условия, при которых равномерная асимптотика переходит в неравномерную, и оценены области «полутени».
В случае, когда генерируемое в среде излучение Вавилова-Черенкова носит обратный характер (а это имеет место как для левой среды, так и для анизотропной среды при определенных условиях), в вакууме генерируется излучение, названное «обратным черенковско-переходным излучением» (ОЧПИ). Найдены условия генерации ОЧПИ и показано, что в случае левой среды ОЧПИ в вакуумной области является двухпороговым эффектом как по скорости движения частицы, так и по частоте. Нижний порог совпадает с порогом генерации излучения Вавилова-Черенкова, а верхний порог связан с полным внутренним отражением на границе. В случае анизотропной среды ОЧПИ в вакууме имеет только нижний порог по скорости, связанный с полным внутренним отражением.
Был проведен анализ влияния потерь в среде на распространение волн переходного излучения, излучение Вавилова-Черенкова и ОЧПИ, а также были оценены пространственные области их существенности. Интересно отметить, что наличие потерь в среде приводит к затуханию волн ОЧПИ не только в среде (что естественно), но и вакуумной области. Это объясняется тем, что излучение Вавилова-Черенкова, порождающее ОЧПИ, проходит определенный путь в среде, прежде чем достигнет границы и преломится в вакуумную область. Проведенные оценки размеров областей существенности для реалистичных параметров сред свидетельствуют о том, что ОЧПИ в вакуумной области может быть уверенно зарегистрировано в эксперименте и использовано в целях диагностики пучков частиц или свойств метаматериалов.
Другой метод исследования состоял в применении разработанного численного алгоритма для расчета Фурье-гармоник поля и полного поля по точным формулам. С помощью данного метода было исследовано пространственное и спектральное распределение Фурье-гармоник полного поля. Результаты для Фурье-гармоник подтверждают все выводы аналитического исследования, в частности, возможность эффекта ОЧПИ и его пороговые свойства. Для случая левой среды было также рассчитано полное поле и показано, что обратное черенковско-переходное излучение может быть доминирующим типом излучения.
Отметим, что полученные результаты могут применяться как для диагностики пучков заряженных частиц, так и для определения электромагнитных характеристик различных материалов. К примеру, весьма привлекательными для этих целей представляются пороговые свойства обратного черенковско-переходного излучения.
