Impact of wave phase jumps on stochastic heating
Interaction of charged particles with fields of random waves brings about known effects of stochastic acceleration and heating. Jumps of wave phases can increase the intensity of these processes substantially. Numerical simulation of particle heating and acceleration by waves with regular phases, wa...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2017 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2017
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122128 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Impact of wave phase jumps on stochastic heating / V.I. Zasenko, A.G. Zagorodny, O.М. Cherniak // Вопросы атомной науки и техники. — 2017. — № 1. — С. 60-63. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-122128 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Zasenko, V.I. Zagorodny, A.G. Cherniak, O.М. 2017-06-27T18:06:37Z 2017-06-27T18:06:37Z 2017 Impact of wave phase jumps on stochastic heating / V.I. Zasenko, A.G. Zagorodny, O.М. Cherniak // Вопросы атомной науки и техники. — 2017. — № 1. — С. 60-63. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.65.Cc https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122128 Interaction of charged particles with fields of random waves brings about known effects of stochastic acceleration and heating. Jumps of wave phases can increase the intensity of these processes substantially. Numerical simulation of particle heating and acceleration by waves with regular phases, waves with jumping phase and stochastic electric field impulses is performed. Comparison of the results shows that to some extent an impact of phase jumps is similar to the action of separate field impulses. Jumps of phase not only increase the intensity of resonant particle heating but involves in this process non-resonant particles from a wide range of initial velocities. Взаимодействие заряженных частиц с полями случайных волн приводит к известным эффектам стохастического ускорения и нагрева. Скачки фаз волн могут существенно увеличить интенсивность этих процессов. Выполнено численное моделирование процессов нагрева и ускорения частиц волнами с регулярными фазами, волнами со скачками фазы и случайными импульсами электрического поля. Сравнение результатов показывает, что влияние скачков фазы волн на нагрев частиц в значительной степени подобно действию отдельных импульсов поля. Скачки фазы волн не только увеличивают интенсивность нагрева резонансных частиц, но и вовлекают в этот процесс нерезонансные частицы в широком диапазоне начальных скоростей. Взаємодія заряджених частинок з полями випадкових хвиль спричиняє відомі ефекти стохастичного прискорення та нагрівання. Стрибки фаз хвиль можуть суттєво збільшити інтенсивність цих процесів. Виконано числове моделювання процесів нагрівання та прискорення частинок хвилями з регулярними фазами, хвилями зі стрибками фази та випадковими імпульсами електричного поля. Порівняння результатів показує, що вплив стрибків фази хвиль на нагрівання частинок значною мірою є подібним до дії окремих імпульсів поля. Стрибки фази хвиль не тільки збільшують інтенсивність нагрівання резонансних частинок, але й залучають до цього процесу нерезонансні частинки в широкому діапазоні початкових швидкостей. The work is supported by the Program on Plasma Physics, Controlled Fusion and Plasma Technology of the National Academy of Sciences of Ukraine, project No П-7/63. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Фундаментальная физика плазмы Impact of wave phase jumps on stochastic heating Влияние скачков фазы волн на стохастический нагрев Вплив стрибків фази хвиль на стохастичне нагрівання Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating |
| spellingShingle |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating Zasenko, V.I. Zagorodny, A.G. Cherniak, O.М. Фундаментальная физика плазмы |
| title_short |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating |
| title_full |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating |
| title_fullStr |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating |
| title_full_unstemmed |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating |
| title_sort |
impact of wave phase jumps on stochastic heating |
| author |
Zasenko, V.I. Zagorodny, A.G. Cherniak, O.М. |
| author_facet |
Zasenko, V.I. Zagorodny, A.G. Cherniak, O.М. |
| topic |
Фундаментальная физика плазмы |
| topic_facet |
Фундаментальная физика плазмы |
| publishDate |
2017 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Влияние скачков фазы волн на стохастический нагрев Вплив стрибків фази хвиль на стохастичне нагрівання |
| description |
Interaction of charged particles with fields of random waves brings about known effects of stochastic acceleration and heating. Jumps of wave phases can increase the intensity of these processes substantially. Numerical simulation of particle heating and acceleration by waves with regular phases, waves with jumping phase and stochastic electric field impulses is performed. Comparison of the results shows that to some extent an impact of phase jumps is similar to the action of separate field impulses. Jumps of phase not only increase the intensity of resonant particle heating but involves in this process non-resonant particles from a wide range of initial velocities.
Взаимодействие заряженных частиц с полями случайных волн приводит к известным эффектам стохастического ускорения и нагрева. Скачки фаз волн могут существенно увеличить интенсивность этих процессов. Выполнено численное моделирование процессов нагрева и ускорения частиц волнами с регулярными фазами, волнами со скачками фазы и случайными импульсами электрического поля. Сравнение результатов показывает, что влияние скачков фазы волн на нагрев частиц в значительной степени подобно действию отдельных импульсов поля. Скачки фазы волн не только увеличивают интенсивность нагрева резонансных частиц, но и вовлекают в этот процесс нерезонансные частицы в широком диапазоне начальных скоростей.
Взаємодія заряджених частинок з полями випадкових хвиль спричиняє відомі ефекти стохастичного прискорення та нагрівання. Стрибки фаз хвиль можуть суттєво збільшити інтенсивність цих процесів. Виконано числове моделювання процесів нагрівання та прискорення частинок хвилями з регулярними фазами, хвилями зі стрибками фази та випадковими імпульсами електричного поля. Порівняння результатів показує, що вплив стрибків фази хвиль на нагрівання частинок значною мірою є подібним до дії окремих імпульсів поля. Стрибки фази хвиль не тільки збільшують інтенсивність нагрівання резонансних частинок, але й залучають до цього процесу нерезонансні частинки в широкому діапазоні початкових швидкостей.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122128 |
| citation_txt |
Impact of wave phase jumps on stochastic heating / V.I. Zasenko, A.G. Zagorodny, O.М. Cherniak // Вопросы атомной науки и техники. — 2017. — № 1. — С. 60-63. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT zasenkovi impactofwavephasejumpsonstochasticheating AT zagorodnyag impactofwavephasejumpsonstochasticheating AT cherniakom impactofwavephasejumpsonstochasticheating AT zasenkovi vliânieskačkovfazyvolnnastohastičeskiinagrev AT zagorodnyag vliânieskačkovfazyvolnnastohastičeskiinagrev AT cherniakom vliânieskačkovfazyvolnnastohastičeskiinagrev AT zasenkovi vplivstribkívfazihvilʹnastohastičnenagrívannâ AT zagorodnyag vplivstribkívfazihvilʹnastohastičnenagrívannâ AT cherniakom vplivstribkívfazihvilʹnastohastičnenagrívannâ |
| first_indexed |
2025-11-26T03:02:16Z |
| last_indexed |
2025-11-26T03:02:16Z |
| _version_ |
1850609662002462720 |
| fulltext |
BASIC PLASMA PHYSICS
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2017. №1(107)
60 PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2017, № 1. Series: Plasma Physics (23), p. 60-63.
IMPACT OF WAVE PHASE JUMPS ON STOCHASTIC HEATING
V.I. Zasenko, A.G. Zagorodny, O.М. Cherniak
Bogolyubov Institute for Theoretical Physics, Kіеv, Ukraine
E-mail: zasenko@bitp.kiev.ua
Interaction of charged particles with fields of random waves brings about known effects of stochastic
acceleration and heating. Jumps of wave phases can increase the intensity of these processes substantially.
Numerical simulation of particle heating and acceleration by waves with regular phases, waves with jumping phase
and stochastic electric field impulses is performed. Comparison of the results shows that to some extent an impact of
phase jumps is similar to the action of separate field impulses. Jumps of phase not only increase the intensity of
resonant particle heating but involves in this process non-resonant particles from a wide range of initial velocities.
PACS: 52.65.Cc
INTRODUCTION
As known, particles are heating up in collisions with
a field of random waves. Jumps of wave phases can
substantially increase the intensity of heating. Waves
with jumping phases can also penetrate in overdense
plasma, and initiate a new type of discharge [1, 2] which
can be interesting for applications. Various regimes of
particle heating by waves with jumping phases were
considered earlier [2, 3]. Quasilinear theory for a field
with exponentially decaying correlation function due to
wave phase jumps was proposed in the early paper [4].
Here we analyze a contribution of wave phase jumps
to heating intensity numerically. Decomposition of the
waves with stochastically jumping phase on waves with
regular phases and stochastic impulses is carried out and
contribution of both components to heating process is
found. Such decomposition is not exactly defined in
numerical simulation as far as particle heating intensity
depends on duration of field impulses; however it
establishes correspondence between impulses and phase
jumps.
Evolution of mean square velocity and velocity
dispersion of resonant and non-resonant groups of
particles is calculated from numerical simulation. The
processes of particle heating by waves with regular
phases as well as waves with jumping phase and
stochastic electric field impulses are compared. It is
shown that main contribution to particle heating gives
jumps of phase which to some extent act similarly to
separate impulses of electric field.
1. MODEL
We consider particles diffusion in velocity space in
the external random electric field that is a superposition
of 10 waves
1
10
( , ) co )s ,(i i i
i
x t t x tk (1)
with a fixed frequency ω and wave numbers around a
central value k0. A total intensity of the field is
distributed between partial waves as
2
2 2 0
0
2
e p .x i
i
k kk
k k
The parameters of a spectrum are dimensionless
amplitude of potential σ = (e/m) (k0/ω)
2
φ0 = 0.01 and
spectrum width d = ( k k0) = 0.04 where e and m are
charge and mass of a particle. Set of random phases i
remains constant within each realization of a field,
while a common phase (t) jumps in a course of particle
motion. It may jump on arbitrary value with a frequency
f (normalized to inverse wave period) with probability
of phase jump pr.
To consider particle heating in absence of phase
jumps we take pr=0. It is compared with two cases of
waves with phase jumps which may occur once or twice
during a wave period (f = 1, or 2) with probability
pr = 0.2, or 0.1 respectively.
To identify the net effect of phase jumps the particle
heating by separate field impulses is also considered. In
numerical model we put electric field equal zero almost
everywhere except for time steps in which jumps of the
phase (t) would occur. For f = 2, p = 0.1 impulses are
half as long as for f = 1, pr = 0.2 but their averaged
number per unit time is the same.
2. RESULTS
Results of numerical simulation of particle
acceleration and diffusion in velocity space undergoing
the external random electric field (1) with jumps of
phase (t), as well as without jumps of phase, (t) = 0;
and in a field of separate impulses, which arise at the
same moments of time as jump of phases occur, are
given in this section. Time is normalized to 2 /ω and
length to 2 /k0. Three types of fields are shown in
Figs. 1a, 2a, 3a, and corresponding velocities of two
individual particles are given in Figs. 1b, 2b, 3b.
Despite the fields of waves with and without phase
jumps shown in Figs. 2a and 3a look rather similar,
motion of particles that were initially in resonance with
waves are different. A resonant particle in waves
without phase jumps all time remains in a resonance
region of velocity space (see Fig. 3b) whereas it may
wander at a large extension in velocity space in waves
with phase jumps (see Fig. 2b).
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2017. №1(107) 61
-0.1
0
0.1
0 40 80
fi
e
ld
time
Jumps
Fig. 1a. Separate impulses of electric fields that
corresponds jumps of wave phase
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400
v
e
lo
c
it
y
time
Jumps
Fig. 1b. Velocity of two particles undergoing
impulses of electric fields
-0.1
0
0.1
0 40 80
fi
e
ld
time
Waves with phase jumps
Fig. 2a. Field of 10 waves with jumps of phase
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400
v
e
lo
c
it
y
time
Waves with phase jumps
Fig. 2b. Velocity of two resonant particles
in waves with jumps of phase
-0.1
0
0.1
0 40 80
fi
e
ld
time
Waves
Fig. 3a. Field of 10 waves, no jump of phase
0.5
1
1.5
0 100 200 300 400
v
e
lo
c
it
y
time
Waves
Fig. 3b. Velocity of two resonant particles
in waves without jumps of phase
Thus jumps of phase introduce the effect of a noise with
a wide spectrum.
In Figs. 4-7 the results of statistical averaging of
particle trajectories in velocity space found in numerical
simulation for various realization of field (1) are given.
Evolution of particle velocity dispersion (left) and mean
velocity (right) reflects the effects of stochastic heating
and acceleration.
Heating of the resonant group of particles with
dimensionless initial velocities V0 = 1 is given in
Fig. 4a. The intensity of heating is considerably higher
in waves with jump of phases. The velocity dispersion
still continues to grow when heating by field impulses
already reaches saturation.
More interesting is a strong interaction between non-
resonant particles and waves with jumps of phase
(Figs. 5, 6), which are heating even faster than resonant
ones (see Figs. 5a, 6a). Indeed, the impact of phase
jumps on particle heating is most pronounced for non-
resonant particles as far as their interaction with waves
in absence of phase jumps is negligible. Along with
heating, waves with jumping phase accelerate or
decelerate particles (see Figs. 5b, 6b) until their
velocities approach the interval of wave phase
velocities.
62 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2017. №1(107)
0
0.2
0.4
0.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
d
is
p
v
time
f=1, pr=.2; Vo=1, Vph=1
JW
J
W
Fig. 4a. Velocity dispersion, V0=1, Vph=1.
Waves with jumps of phase – JW, field of separate
impulses – J, waves without jumps of phase – W
0.95
1
1.05
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
a
v
r
v
time
f=1, pr=.2; Vo=1, Vph=1
JW
J
W
Fig. 4b. Mean velocities of resonant particles,
V0=1, Vph=1
0
0.2
0.4
0.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
d
is
p
v
time
f=1, pr=.2; Vo=0, Vph=1
JW
J
W
Fig. 5a. Velocity dispersion, V0=0, Vph=1
0
0.2
0.4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
a
v
r
v
time
f=1, pr=.2; Vo=0, Vph=1
JW
J
W
Fig. 5b. Particle acceleration in waves, V0=0, Vph=1
0
0.2
0.4
0.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
d
is
p
v
time
f=1, pr=.2; Vo=1, Vph=0
JW
J
W
Fig. 6a. Velocity dispersion, V0=1, Vph=0
0.7
1
1.3
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
a
v
r
v
time
f=1, pr=.2; Vo=1, Vph=0
JW
J
W
Fig. 6b. Particle deceleration in waves, V0=1, Vph=0
0
0.2
0.4
0.6
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
d
is
p
v
time
f=2, pr=.1; Vo=0, Vph=1
JW
J
W
Fig. 7a. Velocity dispersion, V0=0, Vph=1,
the same initial condition as in Fig. 5a,
but impulses are twice shorter
0
0.2
0.4
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
a
v
r
v
time
f=2, pr=.1; Vo=0, Vph=1
JW
J
W
Fig. 7b. Particle acceleration in waves, V0=0, Vph=1,
the same initial condition as in Fig. 5b,
but impulses are twice shorter
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2017. №1(107) 63
Figs. 4-7 indicate the correspondence between
particle heating by separate impulses of electric field
and waves with jumping phase when impulses and
phase jumps occur with equal frequencies defined by
the product f × pr=0.2. Along with this heating by
impulses depends also on its duration, which in
simulation is proportional to 1/f. Comparison of Fig. 5
with Fig. 7 shows that shorter impulses brings out more
intensive heating and acceleration of particles.
CONCLUSIONS
Numerical simulation of particle heating and
acceleration by waves with regular phases, waves with
jumping phase and stochastic electric field impulses was
performed. Comparison of the results shows some
similarity between an impact of wave phase jumps and
the action of separate field impulses.
Jumps of wave phase not only significantly increase
the intensity of resonant particle heating but involves in
this process non-resonant particles from a wide range of
initial velocities. Thus a number of particles directly
heated by waves can be considerably increased.
ACKNOWLEDGEMENTS
The work is supported by the Program on Plasma
Physics, Controlled Fusion and Plasma Technology of
the National Academy of Sciences of Ukraine, project
No П-7/63.
REFERENCES
1. V.I. Karas’, Ya.B. Fainberg, A.F. Alisov, et al.
Interaction of microwave radiation undergoing
stochastic phase jumps with plasmas or gases // Plasma
Physics Reports. 2005, v. 31, p. 748-760.
2. A.F. Alisov, A.M. Artamoshkin, et al. Low-pressure
discharge induced by microwave radiation with a
stochastically jumping phase // Plasma Physics Reports.
2010, v. 36, p. 736-749.
3. V.I. Zasenko, А.G. Zagorodny, O.M. Chernyak.
Particle diffusion in a wave with randomly jumping
phase //Problems of Atomic Science and Technology.
Series “Plasma Physics” (21). 2015, № 1, p. 62.
4. F.G. Bass, Ya.B. Fainberg, V.D. Shapiro. Quasilinear
theory of a weakly turbulent plasma with account of
correlation of electric fields // JETP. 1966, v. 22,
p. 230-233.
Article received 12.12.201.
ВЛИЯНИЕ СКАЧКОВ ФАЗЫ ВОЛН НА СТОХАСТИЧЕСКИЙ НАГРЕВ
В.И. Засенко, А.Г. Загородний, А.Н. Черняк
Взаимодействие заряженных частиц с полями случайных волн приводит к известным эффектам
стохастического ускорения и нагрева. Скачки фаз волн могут существенно увеличить интенсивность этих
процессов. Выполнено численное моделирование процессов нагрева и ускорения частиц волнами с
регулярными фазами, волнами со скачками фазы и случайными импульсами электрического поля.
Сравнение результатов показывает, что влияние скачков фазы волн на нагрев частиц в значительной степени
подобно действию отдельных импульсов поля. Скачки фазы волн не только увеличивают интенсивность
нагрева резонансных частиц, но и вовлекают в этот процесс нерезонансные частицы в широком диапазоне
начальных скоростей.
ВПЛИВ СТРИБКІВ ФАЗИ ХВИЛЬ НА СТОХАСТИЧНЕ НАГРІВАННЯ
В.І. Засенко, А.Г. Загородній, О.М. Черняк
Взаємодія заряджених частинок з полями випадкових хвиль спричиняє відомі ефекти стохастичного
прискорення та нагрівання. Стрибки фаз хвиль можуть суттєво збільшити інтенсивність цих процесів.
Виконано числове моделювання процесів нагрівання та прискорення частинок хвилями з регулярними
фазами, хвилями зі стрибками фази та випадковими імпульсами електричного поля. Порівняння результатів
показує, що вплив стрибків фази хвиль на нагрівання частинок значною мірою є подібним до дії окремих
імпульсів поля. Стрибки фази хвиль не тільки збільшують інтенсивність нагрівання резонансних частинок,
але й залучають до цього процесу нерезонансні частинки в широкому діапазоні початкових швидкостей.
|