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

Нелінійна теорія взаємодії трубчастого пучка заряджених частинок з потенціальними поверхневими хвилями плазмового циліндра

Рубрика: 
РАДІОФІЗИКА ТВЕРДОГО ТІЛА ТА ПЛАЗМИ
Аверков, ЮО, Прокопенко, ЮВ, Яковенко, ВМ
Organization: 

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України
12, вул. Акад. Проскури, Харків, 61085, Україна
E-mail: yuriyaverkov@gmail.com; prokopen@ire.kharkov.ua; yavm@ire.kharkov.ua 

Харківський національний університет імені В. Н. Каразина
4, м. Свободи, Харків, 61077, Україна

Харківський національний університет радіоелектроніки
14, пр. Науки, Харків, 61166, Україна
https://doi.org/10.15407/rej2018.04.003
Мова: російська
Анотація: 

Предмет і мета роботи. Дослідження механізмів генерації електромагнітних хвиль при русі заряджених частинок у різних електродинамічних системах є актуальною проблемою сучасної радіофізики та електроніки. Останнім часом велика увага приділяється питанням взаємодії потоків заряджених частинок з твердо-тільними структурами, що мають диспергуючі властивості. Як правило, такі структури містять плазмоподібні середовища. Передумовами для виникнення генерації електромагнітних хвиль є нестійкості систем, що викликані збуреннями потоків заряджених частинок. Забезпечення стаціонарного режиму генерації хвиль здійснюється нелінійними взаємодіями пучка заряджених частинок з власними хвилями (коливаннями) твердотільної структури. У цій роботі виконано теоретичне дослідження ефекту нелінійної стабілізації нестійкості нескінченно тонкого трубчастого електронного пучка при його транспортуванні уздовж поверхні твердотільного плазмового циліндра.

            Методи та методологія роботи. З використанням рівнянь Максвелла і руху електронів плазми на основі комплексного підходу (аналітичного і чисельного) побудовано нелінійну теорію нестійкості трубчастого електронного пучка, який пролітає над плазмовим циліндром. Плазма циліндра передбачалася беззіткненною. Через нерелятивістський характер руху пучка розрахунки виконано в електростатичному наближенні.

            Результати роботи. Показано, що нелінійна стабілізація зростання амплітуди хвилі здійснюється в результаті групування електронів пучка в згустки і подальшого їх захоплення полем хвилі. Виявлено залежність часу насичення нестійкості і максимальної амплітуди хвилі від радіуса плазмового циліндра. Встановлено, що нелінійна стадія нестійкості починається раніше в електродинамічній системі з меншим радіусом плазмового циліндра. При цьому в такій системі максимальна величина повільної амплітуди має більше значення.

            Висновок. Результати досліджень розширюють уявлення про фізичні властивості систем із плазмоподібними середовищами і систематизують знання про механізми збудження потенціальних поверхневих хвиль в електродинамічних системах, що складають основу мікрохвильових генераторів.
Ключові слова: інкремент нестійкості, електронний пучок, ефект Вавілова–Черенкова, захоплення частинок, нелінійна взаємодія, пучкова нестійкість, фазовий портрет

Стаття надійшла до редакції 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
Повний 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.