Властивості та збудження плазмових подвійних шарів, солітонів, пакетів і хвильових збурень в нерівноважних умовах

В розділі 6.2 розглянена модуляційна нестійкість косих високочастотних електромагнітних хвиль в замагніченій плазмі. Із співвідношення безперервності потоку високочастотної енергії і одержаних рівнянь показано, що в замагніченій плазмі розвиток модуляційної нестійкості може бути без захвата косих електронних хвиль зі значними груповими швидкостями, в той час, як модуляційна нестійкість електронних хвиль в незамагніченій плазмі супроводжується їх захватом.

Висновки

Наведемо основні результати, які одержані в дисертаційній роботі.

Досліджені властивості та збудження відокремленої хвилі, яка посилюється електронним пучком зі значним розкидом по швидкостям в замагніченому плазмонаповненому хвилеводі. Отримано рівняння типу КдВ, яке описує відокремлену хвилю. Показано, що в межах потенційної ями формується стрибок потенціалу, передній фронт ями крутіший, ніж задній, з ростом амплітуди ширина ями зменшується. Яма утворюється двома модами з близькими до лінійного законами дисперсії: електронним звуком і хвилею в замагніченому плазмонаповненому хвилеводі.

Розглянуто збудження косих високочастотних хвиль в замагніченій плазмі, а також високочастотних хвиль при суттєвому впливі на їх закон дисперсії «гарячого» електронного пучка і плазмових хвиль в металевому замагніченому хвилеводі. Розглянуто це збудження як розмитим по швидкостям пучком електронів в необмеженій в повздовжньому напрямку системі, так і при інжекції електронного пучка в напівобмежену систему. Показано, що може формуватись упорядкована в просторі «координата фазова швидкість» сукупність пакетів з фазовими швидкостями, далекими від максимальної. Ці пакети прозорі для електронів. При збудженні плазмових хвиль розмитим по швидкостям пучком електронів в необмеженій в повздовжньому напрямку системі може формуватись ланцюжок відбиваючих резонансні електрони цугів з максимальною фазовою швидкістю. Ці цуги на нелінійний стадії їх поведінки трансформуються в солітонні збурення.

Побудовано нелінійне рівняння і отримано його аналітичне рішення у вигляді електромагнітного солітонного збурення, яке розповсюджується зі швидкістю світла під кутом до магнітного поля в плоскому металевому плазмонаповненому хвилеводі. Показано, що швидкість солітонного збурення зростає, а ширина його зменшується з ростом його амплітуди. Для управління властивостями солітонного збурення є три параметра: поперечний розмір хвилевода, густина плазми та кут до магнітного поля, під яким розповсюджується збурення.

Досліджені властивості солітонів, які спостерігаються в експериментах і розповсюджуються зі швидкостями, близькими до теплових швидкостей електронів і іонів плазми. Показано, що залежності ширин і швидкостей солітонів від амплітуди протилежні для малих і великих амплітуд: при малих амплітудах з її зростанням ширини і швидкості солітонів зменшуються, а при великих амплітудах ширини і швидкості зростають.

За допомогою асимптотичних розкладень розвинено метод побудови рівнянь, які описують збудження високочастотних коливань з широким спектром і квазімонохроматичного пакету в одномірній плазмі з розмитим по швидкостям електронним пучком, починаючи від лінійної стадії пучкової нестійкості і закінчуючи нелінійною стадією насичення та встановлення квазістаціонарного стану.

Показано, що однорідне стаціонарне рішення квазілінійних рівнянь нестійке. Із-за наявності прольотних частинок з нерівноважною функцією розподілу розвивається модуляційна нестійкість, яка супроводжується захватом модульованим полем прольотних електронів. Поле коливань при цьому розбивається на ланцюжок коротких довгохвильових цугів, проміжок між якими набагато більший протягу цугу. Отримані нелінійні інкременти модуляційної нестійкості коливань з широким спектром і квазімонохроматичного пакету.

Близькість фазової та групової швидкостей довгохвильових високочастотних коливань приводить до переходу пакета, прозорого для частинок, в відображаючий резонансні частинки при досягненні певних амплітуд. Описано явище скорочення довжини високочастотного пакету з законом дисперсії, близьким до лінійного, в результаті обміну коливань енергією з електронами, які відображаються від переднього фронту пакета і які виходять із захвату.

Розглянуто можливість захвату високочастотних ленгмюрівських хвиль на електронному проміжку часу, коли рухомість іонів плазми несуттєва. Аналітично показано, що такий захват можливий фазовою порожниною електронів, яка розповсюджується зі швидкістю, порівняною з тепловою швидкістю електронів плазми.

Досліджено властивості і отримано нелінійний інкремент зростання амплітуди солітона, який формується на повільній іонній моді в струмовій плазмі. Показано, що солітон рухається зі швидкістю, близькою до теплової іонної і формується при відношенні температур електронів і іонів вище порогового.

Аналітично досліджені властивості і посилення несиметричних солітонних збурень, які формуються в плазмовому потоці і в струмовій плазмі з від'ємними іонами фулеренів. Побудовані і досліджені нелінійні рівняння в часткових похідних, які описують ці збурення. Отримані вирази для їх швидкостей і нелінійних інкрементів зростання амплітуд. Для формування ями великої амплітуди струмова швидкість повинна бути вище порогової, що і спостерігається. Яма гальмується з ростом амплітуди; ширина ями зменшується зі зростанням амплітуди. Передній фронт ями крутіший заднього. Отримано вираз для стрибка потенціалу, який формується в межах ями.

Побудований аналітичний опис посилення солітонних збурень при розвитку гідродинамічних резонансних нестійкостей, інкременти яких визначаються степеню 1/3 малого параметру. Розглянуто посилення солітона при розвитку нестійкості Бунемана, посилення електронного і іонно-звукового солітонів іонними пучками.

При певних параметрах плазми і хвилі урахування резонансних часток приводить до значного перенормування вираза для інтенсивності трьоххвилевої взаємодії. При цьому швидкість генерування розсіяної електромагнітної хвилі при трьоххвилевій взаємодії електромагнітної і повздовжньої високочастотної хвиль з урахуванням захвату електронів полем повздовжньої хвилі визначається більш сильною нелінійністю, степені 3/2, на відміну від квадратичної без урахування захвату часток.

Показано, що урахування рухомості іонів суттєво впливає на поріг розвитку нестійкості Пірса. Отримано універсальний параметр, який характеризує такий вплив. Цей параметр є відношенням кінетичних енергій електронів і іонів.

Показано, що посилення плазмовим потоком, який знаходиться в зовнішньому електричному полі, низькочастотних коливань і захвату цими коливаннями резонансних електронів, які рухаються разом з хвилею вздовж осі короткої котушки, приводить до додаткової радіальної поляризації електронів.

Аналітично досліджені властивості електричного подвійного шару, який стабілізований просторовою інверсією напрямку повздовжнього магнітного поля. Показано, що при певних умовах весь прикладений потенціал розподіляється в межах інверсії магнітного поля у вигляді подвійного шару. Отримана умова руйнування подвійного шару.

Проведено аналіз можливості формування біля границі плазми сильного електронного подвійного шару, який подавляє потік релятивістських електронів, що інжектуються в плазму. Отримані умови формування, властивості подвійного шару і степінь його впливу на плазму. Досліджено подвійний шар на стійкість.

Головнi результати дисертації надруковані в наступних роботах

Бакай А.С., Маслов В.И., Скибенко А.И., Солодовников Г.К. О возможности лабораторного моделирования процессов распространения электромагнитных волн в неоднородной ионосфере // Распределение электронов и физические процессы в полярной ионосфере. - Апатиты: 1981. - С. 90-96.

Maslov V.I. Electron beam reflection from the plasma due to double layer formation // Nonlinear and Turbulent Processes in Physics. - Singapore: 1990. - P.898-909.

Маслов В.И. Ускорение ионов двойным слоем, фомируемым релятивистским сильноточным пучком // Проект «АПЭКС». Научные задачи, моделирование, методика и техника проведения эксперимента. - М: Наука, 1992. - С. 137-141.

Maslov V.I. Properties and evolution of nonstationary double layers in nonequilibrium plasma // Double Layers and Other Nonlinear Structures in Plasmas. - Innsbruck: 1992. - P.82-92.

Маслов В.И. Обмен энергией захваченного пучка электронов с волной // Физика плазмы. -1990. - Т.16, N3. - С. 394-397.

Маслов В.И. Эволюция ионно-звуковой потенциальной ямы в токовой плазме // Физика плазмы. -1990. - Т.16, N6. - С. 759-763.

Maslov V.I. The influence of wave-trapped particles on the intensity of a three-wave interaction // Phys. Lett. A. -1990. - V.148, N5. - P.267-268.

Маслов В.И. Двойной слой, фомируемый релятивистским сильноточным пучком // Физика плазмы. -1992. - Т.18, N10. - С. 1310-1316.

Maslov V.I. The electron beam excitation of the potential well in a magnetized plasma waveguide // Phys. Lett.A. -1992. - V.165, N1. - P.63-68.

Schamel H., Maslov V.I. Ion dynamical effects in the Pierce diode problem // Phys. Rev. Lett. -1993. - V.70, N8. - P.1105-1107.

Maslov V.I., Schamel H. Growing electron holes in drifting plasmas // Phys. Lett.A. -1993. - V.178, N1-2. - P.171-174.

Schamel H., Maslov V.I. Adiabatic growth of electron holes in current-carrying plasmas // Physica Scripta. -1994. - V.T50. - P.42-46.

Maslov V.I., Onishchenko I.N. Evolution of localized perturbations propagating with ion velocities in ionosphere // Turkish J. of Physics. -1994. - V.18, N11. - P.1276-1278.

Maslov V.I. The enhancement by resonant electrons of intensity of stimulated scattering // Physica Scripta. -1995. - V.52. - P. 330-333.

Maslov V.I., Miroshnichenko V.I., Onishchenko I.N. Stochastic dissipation of low-frequency electromagnetic waves in ferrites // Ukr.J. Phys. -1995. - V.40, N5. - P. 504-506.

Иванов Б.И., Киценко А.Б., Маслов В.И., Онищенко И.Н. Механизм образования плазменной линзы для фокусировки ионных пучков МЭВ диапазона // ВАНТ. Серия: Ядерно-физические исследования. - Харьков: 1997. - Т. II. Вып. 4,5 (31, 32). - С. 111-113.

Maslov V.I., Oraevsky V.V., Ruzhin Yu. Ya. Ion acceleration in collective fields at electron beam injection from spacecraft in experiment «APEX» // Physica Scripta. -1998. - V.57. - P.453-455.

Егоров А.М., Маслов В.И. Нелинейный электромагнитный сверхширокий по частотам импульс // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Плазменная электроника и новые методы ускорения. - Харьков: 1998. Вып. 1 (1). - С. 76.

Лапшин В.И., Маслов В.И., Онищенко И.Н. C₆₀ ^- ускорение из области формирования самосогласованным солитонным электрическим полем // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1998. Вып. 1 (1). - С. 45.

Lapshin V.I., Maslov V.I., Onishchenko I.N., Volkov M. Excitation of electromagnetic soliton by an electron beam // ECA. -1998. - V.22c. - P.1027-1030.

Egorov A.M., Maslov V.I. Nonlinear electromagnetic pulse superwide in frequency space. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Физика плазмы. - Харьков: 1999. Вып. 1 (1), 2 (2). - Т.1. - С. 138-139.

Lapshin V.I., Maslov V.I. Excitation of ion-acoustic solitary perturbations in a plasma flow with heavy negative ions. // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. Вып. 1 (1), 2 (2). - Т.1. - С. 140-141.

Lapshin V.I., Maslov V.I., Onishchenko I.N. C₆₀ ^- acceleration outside the production region by selfconsistent solitary electric field. // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. Вып. 3 (3), 4 (4). - Т.2. - С. 189-190.

Bizukov A.A., Kashaba A.Y., Maslov V.I., Sereda K.N., Sereda N.D. Field distribution and plasma evolution in ion beam source with stabilized electric double layer. // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. Вып. 3 (3), 4 (4). - Т.2. - С. 209-211.

Maslov V.I., Onishchenko I.N. Ion-beam focusing by BGK low-frequency oscillations in plasma placed in nonhomogeneous magnetic field. // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. Вып. 3 (3), 4 (4). - Т.2. - С. 221-223.

Belan V., Butenko V., Ivanov B., Kiselev V., Kitsenko A., Linnik A., Maslov V., Ognivenko V., Onischenko I., Prishchepov V., Yegorov A. Focusing of large energy ion beams by removal currents of coaxial plasma source. // Вопросы атомной науки и техники. - Харьков: 1999. Вып. 3 (3), 4 (4). - Т.2. - С. 224-226.

Маслов В.И., Ольшанский В.В. Взаимодействие ионно-звуковых колебаний с частицами в токовой плазме. - Харьков: 1990. -8 с. (Препр. / ХФТИ; 90 - 55).

Maslov V.I. A double layer induced by a relativistic beam. - Kharkov: 1990. -10 p. (Preprint / KhPhTI; 90-38).

Maslov V.I. Change of three-wave interaction intensity by resonant particles // Proc. of Conf. «Plasma Electronics». - Kharkov: 1988. - P.190-191.

Маслов В.И. Эволюция ионно-звукового скачка и ямы потенциала // Тез. докл. конференции «Физика космической плазмы». - Ереван: 1989. - С. 81-82.

Маслов В.И. Дополнительный энергетический обмен волны с захваченными электронами // Тез. докл. «Физика космической плазмы». - Ереван: 1989. - С. 83-84.

Maslov V.I. High-density beam-plasma interaction // Proc. of 4th Int. Workshop on Nonlinear and Turb. Proc. in Physics. - Kiev: 1989. - P.391-394.

Маслов В.И. Ускорение ионов двойным слоем, фомируемым релятивистским сильноточным пучком // Тез. докл. Всесоюзн. совещания по ускорителям заряженных частиц. - М.: 1990. - С. 134-135.

Маслов В.И. Перенормировка резонансными электронами вынужденного рассеяния электромагнитных волн // Тр. 6-й Всесоюзн. конференции «Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой». - Душанбе: 1991. - С. 157.

Маслов В.И. Усиление солитона электронным пучком в замагниченном плазменном волноводе // Тр. 6-й Всесоюзн. Конф. «Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой». - Душанбе: 1991. - С. 89.

Maslov V.I., Onishchenko I.N. Potential well with potential shock in its vicinity on slow ion mode. // Proc. of Int. Workshop on plasma physics. - Kiev: 1992. - P.90-93.

Maslov V.I. Resonant electron renormalization of intensity of electromagnetic wave stimulated scattering // Proc. of Workshop on turbulent and nonlinear processes in plasma. Contributed papers. - Kiev (Ukraine). -1992. - P.87-89.

Maslov V.I. Potential well with the potential shock in its vicinity at a slow ion mode // Proc. of workshop on turbulent and nonlinear processes in plasma. Contributed papers. - Kiev (Ukraine). -1992. - P.90-93.

Maslov V.I. The excitation of three-dimensional nonmonotonous double layer in a magnetized, plasma waveguide // Proc. of 4th Symposium on Double Layers and Other Nonlinear Potential Structures in Plasmas. - Innsbruck: 1992. - P.381-385.

Maslov V.I. A double layer induced by a relativistic electron beam // Proc. of 4th Symposium on Double Layers and Other Nonlinear Potential Structures in Plasmas. - Innsbruck: 1992. - P.386-389.

Maslov V.I. Double layer at a slow ion mode // Proc. of 4th Symposium on Double Layers and Other Nonlinear Potential Structures in Plasmas. - Innsbruck: 1992. - P.390-394.

Maslov V.I. Back-wave wake-field excitation by bunches of relativistic electrons // Proc. of Workshop «Physics and applications of microwaves». - M.: 1993.

Maslov V.I. Evolution and properties of wave structures in nonequilibrium plasma // Physics in Ukraine. Int. Conference. Contributed Papers. Plasma Physics. - Kiev (Ukraine). -1993. - P.172-174.

Schamel H., Maslov V.I. Adiabatic growth of electron holes in current-carrying plasmas // Spring College on Plasma Physics. - Trieste (Italy). -1993.

Maslov V.I. Resonant electron renormalization of intensity of electromagnetic wave stimulated scattering //Proc. of 36th Meeting of DPP. - Minneapolis (USA). -1994.-P.1764.

Maslov V.I. Additional energy exchange of wave and wave-trapped electrons // Proc. of 36th Meeting of DPP APS. - Minneapolis (USA). -1994. - P.1764.

Maslov V.I. Growth of electron solitary perturbation in ion-beam-plasma system // Proc. of 36th Meeting of DPP APS. - Minneapolis (USA). -1994. - P.1764.

Bakai A.S., Maslov V.I. Modulation instability of plasma turbulence with taking into account the wave-particle resonance width // Proc. of 36th Meeting of DPP APS. - Minneapolis (USA). -1994. - P.1764.

Bakai A.S., Maslov V.I. Ordering of high frequency turbulence excited by electron beam in plasma-filled waveguide // Bull. of APS. 37th Annual Meeting of DPP. - Louisville (Kentucky). -1995. - V.40, N11. - P.1807.

Maslov V.I., Schamel H. Beam-plasma mechanism of ion-acoustic soliton excitation by double layer // Bull. of the APS. 37th Annual Meeting of DPP. - Louisville (Kentucky). -1995. - V.40, N11. - P.1853.

Maslov V.I., Oraevsky V.V., Ruzhin Yu. Ya. Ion acceleration in collective fields at electron beam injection from spacecraft in experiment «APEX». // Bull. of the APS. 37th Annual Meeting of DPP. - Louisville (Kentucky). -1995. - V.40, N11. - P. 1853.

Maslov V.I., Onishchenko I.N. Induced scattering of electromagnetic waves by plasma with corrugated distribution function of particles // Bull. of the APS. 37th Annual Meeting of DPP. - Louisville (Kentucky). -1995. - V.40, N11. - P.1856.

Bakai A.S., Maslov V.I. Kinetic shortening and nondispersive broadening of wave packet with linear dispersion relation // Bull. of APS. 37th Annual Meeting of DPP. - Louisville (Kentucky). -1995. - V.40, №11. - P. 1857.

Bizukov A.A., Maslov V.I., Sereda K.N. Particle dynamics in technological ion beam source with space stabilized double layer //Proc. of 38th Meeting of DPP APS.-USA. - 1996.-V.41.

Maslov V.I., Schamel H. Fast modulation of electron waves in magnetized plasma // Proc. of 38th Meeting of DPP APS. - USA. -1996. - V. 41.

Bakai A.S., Maslov V.I. Evolution and properties of chain of solitary perturbations in magnetosphere // Proc. of 38th Meeting of DPP APS. - USA. -1996. - V. 41.

Bakai A.S., Maslov V.I. Bump-on-tail instability in the earth's electron foreshock // Proc. of 38th Meeting of DPP APS. - USA. -1996. - V. 41.

Ivanov B.I., Maslov V.I., Onishchenko I.N. Longitudinal polarization of plasma flow in the field of magnetic barrier as a lens for focusing of ion beam // Int. Conference on Particle Acceleration. -1997.

Bizukov A.A., Maslov V.I., Sereda K.N. Field distribution and plasma evolution in ion beam source. // Proc. of 39th Meeting of DPP APS. - USA. -1997. - V. 42.

Maslov V.I. Analytical description of soliton excitation in plasma-filled waveguide by cold electron beam. // Proc. of 39th Meeting of DPP APS. - USA. -1997. - V. 42.

Lapshin V.I., Maslov V.I. Modulation instability of electron waves in magnetized plasma // Proc. of 39th Meeting of DPP APS. - USA. -1997. - V. 42.

Lapshin V.I., Maslov V.I. Modulation instability on ion time scale of high-frequency waves in magnetized plasma // Proc. of the Conf. On Plasma Physics. - Poland. -1997.

Lapshin V.I., Maslov V.I. Ion-acoustic soliton excitation by ion beam. // Proc. of the Conf. On Plasma Physics. - Poland. -1997.

Maslov V.I., Onishchenko I.N. Plasma flow in nonhomogeneous magnetic field as a lens for focusing of ion beams // The 24^th IEEE Int. Conf. on Plasma Science (ICOPS'97). -1997. - P.106.

Maslov V.I. Ion acoustic well of electrostatic potential formation in a dusty plasma flow // Int. Conf. on Plasma Physics. - Praha (Czech Republic). -1998.

Lapshin V.I., Maslov V.I., Onishchenko I.N., Volkov M. Excitation of electromagnetic soliton by electron beam // Int. Conf. on Plasma Physics. - Praha (Czech Republic). - 1998.

Maslov V.I. Excitation of Ion Solitary Perturbations in Current-Carrying Plasmas. // Proc. Conf98 on Dusty Plasmas. - USA. -1998.

Maslov V.I. Formation of Slow Electrostatic Potential Well in Nonequilibrium Plasma with Negative Ions C₆₀^- // Proc. Conf98 on Dusty Plasmas. - USA. -1998.

Maslov V.I. Excitation of Ion-Acoustic Soliton by Cold Ion Beam in Dusty Plasma. // Proc. Conf98 on Dusty Plasmas. - USA. -1998.

Lapshin V.I., Maslov V.I. Excitation of ion-acoustic solitary perturbations in a plasma flow with heavy negative ions. // Abstracts of the VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). -1998. - P.76.

Maslov V.I., Onishchenko I.N. Ion-beam focusing by BGK low-frequency oscillations in plasma placed in nonhomogeneous magnetic field. // Abstracts of the VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). -1998. - P.117.

Lapshin V.I., Maslov V.I., Onishchenko I.N. C₆₀ ^- acceleration outside the production region by selfconsistent solitary electric field. // Abstracts of the VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). -1998. - P.104.

Egorov A.M., Maslov V.I. Nonlinear electromagnetic pulse superwide in frequency space. // Abstracts of the VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). -1998. - P. 75.

Belan V., Butenko V., Ivanov B., Kiselev V., Kitsenko A., Linnik A., Maslov V., Ognivenko V., Onischenko I., Prishchepov V., Yegorov A. Ion beam focusing by plasma gun. // Proc. of the 6^th European Particle Accel. Conf. (EPAC'98). - Stockholm. -1998. - P. 1321.

Bizukov A.A., Kashaba A.Y., Maslov V.I., Sereda K.N., Sereda N.D. Field distribution and plasma evolution in ion beam source with stabilized electric double layer. // Abstracts of the VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). -1998. - P. 113.

Belan V., Butenko V., Ivanov B., Kiselev V., Kitsenko A., Linnik A., Maslov V., Ognivenko V., Onischenko I., Prishchepov V., Yegorov A. Focusing of large energy ion beams by removal currents of coaxial plasma source. // Abstracts of the VI Ukrainian Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion. - Alushta (Ukraine). -1998. - P. 118.

Bakai A.S., Maslov V.I. Controversies in quasilinear theory and wave structure formation in current-carrying plasma and at beam-plasma interaction. // Abstracts of Int. Toki Conf. On Plasma Physics and Contr. Fusion (ITC-9). - Toki (Japan). -1998. - P-II-40.

Размещено на Allbest.ru