• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Нелинейная теория взаимодействия трубчатого пучка заряженных частиц с поверхностными волнами в плазменном цилиндре

Рубрика: 
РАДИОФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА И ПЛАЗМЫ
Аверков, ЮО, Прокопенко, ЮВ, Яковенко, ВМ
Organization: 

Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
yuriyaverkov@gmail.com
prokopen@ire.kharkov.ua
yavm@ire.kharkov.ua

Харьковский национальный университет имени В. Н. Каразина
4, пл. Свободы, Харьков, 61022, Украина
 

Харьковский национальный университет радиоэлектроники
14, пр. Науки, Харьков, 61166, Украина
https://doi.org/10.15407/rej2018.04.003
Язык: русский
Аннотация: 

Предмет и цель работы. Исследование механизмов генерации электромагнитных волн при движении заряженных частиц в различных электродинамических системах является актуальной проблемой современной радиофизики и электроники. В последнее время большое внимание уделяется вопросам взаимодействия потоков заряженных час-тиц с твердотельными структурами, обладающими диспергирующими свойствами. Как правило, такие структуры содержат плазмоподобные среды. Предпосылками для возникновения генерации электромагнитных волн являются неустойчивости систем, вызванные возмущениями потоков заряженных частиц. Обеспечение стационарного режима генерации волн осуществляется нелинейными взаимодействиями пучка заряженных частиц с собственными волнами (колебаниями) твердотельной структуры. В настоящей работе выполнено теоретическое исследование эффекта нелинейной стабилизации неустойчивости бесконечно тонкого трубчатого электронного пучка при его распространении вдоль поверхности твердотельного плазменного цилиндра.

            Методы и методология работы. С использованием уравнений Максвелла и движения электронов плазмы на основе комплексного подхода (аналитического и численного) построена нелинейная теория неустойчивости трубчатого электронного пучка, пролетающего над плазменным цилиндром. Плазма цилиндра предполагалась бесстолкновительной. В силу нерелятивистского характера движения пучка расчеты выполнены в электростатическом приближении.

            Результаты работы. Показано, что нелинейная стабилизация роста амплитуды волны осуществляется в результате группировки электронов пучка в сгустки и последующего их захвата полем волны. Выявлена зависимость времени насыщения неустойчивости и максимальной амплитуды волны от радиуса плазменного цилиндра. Установлено, что нелинейная стадия неустойчивости начинается раньше в электродинамической системе с меньшим радиусом плазменного цилиндра. При этом в такой системе максимальная величина медленной амплитуды имеет большее значение.

            Заключение. Результаты исследований расширяют представления о физических свойствах систем с плазмо-подобными средами и систематизируют знания о механизмах возбуждения потенциальных поверхностных волн в электродинамических системах, составляющих основу микроволновых генераторов.
Ключевые слова: захват частиц, инкремент неустойчивости, нелинейное взаимодействие, пучковая неустойчивость, фазовый портрет, электронный пучок, эффект Вавилова–Черенкова

Статья поступила в редакцию 27.06.2018
PACS: 03.50.-z, 52.40.-w, 52.59.-f, 85.45.-w
УДК 533.922
Radiofiz. elektron. 2018, 23(4): 3-14
Полный текст (PDF)

References: 
  1. Ахиезер А. И., Любарский Г. Я. К нелинейной теории колебаний электронной плазмы. Докл. АН СССР. 1951. Т. 80, № 2. С. 193–195.
  2. Ахиезер А. И., Половин Р. В. О релятивистских колебаниях плазмы. Докл. АН СССР. 1955. Т. 102, № 5. С. 919–920.
  3. Ахиезер А. И., Половин Р. В. К теории волновых движений электронной плазмы. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1956. Т. 30, № 5. С. 915–928.
  4. Файнберг Я. Б., Шапиро В. Д. Квазилинейная теория возбуждения колебаний при инжекции элект-ронного пучка в плазменное полупространство. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1965. Т. 47, № 4. С. 1389–1404.
  5. Файнберг Я. Б., Шапиро В. Д. К нелинейной теории взаимодействия релятивистского пучка с плазмой. 4-я конф. по физике плазмы и проблемам управляемого термоядерного синтеза: тез. докл. Киев, 1963. С. 92–103.
  6. Мазитов Р. К. О затухании плазменных волн. Прикладная механика и техническая физика. 1965. № 1. С. 27–31.
  7. O'Neil T. Collisionless damping of nonlinear plasma oscillations. Phys. Fluids. 1965. Vol. 8, Iss. 12. P. 2255–2262. DOI:https://doi.org/10.1063/1.1761193
  8. Fainberg Ya. B. Interaction of beams of charged particles with plasma. Czech. J. Phys. 1968. Vol. 18B, Iss. 5. P. 652–677. DOI:https://doi.org/10.1007/BF01691021
  9. Файнберг Я. Б., Шапиро В. Д., Шевченко В. И.
    К нелинейной теории взаимодействия с плазмой «монохроматического» пучка релятивистских электронов. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1970. Т. 57, № 3. С. 966–977.
  10. Курилко В. И. О механизме развития пучковой неустойчивости в плазме. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1970. Т. 57, № 3. С. 885–893.
  11. Drummond W. E., Malmberg J. H., O’Neil T. M., Thompson J. R. Nonlinear Development of the Beam-Plasma Instability. Phys. Fluids. 1970. Vol. 13, Iss. 9. P. 2422–2425. DOI:https://doi.org/10.1063/ 1.1693255
  12. Ковтун Р. И., Рухадзе A. A. К теории нелинейного взаимодействия РЭП малой плотности с плазмой. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1970. Т. 58, № 5. С. 1709–1714.
  13. Брейзман Б. Н., Рютов Д. Д. Квазилинейная релаксация ультрарелятивистского электронного пучка в плазме. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1971. Т. 60, № 1. С. 408–422.
  14. Онищенко И. Н., Линецкий А. Р., Мациборко Н. Г., Шапиро В. Д., Шевченко В. И. Возбуждения монохроматической плазменной волны электронным пучком. Письма в Журн. эксперим. и теорет. физики. 1970. Т. 12, № 8. С. 407–411.
  15. Matsiborko N. G., Onishchenko I. N., Shapiro V. D. and Shevchenko V. I. On nonlinear theory of instability of a monoenergetic electron beam in plasma. Plasma Physics. 1972. Vol. 14, N 6. P. 591–600. DOI:https:// doi.org/10.1088/0032-1028/14/6/003
  16. Иванов А. А., Параил В. В., Соболева Т. К. Нелинейная теория взаимодействия моноэнергетического пучка с плотной плазмой. Журн. эксперим. и теорет. физики. 1972. Т. 63, № 5. С. 1678–1685.
  17. Альтеркоп Б. А., Росинский С. Е., Тараканов В. П. Нелинейное взаимодействие обдувающего элект-ронного пучка с поверхностной плазменной волной. Физика плазмы. 1979. Т. 5, № 2. С. 291–296.
  18. Кузелев М. В., Лазутченко О. В., Рухадзе А. А. Режи-мы и спектры черенковской пучковой неустойчивости в нелинейной плазме. Изв. вузов. Радиофизика. 1999. Т. 42, № 10. С. 958–976.
  19. Shlapakovski A. S., Artemenko S. N., Avgustinovich V. A., Mashchenko A. I., Matvienko V. M., Mityushkina V. Yu., Vintizenko I. I., Jiang W., and Schamiloglu E. Status of the development of X-band antenna-amplifier: Design, Simulations, and Prototype Experiments. 14th Sympo-sium on High Current Electronics: proc. (Tomsk, Russia, 10–15 Sept. 2006). Tomsk, 2006. P. 359–362.
  20. Августинович В. А., Артеменко С. Н., Мащенко А. И., Шлапаковский А. С., Юшков Ю. Г. Демонстрация усиления в диэлектрическом черенковском мазере со стержневой замедляющей системой. Письма в Журн. техн. физики. 2010. Т. 36, № 5. С. 103–110.
  21. Кириченко А. Я., Лонин Ю. Ф., Папкович В. Г., Пономарев А. Г., Прокопенко Ю.В., Уваров В. Т., Филиппов Ю. Ф. Микроволновый генератор с резонатором «шепчущей галереи». Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. 2010. № 2(66). С. 135–139.
  22. Galaydych K. V., Lonin Yu. F., Ponomarev A. G., Prokopenko Yu. V., Sotnikov G. V. Mathematical model of an excitation by electron beam of "whispering gallery" modes in cylindrical dielectric resonator. Problems of atomic science and technology. Ser. Plasma Phys. 2010. N 6. P. 123–125.
  23. Дормидонтов А. В., Кириченко А. Я., Лонин Ю. Ф., Пономарев А. Г., Прокопенко Ю. В., Сотников Г. В., Уваров В. Т., Филиппов Ю. Ф. Автоколебательная система на основе диэлектрического резонатора с модами «шепчущей галереи». Письма в Журн. техн. физики. 2012. Т. 38, № 2. С. 65–73.
  24. Galaydych K. V., Lonin Yu. F., Ponomarev A. G., Prokopenko Yu. V., Sotnikov G. V. Nonlinear analysis of mm waves excitation by high–current REB in dielectric resonator. Problems of atomic science and technology. Ser. Plasma Phys. 2012. Iss. 18, N 6(82). P. 158–160.
  25. Галайдыч К. В., Лонин Ю. Ф., Пономарев А. Г., Прокопенко Ю. В., Сотников Г. В., Уваров В. Л. Возбуждение миллиметровых волн сильноточным РЭП в диэлектрическом резонаторе. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. 2012. № 3(79). С. 174–178.
  26. Аверков Ю. О., Прокопенко Ю. В., Яковенко В. М. Неустойчивость трубчатого электронного пучка при взаимодействии с плазмоподобной средой. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 2. С. 28–35. DOI:https://doi.org/10.15407/rej2016.02.028
  27. Averkov Yu. O., Prokopenko Yu. V., Yakovenko V. M. Interaction between a tubular beam of charged particles and a dispersive metamaterial of cylindrical configuration. Phys. Rev. E. 2017. Vol. 96, Iss. 1. P. 013205(12). DOI: https://doi.org/10.1103/ PhysRevE.96.013205
  28. Справочник по специальным функциям: с формулами, графиками и таблицами. Под ред. М. Абрамо-вица, И. Стиган. Москва: Наука, 1979. 832 с.
  29. Аверков Ю. О., Прокопенко Ю. В., Яковенко В. М. Взаимодействие потока заряженных частиц трубчатого пучка с собственными колебаниями диэлектрического цилиндра. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 4. С. 68–76. DOI: https://doi.org/ 10.15407/rej2016.04.068
  30. Ахиезер А. И., Ахиезер И. А., Половин Р. В., Ситенко А. Г., Степанов К. Н. Электродинамика плазмы. Под ред. А. И. Ахиезер. Москва: Наука, 1974. 720 с.