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Sandbox Physics
等离子体动理学 · 边学边做实验

L3 · 第 6 章

两个脉冲消失之后,第三个信号出现了

等离子体把衰减掉的波记在速度条纹里。换一个波长再踢一下,一部分条纹就开始倒着缠。等它们解开,电子在位置上重新排齐,电场又出现了。这就是等离子体波回波,Gould、O’Neil 和 Malmberg 在 1967 年预言了它。

推导

先缠紧条纹,再把它解开

t=0t=0 时一个波数为 k1k_1 的脉冲,在电场衰减之后留下正比于 e−ik1x+ik1vte^{-ik_1x+ik_1vt} 的扰动:速度方向的条纹波数以 k1tk_1t 增长。t=τt=\tau 时第二个脉冲,波数 k2k_2,用 eik2x−ik2v(t−τ)e^{ik_2x-ik_2v(t-\tau)} 调制整个分布,第一脉冲留下的条纹也在其中。

乘积里有一项的空间波数是 k3=k2−k1k_3=k_2-k_1,速度相位是 v[k1t−k2(t−τ)]v[k_1t-k_2(t-\tau)]。第二个脉冲之后,方括号不断缩小,在某一刻变成零。那一刻这一项在速度方向变得光滑,积分留下非零值,波数为 k3k_3 的电场就出现了。

k1t−k2(t−τ)=0⟹τ′=k2 τk2−k1,k3=k2−k1k_1t-k_2(t-\tau)=0\quad\Longrightarrow\quad \tau'=\frac{k_2\,\tau}{k_2-k_1},\qquad k_3=k_2-k_1

完整例题

例题:三组脉冲

回波 Lab 的盒长是 4π4\pi,第 mm 个模式的波数 k=0.5mk=0.5m。先打模式 1、再打模式 2,间隔 τ=20\tau=20:τ′=1.0×20/0.5=40\tau^{\prime}=1.0\times20/0.5=40,回波在模式 1。模拟的包络峰值在 40.4640.46。先模式 2、再模式 3,τ=15\tau=15:τ′=1.5×15/0.5=45\tau^{\prime}=1.5\times15/0.5=45,测得 45.0445.04。先模式 1、再模式 3,τ=20\tau=20:τ′=1.5×20/1.0=30\tau^{\prime}=1.5\times20/1.0=30,回波在模式 2,测得 30.5330.53。

这些小偏差不到一个振荡周期(2π/1.42≈4.42\pi/1.42\approx4.4 个时间单位)的一部分,振荡电场的峰值本来就只能定到这个精度。把顺序反过来,先模式 2、再模式 1:这时 k2<k1k_2<k_1,公式给出的时刻落在第二个脉冲之前,模拟里也找不到回波。

回波是脉冲的二阶效应

回波项是两次调制的乘积,幅度与两个脉冲强度都成正比。项目基准测试里,第一脉冲加倍,回波变为 2.002.00 倍;第二脉冲加倍,变为 1.941.94 倍。第二个脉冲的推动已经不比条纹间距小很多,更高阶的项开始分走一部分。

1967 年论文的图 1 画出回波包络先升后降,两侧速率不同。第 8 章读这张图和它背后的公式,并用模拟检验这两个速率。

Ek3(τ′)  ∝  Φ1 Φ2E_{k_3}(\tau')\;\propto\;\Phi_1\,\Phi_2

是回波,还是网格复现?

第 3 章说过,粗速度网格会在回波时刻附近造出一个复活的电场。用 32 个速度格,回波模式的电场在 38.638.6 出现峰值。这个时刻晚于两个脉冲各自的网格复现(33.533.5 和 36.836.8),早于预言的 4040,峰高约为真回波的六倍。换成 128、256 或 512 格,这个假信号消失,真回波留在原来的时刻。物理回波和数值回波,就靠这个检验分开。

基准测试还加了第二项:格宽不变、速度上限从 66 放宽到 1212,回波时刻不变,速度方向的周期边界也就排除了。

带着问题动手

先预测,再改变,最后解释

  1. 选模式 1 再模式 3、间隔 30,运行之前先算出回波时刻和回波模式。
  2. 把间隔调到 30,选“模式 1,再模式 3”。打开“只显示回波模式”,看条纹怎样解开。
  3. 用条纹频谱图解释回波:产生回波的那组条纹,金线在回波时刻降到零。

三个相空间 Lab 用等离子体单位求解一维电子模型,每个 Lab 都能导出参数、模型版本和电场历史。

试着自己解释

1. 先模式 1、再模式 3,τ=30\tau=30,回波何时出现、在哪个模式?

展开答案与解释

k1=0.5k_1=0.5,k2=1.5k_2=1.5,τ′=1.5×30/1.0=45\tau^{\prime}=1.5\times30/1.0=45,k3=1.0k_3=1.0,即模式 2。

2. 第二个脉冲波长更长时,为什么没有回波?

展开答案与解释

k2<k1k_2<k_1 时,方括号 k1t−k2(t−τ)k_1t-k_2(t-\tau) 在第二个脉冲之后继续变大。条纹永远解不开,τ\tau 之后没有哪一刻能消掉它们对速度的依赖。

3. 把两脉冲间隔加倍,回波时刻和它离第二脉冲的距离怎样变?

展开答案与解释

都加倍,因为 τ′\tau^{\prime} 和 τ′−τ=k1τ/(k2−k1)\tau^{\prime}-\tau=k_1\tau/(k_2-k_1) 都与 τ\tau 成正比。回波也要等更多个朗道阻尼周期才出现,所以它和两个脉冲分得很开。

可以放在旁边读的来源

  1. R. W. Gould, T. M. O’Neil and J. H. Malmberg, Plasma Wave Echo, Physical Review Letters 19, 219 (1967)

    全文读自加州理工学院机构库的副本。图 1 画出两个脉冲和回波,式 (4)、(5) 给出回波时刻和包络。我们在一维模拟里检验回波时刻、回波模式和包络速率。

  2. J. H. Malmberg, C. B. Wharton, R. W. Gould and T. M. O’Neil, Plasma Wave Echo Experiment, Physical Review Letters 20, 95 (1968)

    在实验室里观测到空间型等离子体波回波。这里只核对了书目信息和摘要,没有使用其中的数据。

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