Введение. 
Движение заряженной частицы в поле квазимонохроматической и квазиплоской электромагнитной волны

Актуальность темы

Задача о движении заряженной частицы в поле монохроматической плоской электромагнитной волны была поставлена и решена сравнительно давно. Так в квантовой формулировке она была решена Волковым [1−2] в сер. 1930_х гг., а затем немного позднее в классической формулировке — Френкелем [3] и Ландау и Лифшицем [4] (к концу 1940;х). Уже в наше время к различным аспектам и модификациям этой задачи обращались В. А. Буц и А. В. Буц, Б. М. Болотовский, А. В. Серов, М. В. Федоров, В. С. Летохов, С. П. Гореславский, В. П. Макаров, А. А. Рухадзе, В. П. Тараканов, С. Н. Андреев, Ю. И. Еремеичева и др. [5−10]. Кроме как в строго монохроматической электромагнитной волне [9−13] движение заряженной частицы аналитически точно вычисляется в поле волнового пакета с резкими передней и задней границами [14−15]. Следовательно, некоторый интерес представляет и поиск иных, ранее не изученных, аналитически вычислимых случаев импульсов с плоским волновым фронтом.

Задача о движении заряженных частиц во внешних полях может быть по-разному обобщена, конкретизирована или модифицирована. О движении заряженных частиц в стационарных электрическом и магнитном полях см., например, [16, с. 179−183]-[17]. О движении заряженных частиц в плазме применительно к электронным и ионным пучкам в дрейфовом пространстве с ионизированным газом см., например, [18]. Однако для изучения движения заряженных частиц в поле лазерного импульса большой практический интерес представляет обобщение классической задачи на тот случай, когда амплитуда электромагнитной волны меняется во времени [5−7] и пространстве [19−22].

Цель выпускной квалификационной работы: расчёт движения заряженной частицы в поле электромагнитной волны, в том числе с использованием адиабатического приближения.

Задачи:

• 1. Формулировка физико-математической модели движения заряженной частицы в поле электромагнитной волны.
• 2. Применение адиабатического приближения для описания движения заряженной частицы в поле квазимонохроматической и квазиплоской электромагнитной волны.
• 3. Вычисление и оценка некоторых величин, характеризующих движение заряженной частицы в поле электромагнитного импульса.

Научная новизна

Среди результатов, претендующих на научную новизну, можно перечислить следующие: рассчитано движение релятивистской заряженной частицы в поле плоского электромагнитного импульса без использования векторного потенциала; найден ряд новых интегрируемых форм импульсов для уравнения движения заряженной частицы в плоской немонохроматической электромагнитной волне; найдено дифференциальное уравнение, описывающее функциональную часть осцилляторных интегралов, возникающих в выражениях для координат частицы в плоской волне; получено выражение для величины сдвига первоначально покоившейся заряженной частицы в направлении распространения воздействующего на неё плоского электромагнитного импульса с гауссовым профилем; это выражение верифицировано с помощью компьютерного PIC-моделирования; составлена обобщенная схема расчета движения первоначально покоившейся заряженной частицы в поле плоского электромагнитного импульса, математически заданного функцией с компактным носителем; обнаружена возможность невозвращения первоначально покоившейся частицы на начальную позицию в поперечном направлении после прохождения импульсов с симметричными и несимметричными фронтами; предложены экспериментальные схемы для демонстрации продольного и поперечного смещения заряженных частиц в поле лазерного импульса; получены выражения, приближенно описывающие движение заряженной частицы в ближней и дальней зоне сферической электромагнитной волны. Научная новизна результатов данной работы тесно связана с личным вкладом автора.

Личный вклад автора

Автором осуществлялось самостоятельное планирование работы, разделение задач на подзадачи, в большинстве случаев — выбор средств решения, выполнение необходимых аналитических расчетов, анализ и интерпретация результатов, частичный поиск литературных источников, определение структуры диссертации. При непосредственном участии автора стала возможна публикация [23] в международном журнале «Laser Physics».

Практическая значимость результатов

Результаты работы лежат в области взаимодействия электромагнитного излучения с веществом, поэтому представляют интерес для лазерной физики и физики плазмы, а также могут иметь практический выход на расчёт, разработку и конструирование электроннои ионно-оптических приборов, основанных на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными волнами.

Апробация работы.

Различные элементы и результаты магистерской диссертации были представлены на конференциях:

• 1. 57-ая научная конференция МФТИ: Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в области физики» и Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы фундаментальных и прикладных наук в современном информационном обществе», МФТИ, г. Долгопрудный, 24−29 ноября 2014.
• 2. XLII Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Российская академия наук, г. Звенигород, 9−13 февраля 2015 г.
• 3. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е. В. Арменского, МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, 3−13 февраля 2015 г.
• 4. IV Международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий», НИЯУ МИФИ, г. Москва, 17−22 марта 2015.
• 5. 13-е международное совещание по физике сложных систем заряженных частиц и их взаимодействию с электромагнитным излучением, Российская академия наук, Федеральное агентство научных организаций, г. Москва, 8−10 апреля 2015.
• 6. 3-я конференция молодых ученых ИОФ РАН, ИОФ РАН, г. Москва, 28 апреля 2015.

Публикации

Помимо тезисов конференций, результаты работы опубликованы в статье [24] сборника трудов конференции МФТИ и в уже упомянутой статье [23] в международном журнале «Laser Physics», входящем в реферативную базу «Web of Science».

Структура магистерской диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст работы представлен на 87 страницах с 11 рисунками, 4 таблицами и более чем 150 нумерованными формулами. В списке литературы содержится 63 наименования.

Благодарности

Д.ф.-м.н. Андрееву С. Н. за предложение темы исследования и руководство практикой от Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН.