Київський національний університет

імені тараса шевченка

палець дмитро борисович

УДК 533.951

Експериментальне дослідження просвітлення плазмових бар’єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків

01.04.08 — фізика плазми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ 2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України

Науковий керівник доктор фіз.-мат. наук, професор

Романюк Леонід Іванович

Інститут ядерних досліджень НАН України, провідний науковий співробітник відділу фізики плазми

Офіційні опоненти: доктор фіз.-мат. наук

Гончаров Олексій Антонович

Інститут фізики НАН України,

провідний науковий співробітник відділу газової електроніки

доктор фіз.-мат. наук

Черемних Олег Костянтинович

Інститут космічних досліджень НАН України та НКАУ,

завідувач відділу космічної плазми

Провідна установа:

Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна

Захист відбудеться " 27 " травня 2002 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.31 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка (03022, м. Київ, проспект Академіка Глушкова, 6).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка (м. Київ, вул. Володимирська, 64).

Автореферат розісланий " 17" квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А. Г. Шкавро

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Одним з магістральних напрямків фізики плазми як у фундаментальному, так і у прикладному аспектах вже давно є дослідження поширення хвиль в неоднорідному плазмовому середовищі. Це зумовлене тим, що хвильові процеси є невід'ємною властивістю плазми, а сама вона в природних і лабораторних умовах завжди неоднорідна. Серед проблем, що належать до цього напрямку, особливо актуальна, бо має цілий ряд прикладних аспектів, проблема поширення хвиль різного типу в неоднорідному плазмовому середовищі, що містить хвильовий бар'єр, тобто область, де не можуть існувати хвилі певного типу та певних параметрів. Класичні дослідження в рамках лінійної гідродинамічної теорії, що проводилися до 1970 року, переконливо показали, що плазмові бар'єри, ширина яких значно перевищує масштаб скінування хвиль, повинні бути для них практично непрозорими. Але завдяки інтенсивному розвиткові нелінійної гідродинамічної теорії, і особливо кінетичної теорії колективних процесів, у плазмі було виявлено цілу низку не врахованих лінійною гідродинамічною теорією процесів, спроможних забезпечити просвітлення плазмових хвильових бар'єрів, тобто перенесення крізь плазмові бар'єри хвиль, або хоча б інформації, яку вони містять. Проте експериментальні дослідження просвітлення плазмових хвильових бар'єрів значно відстають від теоретичних: з більш ніж десяти завбачених теорією механізмів просвітлення на момент початку цієї роботи було експериментально виявлено лише п'ять.

Один з таких механізмів був теоретично завбачений у роботі [1*]. Особливість останньої полягає в тому, що вона теж виконана в рамках лінійної гідродинамічної теорії, але для плазмового утворення, яке пронизується потоком швидких електронів. Запропонований механізм полягає у наступному. Плоска p-поляризована електромагнітна хвиля, падаючи під деяким кутом на бар’єр, тобто шар закритичної для неї плазми, який перетинається пучком швидких електронів, взаємодіючи з останнім у плазмовому скін-шарі, модулює його за швидкістю поздовжньою компонентою свого електричного поля. Завдяки цьому в пучку виникають дві хвилі просторового заряду (ХПЗ), одна з яких (повільна), поширюючись у закритичній плазмі, експоненційно зростає. На протилежній межі плазмового бар'єру ця ХПЗ за механізмом перехідного випромінення регенерує електромагнітну хвилю, за частотою і поляризацією тотожну початковій.

В експериментальній роботі [2*] в подібній ситуації була виявлена електромагнітна хвиля за бар'єром у пучково-плазмовій системі, близькій до моделі, розглянутої у вищевказаній теоретичній роботі. Проте в [2*] процес виявленого просвітлення детально не досліджувався і не зверталося уваги на те, що експериментальна система мала ряд суттєвих відмінностей від теоретичної моделі. Тому детальні й всебічні експериментальні дослідження просвітлення плазмового бар'єра для електромагнітних хвиль за вказаним механізмом, які б дозволили встановити загальну картину і закономірності реалізації цього механізму просвітлення в реальних умовах та порівняти їх з теоретичними уявленнями, були безумовно актуальними як для фундаментальної фізики плазми, так і з точки зору можливих майбутніх застосувань зазначеного способу просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень пов'язаний з виконанням фундаментальних науково-дослідних робіт, що проводилися у відділі фізики плазми НЦ ІЯД НАН України, а саме пошукової теми "Дослідження колективних процесів у плазмових системах з хвильовими та потенціальними бар'єрами" (1990–1992 рр.), а також проектів на замовлення Фонду фундаментальних досліджень при Державному комітеті України з питань науки та технологій "Теоретичне та експериментальне дослідження хвильових процесів у системах із плазмовими бар'єрами" (шифр "Бар'єр", реєстраційний № 2/74, 1992–1993 рр.) та "Теоретичне та експериментальне дослідження хвильових процесів у системах із плазмовими бар'єрами" (шифр "Бар'єр-2", реєстраційний №2.3/156, 1994–1996 рр.).

Мета і завдання роботи. Метою роботи було експериментальне встановлення закономірностей і особливостей просвітлення плазмового бар'єра для електромагнітних хвиль у неоднорідній обмеженій магнітоактивній плазмі за допомогою електронного пучка та їх відповідності теоретичним завбаченням.

Для досягнення цієї мети було необхідно розв'язати такі задачі:

Визначити й реалізувати комплекс засобів та методик діагностики стаціонарних параметрів пучково-плазмової системи та хвильових процесів у ній, які б дозволяли всебічно досліджувати в ній усі три стадії процесу просвітлення плазмового бар'єра.

Визначити закономірності та особливості реалізації першої стадії механізму просвітлення — збудження хвилі просторового заряду в електронному пучку — в умовах неоднорідної плазми зі скінченним градієнтом густини та наявності області локального плазмового резонансу на вході до бар'єра.

Визначити закономірності та особливості реалізації другої стадії механізму просвітлення — підсилення хвилі просторового заряду в бар'єрі — в умовах неоднорідності плазми вздовж траєкторії електронного пучка в бар'єрі та наявності збуджених у ньому власних коливань пучково-плазмової системи.

Визначити закономірності та особливості реалізації третьої стадії механізму просвітлення — трансформації хвиль просторового заряду в електронному пучку в електромагнітні хвилі на виході з бар'єра — в умовах неоднорідної плазми, обмеженої провідною поверхнею.

Встановити залежності прозорості плазмового бар'єра від параметрів пучково-плазмової системи та їх зв'язок із закономірностями й особливостями реалізації всіх трьох стадій механізму просвітлення.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що в ній вперше проведені детальні і всебічні експериментальні дослідження просвітлення плазмового бар'єра для електромагнітних хвиль за допомогою електронного пучка в умовах, характерних для широкого класу реальних плазмових утворень, отримані цілісні й детальні уявлення про процеси, що мають місце при такому просвітленні, та сформульовані такі нові наукові положення:

Передбачене в теоретичних дослідженнях [1*] просвітлення плазмового бар'єра для електромагнітних хвиль за допомогою електронного пучка, що відбувається за тристадійним механізмом (модуляція електронного пучка електромагнітною хвилею і збудження в ньому ХПЗ — підсилення ХПЗ в закритичній плазмі бар'єра — трансформація ХПЗ в електромагнітну хвилю при виході з бар'єра), реально існує.

При просвітленні плазмового бар'єра для електромагнітної хвилі за допомогою електронного пучка в плазмових системах з неоднорідною слабкозамагніченою плазмою з немонотонним розподілом густини вздовж траєкторії електронного пучка в бар'єрі поряд з ХПЗ на частоті початкової електромагнітної хвилі існують власні ХПЗ в пучку на частотах власних коливань плазми, що збуджуються ним у неперервній послідовності областей локального плазмового резонансу (ОЛПР) усередині бар’єра, а у спектрі електромагнітних хвиль за бар'єром поряд з компонентою на частоті падаючої на нього електромагнітної хвилі існують компоненти на частотах власних ХПЗ в бар'єрі.

Нелінійні процеси пучково-плазмової взаємодії в бар’єрі за участю власних ХПЗ призводять до втрати пучком моноенергетичності і, як наслідок, до загасання всіх ХПЗ, що існують в пучку. Зазначені процеси загасання ХПЗ, що використовується для просвітлення бар'єра, разом з відомими процесами її підсилення визначають просторовий розподіл її інтенсивності всередині бар'єра та її амплітуду на виході з нього.

Прозорість бар'єра для електромагнітної хвилі монотонно зменшується зі зростанням надкритичності плазми в бар'єрі і немонотонно залежить від швидкості та струму електронів пучка; існують оптимальні величини зазначених параметрів, при яких прозорість бар'єра максимальна. Немонотонність залежностей є наслідком впливу нелінійних процесів пучково-плазмової взаємодії за участю власних ХПЗ в бар'єрі на еволюцію в ньому ХПЗ, що використовується для його просвітлення. Загалом зазначені нелінійні процеси негативно впливають на просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронного пучка. Наявність в плазмовій системі ОЛПР на частоті електромагнітної хвилі і збудження в ній модульованим електронним пучком власних коливань плазми позитивно впливає на прозорість бар'єра.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що вони можуть бути використані для вирішення прикладних задач просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль, подальшого розвитку теоретичних досліджень просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронного пучка, в теоретичних та експериментальних дослідженнях хвильових процесів у пучково-плазмових системах з неоднорідною плазмою.

Особистий внесок автора полягає в тому, що наукові результати, викладені в дисертації, були одержані ним самостійно, або за його безпосередньою участю на всіх етапах досліджень, а саме: постановки задач досліджень, організації та реалізації експериментів, виконання розрахунків, обробки, аналізу та інтерпретації експериментальних даних, формулювання наукових результатів досліджень, написання експериментальної частини опублікованих наукових робіт, узагальнених у дисертації.

Теоретична частина зазначених робіт була виконана І. О. Анісімовим, С. В. Довбахом, О. А. Зубарєвим, І. Ю. Котляровим, С. М. Левитським і Г. В. Лізуновим. Внесок співавторів експериментальної частини опублікованих робіт полягає у наступному. Л. І. Романюк здійснював загальне керівництво проведенням досліджень. Йому належить ключова роль у постановці задач; він разом з О. В. Опанасенком брав участь у проведенні експериментів, обговоренні їх результатів та написанні наукових робіт. О. В. Опанасенку належить також керівна роль щодо вирішення задач технічного та технологічного забезпечення проведення досліджень. Н. О. Бойко брала участь в обробці експериментальних даних і обговоренні отриманих результатів. О. В. Шарковський брав участь у проведенні частини експериментів, обробці та обговоренні їх результатів.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися на Міжнародній конференції "Фізика в Україні" (Київ, 1993 р.), XXIII Конференції Європейського фізичного товариства з керованого термоядерного синтезу та фізики плазми (Київ, 1996 р.), Міжнародній конференції з фізики плазми (Нагоя, Японія, 1996 р.), XXIV Міжнародній конференції з явищ в іонізованих газах (Варшава, Польща, 1999 р.), щорічних наукових конференціях НЦ "Інститут ядерних досліджень" НАН України (Київ, 1995, 1996, 1999, 2000 рр.).

Публікації. Матеріали дисертації опубліковані в 16 друкованих працях, серед яких 7 статей у реферованих наукових журналах, 4 статті у збірках праць міжнародних наукових конференцій, 5 статей у збірках матеріалів щорічних наукових конференцій НЦ "Інститут ядерних досліджень" НАН України та збірнику наукових праць зазначеного інституту.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків та списку використаних джерел, який містить 92 посилання. Робота ілюстрована 69 рисунками та 1 таблицею і має загальний обсяг 140 сторінок.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вказано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету і завдання роботи, визначено її наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, відображено особистий внесок автора, наведено дані про апробацію роботи та кількість публікацій за темою дисертації.

У першому розділі розглянуто стан питання про просвітлення хвильових бар’єрів у неоднорідних плазмових утвореннях. Наведено класифікацію хвильових бар’єрів та механізмів їхнього просвітлення; стисло викладено суть теоретично запропонованих механізмів просвітлення, методику та результати експериментальних робіт, спрямованих на виявлення і дослідження просвітлення плазмових хвильових бар’єрів. На підставі аналізу стану вивчення просвітлення плазмового бар’єра за механізмом [1*] обґрунтована мета і програма досліджень, викладених у дисертації.

Рис. 1

а: Схема експериментальної установки. I, III  — вакуумні камери; II  — розрядна камера. 1 — анод; 2 — катодні блоки; 3 — відбивачі; 4 — катод; 5 — електронна гармата; 6 — колектор електронного пучка; 7 — зонд-вібратор; 8, 9 — електричні ВЧ-зонди; 10 — аксіально рухомий магнітний ВЧ-зонд; 11 — радіально рухомий магнітний ВЧ-зонд. б: Аксіальні розподіли густини плазми (1), електронної температури (2) та потенціалу плазми (3).

Другий розділ містить опис застосованої експериментальної установки, методик досліджень та умов, у яких проводилися експерименти. Схема застосованої установки показана на рис. а. Для формування плазмового утворення з бар’єром для електромагнітних хвиль використовувалося симетричне витікання неізотермічної плазми у вакуум. Плазма створювалася в аргоні за допомогою несамостійного розряду Пеннінга, запалюваного в розрядній камері, і крізь отвори в діафрагмах, що відокремлювали її від вакуумних камер, витікала в останні, формуючи аксіальні розподіли густини й потенціалу плазми та електронної температури, характер яких ілюструє рис. б. параметрів системи, в якому проводились дослідження, подано у табл. .

Стаціонарні параметри плазми контролювалися за допомогою стандартних зондових методик із застосуванням аксіально й радіально рухомих поодиноких циліндричних зондів. За допомогою електричних та магнітних ВЧ-зондів реєструвалися сигнали відповідно електростатичних та електромагнітних коливань у плазмовому утворенні. Застосовані методики та апаратура дозволяли, крім того, реєструвати часові характеристики параметрів пучково-плазмової системи та хвильових процесів у ній, а також функцію розподілу електронів пучка за енергіями на виході з плазмового бар’єра.

Експериментально встановлено, що перший етап процесу просвітлення — збудження електромагнітною хвилею, що падає на плазмовий бар’єр, ХПЗ в електронному пучку — має місце. Показана можливість моделювання зазначеного етапу шляхом штучної модуляції пучка стороннім сигналом, що подається на модулювальний пристрій — керувальний електрод електронної гармати, сітку чи спіраль, крізь які проходить електронний пучок, або зонд-вібратор, введений у нього. Останній спосіб застосовувався в більшості експериментів.

Третій розділ присвячено дослідженням електростатичних хвильових процесів усередині бар’єра при його просвітленні за допомогою електронного пучка.

Досліджено амплітудно-частотні характеристики коливань, реєстрованих усередині хвильового бар’єра. Було встановлено, що при наявності сигналу модуляції в передбар'єрній плазмі в амплітудно-частотному спектрі коливань усередині бар’єра завжди реєструється відповідна частотна компонента. Показано, що дисперсія цих коливань відповідає дисперсії ХПЗ в електронному пучку.

Крім піка на частоті модуляції в реєстрованих спектрах виявлено потужні більш високочастотні коливання в смузі частот, що відповідає верхньогібридній дисперсійній вітці коливань слабкозамагніченої плазми в бар’єрі. Зазначені коливання існують і за відсутності модуляції пучка, тобто є власними коливаннями (ВК) пучково-плазмової системи в бар’єрі.

Детально досліджено просторовий розподіл штучно збуджених ХПЗ в бар’єрі. Поперек магнітного поля ці коливання виявилися локалізованими в межах електронного пучка. Типовий же аксіальний розподіл їх інтенсивності містить три максимуми (рис. 2а). Два крайні максимуми відповідають ОЛПР на вході до бар’єра та виході з нього. Наявність максимуму всередині бар’єра суперечить результатам розрахунку, виконаного в лінійному наближенні в [2] Анісімовим, Котляровим і Левитським (рис. 2б). Дослідження еволюції аксіального розподілу інтенсивності зазначених коливань у бар’єрі при зміні параметрів пучково-плазмової системи привело до висновку про виникнення в ньому потужного демодуляційного процесу, інтенсивність якого зростає з відстанню, найімовірніше пов'язаного зі збудженням електронним пучком в бар’єрі власних коливань.

В зв'язку з останнім проведені детальні дослідження природи реєстрованих ВК, особливостей їх реалізації в плазмовому бар’єрі та впливу на електронний пучок. Показано, що внаслідок неоднорідності плазми в бар’єрі хвилі верхньогібридної дисперсійної вітки коливань слабкозамагніченої плазми збуджуються пучком у неперервній послідовності досить вузьких зон (ОЛПР) з частотами, що визначаються густиною плазми в останніх. Ці коливання модулюють електронний пучок за швидкістю і надалі поширюються як пучкові хвилі просторового заряду в закритичній для них плазмі. Маючи інкремент, більший ніж у штучно створеної ХПЗ, застосованої для просвітлення бар’єра, такі власні ХПЗ першими досягають рівня, де стають істотними нелінійні процеси пучково-плазмової взаємодії, які спричиняють втрату електронним пучком моноенергетичності. Проведені дослідження функції розподілу електронів пучка за енергіями показали, що на виході з бар’єра втрата енергії електронами сягає 70 — % початкової при інтегральній втраті енергії пучка 10 — 30% початкової.

Рис. 2. Аксіальний розподіл інтенсивності ХПЗ в бар’єрі.

а — експеримент; б — розрахунок [2] (суцільна лінія — повільна хвиля, пунктир — швидка). U0 — амплітуда падаючої хвилі, k0w/c.

Таке розширення енергетичного спектра електронів пучка започатковує фазове перемішування електронів, що беруть участь у хвильовому процесі, яке зростає з відстанню. Внаслідок цього і відбувається спостережуване загасання як власних ХПЗ, так і штучно збудженої хвилі, яка використовується для просвітлення плазмового бар’єра.

Незважаючи на таке суттєве розширення енергетичного спектра електронів пучка, фазова швидкість штучно збудженої та власних ХПЗ виявилася практично постійною вздовж усього бар’єра. Але в зоні нелінійної пучково-плазмової взаємодії, зумовленої ВК, у обох ХПЗ реєструвалися некогерентні (фазово нескорельовані) складові. Обом цим особливостям дано пояснення в рамках моделі нестаціонарних хвильових процесів та енергетичного розподілу електронів пучка. Експериментальні дослідження часових характеристик інтенсивності коливань та функції розподілу електронів пучка за швидкістю показали, що зазначена нестаціонарність розвивається в зоні реалізації нелінійних процесів, зумовлених власними ХПЗ. Вона спричиняється змінами густини плазми в умовах сильної неоднорідності досить потужних електричних полів власних ХПЗ, а відтак зміною умов для їх підсилення. Коливання інтенсивності штучно створених та власних ХПЗ мали шумовий характер з глибиною модуляції, що досягала 90%.

Дослідження показали, що при просвітленні плазмового бар’єра за допомогою електронного пучка нелінійна стадія процесу може досягатися і за рахунок штучно створеної ХПЗ при перевищенні певного рівня початкової модуляції електронів пучка. Наслідком розвитку зазначеної нелінійності є деформація аксіального розподілу інтенсивності штучно створеної ХПЗ, показана на рис. 3. Чисельне моделювання, виконане в [5] Анісімовим і Довбахом, дає підстави пов'язати спостережуваний ефект із частковим захопленням електронів пучка штучно збудженою ХПЗ.

Рис. 3. аксіальні розподіли інтенсивності штучно збуджених ХПЗ в бар'єрі при різних рівнях початкової модуляції пучка.

Um1 < Um2 Um3 Um4. Кожна з кривих нормована на своє максимальне значення.

Четвертий розділ присвячено дослідженням особливостей реалізації третьої стадії механізму просвітлення плазмових бар’єрів за допомогою електронного пучка — регенерації електромагнітної хвилі за бар’єром — та визначенню функціональних залежностей прозорості бар’єра від параметрів пучково-плазмової системи. З'ясовано можливі джерела виникнення за бар’єром електромагнітного сигналу на частоті модуляції. Показано, що в залежності від параметрів і конфігурації плазмового утворення ними є трансформація штучно збудженої та власної ХПЗ і обминання тривимірного плазмового бар’єра початковою електромагнітною хвилею. Показано, що в лабораторних системах геометрія та розміри провідної поверхні, що обмежує плазму, та неоднорідність плазми можуть суттєво впливати на частотний діапазон паразитних електромагнітних хвиль, що реалізуються за бар’єром. Відпрацьовано методику виділення електромагнітного сигналу, зумовленого ХПЗ, що здійснює просвітлення плазмового бар’єра.

Експерименти, спрямовані на визначення області трансформації ХПЗ в електромагнітні хвилі, дозволили одержати вагомі свідчення на користь того, що вона відбувається переважно в околі відповідної ОЛПР.

Рис. 4. Залежність коефіцієнта прозорості бар'єра від струму електронів пучка (а), їх енергії (б) та розрядного струму (в).

Дослідження залежностей прозорості плазмового бар’єра від параметрів пучково-плазмової системи показали, що вона безпосередньо пов'язана з інтенсивністю штучно збудженої ХПЗ на виході з нього. Відтак на ефективність просвітлення плазмового бар’єра за досліджуваним механізмом впливають усі ті фактори та процеси, що зумовлюють конкретний вигляд аксіального розподілу інтенсивності штучно збудженої ХПЗ в бар’єрі — ступінь надкритичності плазми, швидкість і струм електронів пучка, нелінійні та нестаціонарні процеси пучково-плазмової взаємодії тощо. Отримані залежності коефіцієнта прозорості бар’єра від параметрів пучково-плазмової системи подані на рис. . Вони свідчать про існування певних оптимальних величин струму та швидкості електронів пучка, що забезпечують максимальний коефіцієнт прозорості бар’єра. Це пов'язано з тотожністю функціональних залежностей від цих параметрів інкрементів штучно збудженої та власних ХПЗ, при тому, що саме останні спричиняють нелінійні процеси пучково-плазмової взаємодії, які врешті-решт призводять до загасання штучно збудженої ХПЗ.

Оцінки абсолютної величини амплітудного коефіцієнта прозорості бар'єра (за напруженістю магнітного поля) показали, що в умовах проведених експериментів він становив 3 – 7%.

У п'ятому розділі викладено систематизовані уявлення про реалізацію досліджуваного механізму просвітлення плазмових бар’єрів для електромагнітних хвиль у реальних лабораторних системах, отримані в результаті виконання усього комплексу експериментів, відображених у попередніх розділах. Також у цьому розділі запропоновано декілька схем можливого застосування цього механізму для передачі високочастотних сигналів через непрозорі для них плазмові утворення.

висновки

Експериментально встановлено, що просвітлення плазмового бар'єра для електромагнітних хвиль за допомогою електронного пучка відбувається за передбаченим теорією [1*] тристадійним механізмом: електромагнітна хвиля, що падає на бар’єр, спричиняє виникнення в пучку ХПЗ, яка, зазнавши підсилення в закритичній плазмі бар’єра, регенерує на виході з нього електромагнітну хвилю, тотожну початковій, за механізмом перехідного випромінювання.

Досліджено першу стадію механізму просвітлення. Встановлено, що наявність на вході до бар'єра області локального плазмового резонансу і збудження в ній модульованим електронним пучком власних коливань плазми суттєво збільшують ефективність першої стадії механізму просвітлення бар'єра.

Досліджено другу стадію механізму просвітлення. Показано, що зростання інтенсивності хвилі просторового заряду в електронному пучку в закритичній плазмі бар'єра, яке в моделі [1*] передбачалося наявним вздовж усієї траєкторії електронного пучка в бар'єрі, має місце лише на її початковому відрізку, а далі змінюється на загасання з декрементом, що зростає з відстанню. Виявлено, що причиною загасання хвилі просторового заряду в бар'єрі є втрата електронним пучком на певній ділянці своєї траєкторії моноенергетичності внаслідок збудження в бар'єрі власних коливань пучково-плазмової системи і нелінійної пучково-плазмової взаємодії за їх участю. Зазначені коливання являють собою сукупність хвиль просторового заряду, які виникають в електронному пучку внаслідок його взаємодії зі збудженими ним верхньогібридними коливаннями плазми в неперервній послідовності областей локального плазмового резонансу в неоднорідній плазмі бар'єра. Виявлено, що нелінійна пучково-плазмова взаємодія за участю власних хвиль просторового заряду є істотно нестаціонарною, і це викликає відповідну нестаціонарність штучно створеної в пучку хвилі просторового заряду, яка використовується для просвітлення плазмового бар'єра. Досліджено вплив глибини початкової модуляції електронного пучка в передбар'єрному просторі на еволюцію в бар'єрі створеної в ньому хвилі просторового заряду. Виявлено зміну характеру розподілу інтенсивності зазначеної хвилі в бар'єрі при перевищенні певного рівня глибини модуляції. Ця зміна пов'язується з конкуренцією нелінійних процесів пучково-плазмової взаємодії за участю штучно створеної та власних хвиль просторового заряду в електронному пучку.

Досліджено третю стадію механізму просвітлення. Встановлено, що як штучно створена, так і власні хвилі просторового заряду пучково-плазмової системи трансформуються в електромагнітні хвилі в неоднорідній плазмі переважно одразу ж на виході з шару закритичної плазми (бар'єра) в околі відповідних областей локального плазмового резонансу. Показано, що в лабораторних системах геометрія та розміри провідної поверхні, що обмежує плазму, та неоднорідність плазми можуть суттєво впливати на частотний діапазон електромагнітних хвиль, що реалізуються за бар’єром при його просвітленні за механізмом [1*].

Досліджено прозорість плазмового бар'єра для електромагнітних хвиль при його просвітленні за допомогою електронного пучка. Визначені функціональні залежності прозорості бар'єра від параметрів пучково-плазмової системи. Виявлено існування оптимальних величин швидкості й струму електронів пучка, які забезпечують максимальну прозорість бар'єра; зі збільшенням надкритичності плазми в бар’єрі остання монотонно зменшується. Показано, що характер залежностей прозорості бар'єра від параметрів пучково-плазмової системи прямо пов'язаний з відповідними змінами розподілу інтенсивності хвиль просторового заряду в бар'єрі, зумовленими конкуренцією процесів підсилення й загасання зазначених хвиль.

перелік посилань

И. А. Анисимов, С. М. Левитский. Перенос электромагнитных волн сквозь слой плотной плазмы с помощью электронного пучка.// Журнал тех. физики. — 1989. — 59, вып.7. — С. 50–54.

И. А. Анисимов, С. М. Левитский, А. В. Опанасенко, Л. И. Романюк. Экспериментальное обнаружение просветления плазменного волнового барьера с помощью электронного пучка.// Журнал тех. физики. — 1991. — 61, вып. 3. — С. –63.

список основних публікацій за темою дисертації

І. О. Анісімов, О. А. Зубарєв, С. М. Левитський, О. В. Опанасенко, Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. Дослідження просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків. 1. Існування ефекту просвітлення.// Укр. фіз. журнал. — 1995. — 40, №3. — C. 198–203.

І. О. Анісімов, І. Ю. Котляров, С. М. Левитський, О. В. Опанасенко, Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. Дослідження просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків. 2. Еволюція хвиль просторового заряду в бар’єрі.// Укр. фіз. журнал. — 1996. — 41, №2. — C. 164–170.

О. В. Опанасенко, Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. Дослідження просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків. 3. Вплив власних коливань пучково-плазмової системи в бар'єрі на збуджену в пучку хвилю просторового заряду.// Укр. фіз. журнал. — 1996.— 41, №9. — С. 802–807.

Н. О. Бойко, Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. До питання про власні коливання пучково-плазмової системи з неоднорідною слабкозамагніченою плазмою.// Укр. фіз. журнал. — 2000. — 45, №6. — С. 666–670.

І. О. Анісімов, Н. О. Бойко, С. В. Довбах, Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. Вплив початкової модуляції електронного пучка на його еволюцію в закритичній плазмі.// Укр. фіз. журнал. — 2000. — 45, №11. — С. 1318–1323.

Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. Дослідження просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків. 4. Електромагнітні хвилі в плазмовій системі та прозорість бар'єра.// Укр. фіз. журнал. — 2001. — 46, №2. — С. 177–184.

І. О. Анісімов, С. М. Левитський, Д. Б. Палець, Л. І. Романюк. Просвітлення плазмових бар'єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків.// Питання атомної науки і техніки (Україна). Сер. "Плазмова електроніка і нові методи прискорення" (2). — 2000. — №1. — С. –247.

анотація

Палець Д. Б. Експериментальне дослідження просвітлення плазмових бар’єрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків. — Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 — фізика плазми. — Київський національний університет імені Тараса Шевченка. — Київ, 2002.

Дисертацію присвячено експериментальному дослідженню теоретично передбаченого раніше просвітлення плазмових бар’єрів для електромагнітних хвиль за тристадійним механізмом. Останній полягає а) в модуляції падаючою електромагнітною хвилею електронного пучка, що пронизує плазмовий бар'єр, і збудженні в ньому швидкої та повільної хвиль просторового заряду (ХПЗ); б) посиленні повільної ХПЗ у плазмі бар'єра з від'ємною діелектричною проникністю; в) трансформації на виході з бар'єра повільної ХПЗ в електромагнітну хвилю за рахунок перехідного випромінювання. Встановлені закономірності й особливості кожної стадії механізму просвітлення. Отримані цілісні уявлення про процес досліджуваного просвітлення в реальних пучково-плазмових системах. Показано, що в головних своїх рисах реальний механізм просвітлення відповідає теоретично передбаченому. Виявлено суттєвий вплив на реалізацію просвітлення нелінійних процесів пучково-плазмової взаємодії за участю власних коливань пучково-плазмової системи в бар’єрі, що призводять до втрати пучком електронів моноенергетичності і зменшують ефективність просвітлення. Показано існування оптимальних для просвітлення параметрів електронного пучка.

Ключові слова: плазмовий хвильовий бар’єр, електромагнітна хвиля, електронний пучок, хвиля просторового заряду, пучково-плазмова взаємодія, перехідне випромінювання.

аннотация

Палец Д. Б. Экспериментальное исследование просветления плазменных барьеров для электромагнитных волн с помощью электронных пучков. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.08 — физика плазмы. — Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко. — Киев, 2002.

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию теоретически предсказанного ранее просветления плазменных барьеров для электромагнитных волн с помощью электронного пучка по трехстадийному механизму, состоящему в а) модуляции падающей электромагнитной волной электронного пучка, пронизывающего плазменный барьер, и возбуждения в нём быстрой и медленной волн пространственного заряда (ВПЗ); б) усилении медленной ВПЗ в имеющей отрицательную диэлектрическую проницаемость плазме барьера; в) трансформации на выходе из барьера медленной ВПЗ в электромагнитную волну за счёт переходного излучения. Установлены закономерности и особенности каждой стадии механизма просветления. Получены целостные представления о процессе исследуемого просветления в реальных пучково-плазменных системах с замагниченной неоднородной плазмой. Показано, что в главных своих чертах реальный механизм просветления соответствует предсказаниям линейной теории. Вместе с тем установлено, что на реализацию просветления существенное влияние оказывают нелинейные процессы пучково-плазменного взаимодействия с участием широкого спектра собственных колебаний пучково-плазменной системы в барьере. Установлено, что между областями локального плазменного резонанса (ОЛПР) для волн верхнегибридной дисперсионной ветви слабозамагниченной плазмы эти колебания являются результатом распространения и усиления в закритической плазме собственных волн пространственного заряда (СВПЗ) в электронном пучке, возникших вследствие его модуляции в ОЛПР. Выход СВПЗ на нелинейную стадию на определённом участке траектории электронного пучка в барьере приводит к их нестационарности, а электронный пучок — к потере моноэнергетичности, в результате чего включается механизм затухания всех существующих в нём ВПЗ.

Показано, что трансформация ВПЗ в электромагнитную волну происходит преимущественно в ОЛПР на выходе из области закритической плазмы. Обнаружено, что такая же трансформация реализуется и для СВПЗ. Показано, что поперечная ограниченность плазмы проводящими поверхностями, конфигурация последних, а также поперечная неоднородность плазмы, типичные для широкого класса лабораторных систем, определяют вид частотного спектра электромагнитного сигнала, реализующегося при просветлении плазменного барьера с помощью электронного пучка.

Установлено, что эффективность просветления барьера однозначно связана с амплитудой ВПЗ на выходе из него, которая, в свою очередь, определяется конкуренцией процессов усиления и затухания ВПЗ внутри барьера. Это проявляется в существовании оптимальных с точки зрения прозрачности барьера параметров электронного пучка, используемого для его просветления.

Ключевые слова: плазменный волновой барьер, электромагнитная волна, электронный пучок, волна пространственного заряда, пучково-плазменное взаимодействие, переходное излучение.

summary

D. B. Palets. The experimental investigation of the transillumination of plasma barriers for electromagnetic waves by means of electron beams. — Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences (equivalent to Philosophy Doctor) by speciality 01.04.08 — Plasma physics. — Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2002.

The thesis deals with an experimental investigation of previously theoretically predicted transillumination of plasma barriers for electromagnetic waves via a three-stage mechanism. The latter consists in a) modulation by an incident wave of the electron beam which penetrates the barrier and excitation in it fast and slow space charge waves (SCW); b) amplification of the slow SCW in the barrier plasma of negative permittivity; c) transformation of the slow SCW into electromagnetic one due to transitional radiation at the barrier outlet. The regularities and peculiarities of each stage of this mechanism are determined. A coherent view of the investigated transillumination process in actual beam-plasma systems is obtained. It is shown that in its main features the virtual transillumination process matches to that theoretically predicted. Its realisation is found to be strongly affected by nonlinear beam-plasma interaction processes involving the beam-plasma system eigenmodes in the barrier which results in the lost of electron beam's energy homogeneity and reduces the transillumination efficiency. The existence of electron beam parameters optimal in respect of the latter is shown.

Keywords: plasma wave barrier, electromagnetic wave, electron beam, space charge wave, beam-plasma interaction, transitional radiation.