Незвичайно поляризовані поверхневі хвилі в плазмово—металевих структурах

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ім. В.Н. Каразіна

УДК 533.951

НЕЗВИЧАЙНО ПОЛЯРИЗОВАНІ ПОВЕРХНЕВІ ХВИЛІ

В ПЛАЗМОВО--МЕТАЛЕВИХ СТРУКТУРАХ

01.04.08 -- фізика плазми

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

СПОРОВ Олександр Євгенович

Харків 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти України та Науково--технічному центрі електрофізичної обробки Національної Академії Наук України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор Азаренков Микола Олексійович, декан фізико-технічного факультету Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Онищенко Іван Миколайович, заступник директора Інституту плазмової електроники та нових методів прискорення Національного наукового центру «Харківський фізико--технічний інститут», м. Харків.

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Мельник Валентин Миколайович, старший науковий співробітник Радіоастрономічного інституту НАН України, м. Харків.

Провідна установа: Науковий фізико -- технологічний центр Міністерства освіти та НАН України, м. Харків.

Захист відбудеться « 3 » березня 2000 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.051.12 в Харківському національному університеті ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти України за адресою:

61108, м. Харків, пр. Курчатова, 31, фізико-технічний факультет Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна, читальний зал бібліотеки №5.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці Харківського національного університету ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти України.

Автореферат розісланий « 2 » лютого 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Письменецький С.О.

Загальна характеристика роботи

дисперсія хвиля метал діелектрик

Актуальність теми. Хвильові процеси в плазмі вже довгий час привертають до себе увагу вчених. Це пов'язано з широкими можливостями їх практичного використання у різних областях фізики плазми, наприклад, у плазмовій астрофізиці, при нагріванні плазми в пристроях термоядерного синтезу, у плазмовій та твердотільній електрониці, при вирішенні прикладних питань фізики газового розряду, плазмохімії та плазмових технологій.

Плазма, як система багатьох частинок, характеризується великою кількістю власних коливань. Так, в ній можуть розповсюджуватися об'ємні хвилі. Через їх велике практичне значення (наприклад, у задачах, що пов'язані з нагріванням плазми в пристроях керованого термоядерного синтезу) саме вони довгий час були основним об'єктом вивчення. Але в реальних лабораторних умовах плазма завжди просторово обмежена. Приклади просторово обмеженої плазми також зустрічаються і в астрофізиці: плазмові хмари, які утворюються перед предметами, що рухаються, сліди, які залишаються в атмосфері після прольоту космічних тіл. Просторова обмеженість плазми створює умови для розповсюдження не тільки об'ємних хвиль, але й хвиль поверхневого типу (ПХ). Через те, що електромагнітна енергія ПХ локалізована біля межі розподілу середовищ, спрощується розв'язання проблем, пов'язаних із збудженням хвиль та виводом їх енергії з хвилеводів. Саме тому, ПХ використовуються в різноманітних пристроях плазмової та напівпровідникової електроніки. До того ж, в останній час з'явилося багато експериментальних робіт, в яких саме ПХ визнаються за причину нагрівання периферії плазми та забруднення її домішковими іонами.

Наявність зовнішнього магнітного поля у плазмі значно розширює спектр власних частот хвилеводної системи. Так, наприклад, існування в плазмі циклотронних хвиль обумовлено наявністю зовнішнього магнітного поля та скінченністю ларморівського радіусу заряджених частинок.

Властивості поверхневих хвиль, як правило, вивчаються у трьох основних напрямках:

I. досліджується залежність дисперсійних властивостей хвиль від параметрів хвилеводної структури;

II. досліджується ефективність збудження ПХ;

III. вивчається можливість їх практичного використання;

На відміну від об'ємних хвиль, дисперсійні властивості ПХ суттєво залежать не тільки від характеристик плазмового середовища, але й від типу, геометрії та електромагнітних властивостей межі розподілу середовищ. Можна виділити три основні типа ПХ по відношенню до поперечної структури хвилевода:

I. ПХ на межі плазми з діелектриком;

II. ПХ на межі розподілу двух плазмових середовищ з різними значеннями густини носіїв заряду;

III. ПХ на межі плазма -- метал.

На сьогодні найбільш вивченими є ПХ, які розповсюджуються вздовж межі плазма -- діелектрик. Хвилеводні структури другого типу реально зустрічаються в твердотільній плазмі, а в газовій плазмі таке наближення справедливо, коли розмір перехідної області між плазмовими середовищами з різними значеннями густини носіїв заряду значно менший за глибину проникнення хвилі. Моделювання плазми структурой, яка складається з декількох шарів плазми з різними значеннями густини носіїв заряду, дозволяє якісно оцінити вплив поперечної неоднорідності густини плазми на дисперсію ПХ. Властивості ПХ, що розповсюджуються вздовж межі плазма -- метал вивчені значно слабше. ПХ такого типу мають деякі особливості, порівняно з ПХ, які розповсюджуются вздовж межі плазма -- діелектрик. Так, наприклад, тангенційна компонента електричного поля ПХ може дорівнюватися нулю не тільки на межі, але і в глибині плазми, або мати максімум на деякій відстані від межі і експоненціально спадати в глибину плазми.

Взаємодія пучків заряджених частинок з плазмою призводить до інтенсивної генерації електромагнітних хвиль з частотами та інкрементами, що визначаються параметрами пучка та плазми. Питання пучкового збудження ПХ вивчено значно слабше, ніж об'ємних хвиль. ПХ можуть бути власними модами хвилеводних структур, а максимально ефективно збуджуються саме ці хвилі. Крім того, нелінійні процеси взаємодії пучка та хвиль в плазмі вивчено значно слабше лінійних, тому вважається актуальним розглянути процес нелінійної взаємодії кільцевого пучка електронів з власними модами плазмового циліндру, який відокремлено від металевого екрану діелектричним прошарком.

У лабораторних умовах плазма може знаходитись під дією зовнішнього змінного електричного поля. За таких умов існує можливість параметричного збудження ПХ. На відміну від об'ємних хвиль, інкременти параметричної нестійкості ПХ залежать від поперечних розмірів хвилеводної системи, а також від конструктивних властивостей хвилеводу. Вивчення умов параметричного збудження ПХ циклотронного типу вважається важливим ще і тому, що вони можуть розповсюджуватися в пристіночній області термоядерних реакторів, призводячи до нагрівання периферії плазми та забруднення її іонами домішок.

Останнім часом ПХ широко використовуються для створення та підтримання газових розрядів. Важливою особливістю газових розрядів на ПХ є урахування резонансних властивостей хвилеводних систем, що призводить до зниження енергозатрат у порівнянні з звичайним газовим розрядом. До переваг газових розрядів на ПХ слід віднести те, що вони можуть існувати у широких діапазонах частот генераторів та тисків робочого газу, відсутність ерозії електродів, можливість створення надчистої плазми великих об'ємів та використанням лише однієї робочої моди. Більшість робіт стосовно газових розрядів виконано у наближенні холодної плазми. Лише в останні роки з'явилися роботи, в яких у кінетичному наближенні числовими методами досліджується процес протікання газового розряду на ПХ. Тому вважається актуальним дослідити можливість підтримки газового розряду за допомогою ПХ на гармоніках електронної та іонної циклотронних частот. Використання хвиль такого типу для підтримки газових розрядів вважається актуальним ще в зв'язку з наявністю добре розроблених джерел ВЧ енергії, що працюють в області електронних та іонних циклотронних частот.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційну роботу було виконано у межах досліджень, що проводяться на кафедрі загальної та прикладної фізики Харківського національного університету, а саме:

“Теоретичне дослідження електромагнітних властивостей обмежених плазмоподібних утворень” (номер держреєстрації 0194U018592);

“Дослідження нелінійних, параметричних явищ під час високочастотного нагрівання плазми та матеріалів для її діагностики” (номер держеєстрації 0194U018583);

“Електродинамічні властивості обмежених плазмоподібних структур та прикладні аспекти проблеми” (номер держеєстрації 0197U002504).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розвиток теорії розповсюдження ПХ у просторово обмежених плазмово -- металевих структурах та теорій пучкового та параметричного збудження ПХ, а також розгляд прикладних аспектів використання ПХ. Для реалізації цієї мети було розв'язано наступні задачі:

Досліджена можливість розповсюдження високочастотних ПХ у хвилеводній структурі типу: гофрована металева стінка -- діелектрик -- магнітоактивна плазма. Вивчено вплив параметрів даної хвилеводної структури на дисперсійні властивості хвилі. Також було досліджено питання про вплив поперечної неоднорідності густини плазми, скінченних поперечних розмірів шару плазми, величини зовнішнього магнітного поля та характеристик діелектричного покриття хвилеводу на дисперсію незвичайно поляризованих ПХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти.

Досліджено особливості дисперсії низькочастотних ПХ з незвичайною поляризацією на другій гармоніці іонної циклотронної частоти у поперечно неоднорідних структурах метал -- діелектрик -- плазма, з урахуванням скінченних поперечних розмірів.

Проведено числове моделювання нелінійної стадії взаємодії кільцевого пучка електронів з ПХ, яка розповсюджується поперек зовнішнього магнітного поля у циліндричному хвилеводі, що складається з плазмового циліндру -- діелектрика (вакуума) -- металевого екрану. Досліджено особливості збудження незвичайно поляризованих ПХ на другий гармониці електронної циклотронної частоти у зовнішньому змінному електричному полі. Досліджено теоретичну модель дифузійного режиму стаціонарного газового розряду, що підтримується незвичайно поляризованими поверхневими хвилями на другий гармониці електронної та іонної циклотронної частоти за умов омічного нагрівання плазми.

Наукова новизна одержаних результатів. В процесі написання дисертації:

Отримала подальший розвиток теорія розповсюдження ПХ в слабко гофрованих магнітоактивних плазмових хвилеводах. Вивчені особливості дисперсії незвичайно поляризованих поверхневих хвиль, що розповсюджується в планарному металевому хвилеводі, частково заповненому плазмою. Отримані вирази для поправок до власної частоти поверхневої хвилі, що обумовлені гофруванням металевої стінки хвилевода. Аналітично та за допомогою ЕОМ проаналізовно вплив слабкого гофрування металевої стінки хвилеводу на розповсюдження поверхневої хвилі для різних параметрів хвилеводної структури.

Досліджено особливості дисперсії незвичайно поляризованих циклотронних хвиль на другий гармониці як електронної, так і іонної циклотронної частоти (НПЦХ), що розповсюджуються в планарних хвилеводних структурах типу: поперечно неоднорідна по густині плазма - металева стінка та поперечно неоднорідна плазма - діелектричний прошарок - металева стінка поперек до зовнішнього сталого магнітного поля, яке спрямовано вздовж межі плазми. Вивчено вплив параметрів діелектричного прошарку та інших параметрів хвилеводної структури на дисперсійні властивості НПЦХ.

Досліджено особливості розповсюдження НПЦХ в планарному плазмово - металевому хвилеводі скінчених поперечних розмірів, як з дієлектричним покриттям стінок так і без нього. Числовими методами показано, що вплив поперечних розмірів плазмового шару на дисперсійні властивості НПЦХ істотний лише в хвилеводній структурі плазма - метал, коли глибина проникнення НПЦХ стає одного порядку з поперечними розмірами структури.

Отримала подальший розвиток теорія збудження азимутальних поверхневих хвиль (АПХ) пучками заряджених частинок. В одномодовому наближенні досліджено особливості процесу резонансної нелінійної взаємодії кільцевого пучка електронів та АПХ.

Отримала подальший розвиток теорія параметричного збудження НПЦХ у обмежених плазмово - металевих хвилеводних структурах. За допомогою ЕОМ проаналізовано вплив параметрів хвилеводної структури та зовнішнього змінного монохроматичного електричного поля на рівень інкремента параметричної нестійкості незвичайно поляризованої поверхневої хвилі на другий гармониці електронної циклотронної частоти. Показано можливість ефективного керування процесом розвитку параметричної нестійкості НПЦХ за допомогою зміни параметрів плазмового наповнення системи та амплітуди зовнішнього змінного монохроматичного електричного поля.

Отримала подальший розвиток теорія газового розряду, що підтримується ПХ в планарних розрядних структурах. Показана принципова можливість створення джерела плазми на НПЦХ в режимі омічного нагрівання. Вивчено вплив товщини діелектричного покриття стінок розрядної структури та величини зовнішнього магнітного поля на просторову структуру НПЦХ та просторовий розподіл густини плазми. Показано, що зменшення товщини діелектричного прошарку та підсилення зовнішнього магнітного поля призводить до зростання довжини розряду та до збільшення об'єму плазми, що може підтримуватись у розряді.

Практичне значення одержаних результатів. Результати, що отримані автором дисертаційної роботи мають велике значення для розвитку фізики плазми та плазмоподібних середовищ. Дисперсійні властивості ПХ, що досліджені в дисертаційній роботі, доповнюють дані про спектр власних збурень магнітоактивної, просторово обмеженої плазми. Вивчення нелінійної взаємодії пучка електронів та АПХ дозволяє провести, у першому наближенні, моделювання гіротрона з плазмовою вставкою. Дослідження параметричної нестійкості НПЦХ в зовнішньому електричному полі має практичне значення для моделювання параметричних явищ в пристіночній області термоядерних пристроїв при електронному циклотронному нагріванні плазми. Побудовано модель газового розряду на НПЦХ в режимі омічного нагрівання, що дозволяє оцінити залежність довжини розряду, об'єму підтримуваної плазми та просторового розподілу густини плазми від величини зовнішнього магнітного поля. Отримані результати можуть бути основою для проведення експериментів та для інтерпретації їх результатів.

Отримані результати можуть бути використані у наукових дослідженнях Харківського національного університету, ННЦ “Харківський фізико -- технічний інститут”, ІРЕ НАН України (м. Харків), Інституту ядерних досліджень (м. Київ), Інституту теоретичної фізики (м. Київ), Інституту фізики (м. Київ), Національного університету ім. Т. Шевченко (м. Київ).

Особистий внесок здобувача. У наукові праці, що опубліковано за темою дисертиції, здобувач особисто зробив такі внески:

1. Отримав вирази для поправок до власної частоти ПХ, що обумовлені гофруванням металевої поверхні хвилеводу. Виконав числовий аналіз дисперсійного рівняння для незвичайно поляризованих ПХ, що розповсюджуються у магнітоактивному гофрованому хвилеводі поперек зовнішнього магнітного поля.

Проаналізував за допомогою ЕОМ вплив поперечної неоднорідності густини плазми на дисперсійні властивості незвичайно поляризованих поверхневих хвиль на гармоніках як електронної, так і іонної циклотронної частоти в хвилеводних структурах типу плазма -- метал з діелектричним прошарком між плазмою та металевою стінкою хвилеводу, та без нього [1--3, 6].

Числовими методами підтвердив наявність розщеплення спектру незвичайно поляризованих циклотронних поверхневих хвиль на другій гармониці електронної та іонної циклотронної частоти в планарних металевих хвилеводах при зменшенні поперечних розмірів.

Виконав числове моделювання резонансної пучкової нестійкості за умови нелінійної взаємодії АПХ та кільцевого пучка електронів у одномодовому наближенні [5, 8].

Провів числовий аналіз залежності інкрементів параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти від параметрів хвилевода та зовнішнього змінного електричного поля [4].

Зробив оцінку просторових параметрів газового розряду, що підтримується НПЦХ на другій гармоніці, як електронної так і іонної циклотронної частоти для типових експериментальних значень густини плазми та величини зовнішнього магнітного поля. Виявив, що довжина газового розряду та об'єм плазми, що підтримується у розряді, збільшуються з ростом величини зовнішнього магнітного поля у режимі омічного нагрівання плазми.

Здобувач також брав участь в постановці усіх задач, що були досліджені.

Апробація результатів дисертації та публікації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались на:

37-х щорічних зборах підрозділу фізики плазми Американського фізичного товариства (Луісвілль, США, 1995),

12-й міжнародній конференції з взаємодії плазми з поверхнею у пристроях термоядерного синтезу (Сан-Рафаель, Франція, 1996),

23-й щорічній конференції з фізики плазми IEEE (Бостон, США, 1996),

23-й конференції Європейського фізичного товариства з керованого синтезу та фізики плазми (Київ, Україна, 1996),

10-х спільних робочих зборах з електронної циклотронної емісії та резонансного електронного циклотронного нагрівання (Амеланд, Нідерланди, 1997),

спільному міжнародному конгресі з фізики плазми та 25-й конференції Європейського фізичного товариства з керованого синтезу та фізики плазми (Прага, Чехія,1998),

та семінарах з нелінійних явищ та фізики плазми (ХДУ, Харків).

Основний зміст дисертаційної роботи опубліковано у 9 друкованих роботах, у тому числі в 5-ти наукових статтях та 4-х доповідях на конференціях.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків та списку використаних джерел з 169 найменувань. Обсяг дисертації складає 134 сторінки, у тому числі 56 ілюстрацій.

Основний зміст

У вступі показано сучасний стан досліджень електродинамічних властивостей, методів збудження ПХ у плазмово -- металевих структурах, проаналізована можливість практичного використання ПХ у сучасних технологіях та обгрунтовано необхідність досліджень за напрямком дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячено вивченню дисперсійних властивостей високочастотних незвичайно поляризованих ПХ, які розповсюджуються у плазмово -- металевих хвилеводах різної поперечної структури поперек до зовнішнього магнітного поля.

У підрозділі 1.1 досліджено дисперсійні властивості ПХ, що розповсюджуються в планарній хвилеводній структурі типу металева стінка хвилеводу -- діелектричний прошарок -- плазмовий шар. Досліджено вплив слабкого гофрування металевої поверхні хвилеводу на дисперсійні властивості ПХ при скінчених зовнішніх магнітних полях. Показано, що ПХ, які розповсюджуються в цій хвилеводній структурі мають невзаємний характер. Підсилення зовнішнього магнітного поля призводить до зменшення фазової швидкості найбільш повільної хвилі, та до зростання фазової швидкості найбільш швидкої хвилі. Збільшення товщини діелектричного прошарку призводить до збільшення фазової швидкості ПХ, а збільшення діелектричної проникності діелектрика призводить до зменшення фазової швидкості хвилі. Слабке гофрування металевої стінки хвилеводу призводить до виникнення спектру просторових гармонік, які взаємодіють одна з одною в області перетинання дисперсійних кривих. Отримано поправки до частоти ПХ, що обумовлені гофруванням металевої поверхні. У області взаємодії просторових гармонік з сусідніми номерами (n=0, 1) ширина зони непрозорості лінійно залежить від параметру гофрування. У випадку взаємодії просторових гармонік з номерами, що відрізняються на 2 (n=1, -1) ширина зони непрозорості пропорційна квадрату параметра гофрування.

У підрозділі 1.2 розглядається вплив поперечної неоднорідності густини плазми на дисперсійні властивості НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти в планарній хвилеводній структурі плазма -- метал. Неоднорідність густини плазми апроксимується сходинковою функцією. У випадку щільної плазми, коли густина плазми збільшується при віддаленні від поверхні металу зменшення товщини перехідного прошарку призводить до уповільнення як основної, так і найбільш високочастотної додаткової моди та до збільшення фазової швидкості найбільш низькочастотної додаткової моди. У випадку розрідженої плазми, при тому ж профілю неоднорідності, зменшення товщини перехідного прошарку призводить до зростання фазової швидкості як основної, так і найбільш високочастотної додаткової моди та до зменшення фазової швидкості найбільш низькочастотної додаткової моди. У випадку щільної плазми, коли густина плазми зменшується при віддаленні від поверхні металу збільшується фазова швидкість як основної, так і всіх додаткових мод. У випадку розрідженої плазми, при тому ж профілю неоднорідності, фазова швидкість основної моди зменшується, у той час як фазові швидкості додаткових мод збільшуються.

У підрозділі 1.3 було розглянуто особливості поширення НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти в трикомпонентних планарних хвилеводних структурах типу метал -- діелектрик -- плазма. Показано, що наявність прошарку діелектрика, який відокремлює плазму від металевої стінки хвилеводу, призводить до розширення частотного спектра ПХ у порівнянні з поширенням хвиль даного типу в структурі плазма -- метал. З'являються моди, що розповсюджуються в протилежних напрямках вздовж межі розподілу середовищ та мають різні частоти при фіксованій довжині хвилі. Одночасне збільшення діелектричної проникності діелектрика та зменшення товщини діелектричного прошарку призводить до зникнення додаткових мод, що розповсюджуються в напрямку, протилежному напрямку ларморівського обертання електронів біля межі та до значного зростання фазової швидкості найбільш високочастотної додаткової моди, що поширюється в протилежному напрямку. Вплив поперечної неоднорідності густини плазми на дисперсію НПЦХ у трикомпонентній хвилеводній структури є аналогічним до впливу у випадку двокомпонентній структури плазма -- метал. При зменшенні середньої густини плазми зменшується фазова швидкість НПЦХ, а декремент загасання за рахунок зіткнень збільшується.

У підрозділі 1.4 були розглянуто особливості поширення НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти в планарних металевих хвилеводах скінченних поперечних розмірів як з діелектричним покриттям стінок, так і без нього. Показано, що параметри діелектричного прошарку слабко впливають на дисперсійні властивості НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти, що пояснюється малою глибиною проникнення поля цих хвиль в плазму. При цьому ПХ, що розповсюджуються поперек до зовнішнього магнітного поля у взаємно протилежних напрямках, мають різні частоти при фіксованій довжині хвилі. Зменшення товщини діелектричного покриття до нуля призводить до зникнення найбільше довгохвильових рішень, отже, НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти стають односпрямованими. Напрямок їх розповсюдження в металевому хвилеводі без діелектричного покриття, що повністю заповнено плазмою, визначається напрямком ларморівського обертання електронів плазми поблизу металевої стінки хвилеводу. Вплив поперечних розмірів плазми на дисперсійні властивості незвичайно поляризованих поверхневих хвиль на другій гармоніці електронної циклотронної частоти є суттєвим лише для хвилеводної структури плазма -- метал у випадку, коли поперечні розміри системи стають одного порядку з глибиною проникнення хвилі в плазму.

В другому розділі дисертаційної роботи вивчено вплив поперечної неоднорідності плазми, діелектричного прошарку та скінчених поперечних розмірів плазмової хвилеводної структури на дисперсійні властивості низькочастотних НПЦХ на другій гармоніці іонної циклотронної частоти. Неоднорідність густини плазми апроксимується сходинковою функцією.

У підрозділі 2.1 досліджено вплив поперечної неоднорідності густини плазми на дисперсійні властивості незвичайно поляризованої поверхневої хвилі на другій гармоніці іонної циклотронної частоти в планарній хвилеводній структурі плазма -- метал. У випадку коли густина плазми зростає при віддаленні від поверхні металу зменшення товщини перехідного плазмового прошарку у випадку слабких зовнішніх магнітних полів призводить до зменшення фазової швидкості як основної, так і усіх додаткових мод. У випадку розрідженої плазми при тому ж профілі неоднорідності густини плазми зменшення товщини перехідного плазмового прошарку призводить до зростання фазової швидкості основної і найбільше високочастотної додаткової моди. Фазова швидкість низькочастотної додаткової моди при цьому зменшується. У випадку слабких зовнішніх магнітних полів, коли густина плазми зменшується в напрямку від поверхні металу, зменшення товщини перехідного плазмового прошарку призводить до зменшення фазової швидкості основної і високочастотної додаткової моди та до зростання фазової швидкості низькочастотної додаткової моди. Зменшення перехідної області плазми у випадку сильного зовнішнього магнітного поля призводить до зменшення фазової швидкості основної моди і збільшенню фазових швидкостей усіх додаткових мод.

У підрозділі 2.2 досліджено особливості розповсюдження НПЦХ на другій гармоніці іонної циклотронної частоти в трикомпонентних планарних хвилеводних структурах типу метал -- діелектрик -- поперечно неоднорідна плазма. Показано, що наявність прошарку діелектрика, що відокремлює плазму від металевої стінки хвилеводу, призводить до розширення частотного спектра НПЦХ на другій гармоніці іонної циклотронної частоти у порівнянні з спектром хвиль даного типу в структурі плазма -- метал. З'являються моди, що розповсюджуються в протилежних напрямках вздовж межі розподілу середовищ і мають невзаємний характер розповсюдження. Одночасне збільшення діелектричної проникності діелектрика та зменшення товщини діелектричного прошарку призводить до значного зростання фазової швидкості найбільш високочастотної додаткової моди, що поширюється в напрямку ларморівського обертання іонів біля межі плазми. При достатньо малих значеннях товщини діелектричного прошарку додаткові моди, що розповсюджуються в протилежних напрямках, зникають. Зменшення середньої густини плазми призводить до уповільнення НПЦХ на другій гармоніці іонної циклотронної частоти.

У підрозділі 2.3 досліджено особливості розповсюдження НПЦХ на другій гармониці іонної циклотронної частоти у планарних металевих хвилеводах скінченних поперечних розмірів, як із діелектричним покриттям стінок, так і без нього. Показано, що зміна товщини та величини діелектричної проникності діелектрика слабко впливає на дисперсійні властивості НПЦХ на другій гармониці іонної циклотронної частоти. Це пояснюється малою глибиною проникнення поля цих хвиль у плазму та діелектрик. При цьому ПВ, що поширюються поперек зовнішнього магнітного поля у взаємно протилежних напрямках, мають різні частоти при фіксованій довжині хвилі. Напрямок їх поширення в металевому хвилеводі без діелектричного покриття визначається напрямком ларморівського обертання іонів плазми поблизу металевої стінки хвилеводу. Вплив поперечних розмірів плазми на дисперсію НПЦХ на другій гармоніці іонної циклотронної частоти є суттєвим лише для структури плазма -- метал у випадку, коли поперечні розміри системи стають одного порядку з глибиною проникнення хвилі в плазму. Зменшення товщини прошарку плазми призводить до збільшення фазової швидкості низкочастотної моди і до зменшення фазової швидкості високочастотної моди. Зменшення товщини діелектричного покриття до нуля призводить до зникнення найбільш довгохвильових мод, таким чином, незвичайно поляризовані поверхневі хвилі на другій гармоніці іонної циклотронної частоти стають односпрямованими.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячено вивченню особливостей пучкового збудження азимутальної ПХ (АПХ) та параметричного збудження НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти. Досліджується також можливість використання НПЦХ на гармоніках електронної та іонної циклотронної частоти для підтримування газових розрядів у режимі омічного нагрівання.

У підрозділі 3.1 в одномодовому наближенні за допомогою методу макрочастинок досліджено на ЕОМ взаємодію кільцевого пучка електронів малої густини з АПХ. Пучок обертається в області вакуумого прошарку, що відокремлює стовп плазми від циліндричної металевої стінки хвилеводу. Нелінійна взаємодія кільцевого пучка і власної моди хвилеводу призводить до формування згустків та їх поступове захоплення в потенціальні ями хвилі. Потім нестійкість виходить на стадію нелінійного насичення і характеризується коливаннями амплітуди огинаючої навколо стаціонарного значення.

У підрозділі 3.2 досліджено особливості параметричного збудження НПЦХ на другій гармоніці як електронної, так і іонної циклотронної частоти. Отримано аналітичні вирази для інкрементів параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти у граничних випадках тонкого і товстого шару плазми для монохроматичного змінного зовнішнього електричного поля малої амплітуди. За допомогою ЕОМ проаналізовано вплив параметрів плазмового хвилеводу та зовнішнього змінного електричного поля на величину інкремента параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармониці електронної циклотронної частоти. Показано, що інкремент параметричної нестійкості істотно залежить від амплітуди зовнішнього змінного електричного поля. На відміну від об'ємних циклотронних хвиль, інкремент параметричної нестійкості циклотронних хвиль поверхневого типу залежить від поперечних розмірів плазми: зменшення товщини плазмового шару призводить до зростання інкременту. Показано, що інкременти параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти зростають при збільшенні частоти зовнішнього монохроматичного електричного поля і слабко залежать від величини зовнішнього сталого магнітного поля.

У підрозділі 3.3 на основі електродинамічної моделі досліджено властивості газових розрядів, що підтримуються НПЦХ на другій гармониці електронної та іонної циклотронної частоти у режимі омічного нагрівання. Числовими методами проаналізовано просторовий розподіл поля НПЦХ у об'ємі розряду. Дослідження показали, що поле хвилі в області плазми слабко залежить від товщини діелектрика. Показано, що глибина проникнення поля НПЦХ незвичайно поляризованих поверхневих хвиль на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти у плазму порядку довжини хвилі і слабко залежить від густини плазми та діелектричної проникності діелектрика. Отримано аналітичні вирази для довжини газового розряду у випадках товстого та тонкого діелектричних прошарків. Зменшення товщини діелектрика та збільшення довжини хвилі робочої моди призводить до росту довжини розряду. Посилення зовнішнього магнітного поля призводить до збільшення як довжини розряду, так і об'єму плазми, що може підтримуватись у розряді.

У висновках викладено основні результати роботи.

Висновки

У дисертаційній роботі отримано наступні результати:

1. Вивчено особливості дисперсії незвичайно поляризованих поверхневих хвиль, що поширюються в слабко гофрованому планарному металевому хвилеводі, частково заповненому магнітоактивною плазмою. Показано, що ПВ, які поширюються в таких структурах, мають невзаємний характер. Зростання зовнішнього магнітного поля призводить до зменшення фазової швидкості хвилі, що поширюється з меншою фазовою швидкістю, та до зростання фазової швидкості хвилі, що поширюється з більшою фазовою швидкістю. Збільшення товщини діелектричного прошарку призводить до збільшення фазової швидкості ПХ, а збільшення діелектричної проникності діелектрика призводить до зменшення фазової швидкості хвилі. Показано, що слабке гофрування металевої стінки хвилеводу призводить до того, що з'являється спектр взаємодіючих просторових гармонік та утворюються зони непрозорості.

2. Досліджено особливості дисперсії НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти у поперечно неоднорідній по густині плазмі в планарній структурі плазма -- метал. Досліджено вплив діелектричного покриття металевої стінки хвилеводу на дисперсійні властивості НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти. Проаналізовано характер залежності частоти НПЦХ на другій гармониці електронної та іонної циклотронної частоти від параметрів хвилеводної структури числовими методами.

3. Розглянуто особливості розповсюдження НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти у планарному металевому хвилеводі скінченних поперечних розмірів як з діелектричним покриттям, так і без нього. Показано, що внаслідок малої глибини проникнення поля хвилі параметри діелектричного прошарка слабко впливають на дисперсію НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронной частоти. ПХ, що поширюються поперек зовнішнього магнітного поля у взаємно протилежних напрямках, мають різні частоти при фіксованій довжині хвилі. Зменшення товщини діелектричного покриття до нуля призводить до зникнення найбільш довгохвильових мод і НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти стають односпрямованими. Напрямок їх поширення в металевому хвилеводі без діелектричного покриття, повністю заповненому плазмою, визначається напрямком ларморовского обертання заряджених часток плазми поблизу металевої стінки хвилеводу. Вплив поперечних розмірів плазми на дисперсію НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти є суттєвим лише для структури плазма -- метал, поперечні розміри якої стають одного порядку з глибиною проникнення хвилі в плазму.

4. У одномодовому наближенні за допомогою метода макрочастинок досліджена взаємодію кільцевого пучка електронів малої густини з АПХ за допомогою ЕОМ. Нелінійна взаємодія кільцевого пучка електронів та власної моди хвилеводу призводить до розбиття пучка на згустки та до поступового їх захоплення в потенціальні ями хвилі. Потім нестійкість виходить на стадію нелінійного насичення і характеризується коливаннями амплітуди огинаючої навколо визначеного стаціонарного значення.

5. Досліджено особливості параметричної нестійкісті НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти. За допомогою ЕОМ проаналізовано вплив параметрів плазмового хвилеводу та монохроматичного змінного зовнішнього електричного поля на рівень інкременту параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти. Отримано аналітичні вирази для інкрементів параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти у граничних випадках тонкого і товстого шару плазми для монохроматичного змінного зовнішнього електричного поля малої амплітуди. Числовими розрахунками доведено, що інкремент параметричної нестійкості істотно залежить від амплітуди монохроматичного змінного зовнішнього електричного поля. На відміну від об'ємних циклотронних хвиль, інкремент параметричної нестійкості циклотронних хвиль поверхневого типу залежить від поперечних розмірів плазми: зменшення товщини плазмового шару призводить до зростання інкременту. Числовими розрахунками показано, що інкремент параметричної нестійкості НПЦХ на другій гармоніці електронної циклотронної частоти зростає при збільшенні частоти монохроматичного змінного зовнішнього електричного поля і слабко залежить від зовнішнього сталого магнітного поля.

6. Досліджено властивості газових розрядів, що підтримуються НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти у режимі омічного нагрівання. Досліджено вплив товщини діелектрика і величини зовнішнього магнітного поля на просторову структуру поля НПЦХ на другій гармоніці електронної та іонної циклотронної частоти. Отримано аналітичні вирази для довжини розряду в граничних випадках товстого і тонкого діелектричних прошарків. За допомогою ЕОМ показано, що зменшення товщини діелектрика або збільшення довжини хвилі робочої моди призводить до збільшення довжини розряду. Підсилення зовнішнього магнітного поля призводить до збільшення довжини розряду та об'єму плазми, що може підтримуватись у розряді.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Азаренков Н.А., Гирка В.А., Споров А.Е. Ионно - циклотронные поверхностные волны на границе плазма - металл // Физика плазмы. 1997. Т.23, №3. С. 252-257.

2. Azarenkov N.A., Girka V.O., Kondratenko A.M., Sporov A.E. Surface waves on the harmonics of the electron cyclotron frequency propagating along a plasma -- metal interface // Plasma Phys. Control. Fusion. 1997. V. 39. P. 375-388.

3. Azarenkov N.A., Girka V.O., Sporov A.E. Surface cyclotron waves in a nonuniform plasma filled metal waveguide with dielectrical coating // Physica Scripta. 1997. V. 55. P. 339-344.

4. Girka V.O., Sporov A.E. Parametric instability of surface waves on the second harmonic of electron cyclotron frequency in a plasma layer // Contrib. Plasma Phys. 1997. V. 37. P. 511-520.

5. Гирка В.О., Кондратенко А.М., Споров А.Е. Нелинейная теория пучкового возбуждения азимутальных поверхностных мод в металлических цилиндрических волноводах с плазменным наполнением // Журнал технической физики. 1999. Т. 69, №7. С. 84-88.

6. Azarenkov N.A., Girka V.O., Sporov A.E. Surface cyclotron waves in planar metal waveguides with plasma filling // Conference programm of 23rd IEEE international conference on plasma science. Boston (Massachusetts). 1996. 4HP09.

7. Girka V.O., Pavlenko I.V., Sporov A.E. Ion surface cyclotron waves in edge plasma of the fusion devices. // Contributed papers of the 23rd European physical society conference on controlled fusion and plasma physics. Kiev (Ukraine). 1996. P. 791-794.

8. Girka V.O., Pavlenko I.V., Sporov A.E. Propagating of the surface cyclotron waves in plasmas during ECRH // Contibuted papers of the of 10th joint workshop on electron cyclotron emission & electron cyclotron resonance heating. Ameland (The Netherlands). 1997. P. 629--636.

9. Girka V.O., Sporov A.E. Nonlinear theory of the interaction between annular electron beam and azimuthal surface waves // Contibuted papers of the International Congress on Plasma Physics combined with the 25th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Praha (Czech Republic). 1998. P. 2837-2840.

Анотація

Споров О.Є. Незвичайно поляризовані поверхневі хвилі в плазмово -- металевих структурах. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико -- математичних наук за спеціальністю 01.04.08 -- фізика плазми. -- Харківський національний університет, Харків, 1999.

Дисертацію присвячено питанням збудження та розповсюдження незвичайно поляризованих поверхнових хвиль у магнітоактивних плазмово -- металевих структурах. В роботі розглянуто вплив гофрованої поверхні, неоднорідності густини плазми та діелектричного прошарку скінчених розмірів на дисперсію поверхневих хвиль. Вивчені питання пучкового та параметричного збудження незвичайно поляризованих поверхневих хвиль. Побудовано модель стаціонарного газового розряду на поверхневих хвилях на другій гармониці іонної та електронної циклотронної частоти у режимі омічного нагрівання.

Ключові слова: поверхнева хвиля, циклотронна частота, резонансна пучкова нестійкість, параметрична нестійкість, газовий розряд на поверхневих хвилях.

Аннотация

Споров А.Е. Необыкновенно поляризованные поверхностные волны в плазменно -- металлических структурах. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико -- математических наук по специальности 01.04.08 -- физика плазмы. -- Харьковский национальный унивеситет, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена вопросам возбуждения, распространения и практического применения необыкновенно поляризованных поверхностных волн в магнитоактивых плазменно -- металлических волноводных структурах.

В первой главе диссерационной работы исследуются дисперсионные свойство высокочастотных необыкновенно поляризованных поверхностных волн. Исследованы особенности распространения высокочастотных необыкновенно поляризованных волн поверхностого типа в волноведущих структурах плазма -- слой диэлектрика -- слабо гофрированная металлическая стенка волновода. Получены аналитические выражения для поправок к частоте ПВ, обусловленные гофрированием металлической стенки. При помощи численных методов исследованы дисперсионные свойства ПВ при произвольных параметрах задачи. Исследованы, также особенности распространения необыкновенно поляризованных поверхностных волн на второй гармонике електронной циклотронной частоты в поперечно неоднородной плазме в волноводных структурах типа плазма -- металл, и плазма -- диэлектрик -- металл в случаях увеличения и уменьшения плотности плазмы при удалении от границы. Неоднородность аппроксимируется ступенчатой функцией. Также исследовано влияние конечных поперечных размеров волноводной структуры на дисперсионные свойства необыкновенно поляризованных поверхностных волн на второй гармонике електронной циклотронной частоты.

Во второй главе исследуется влияние поперечной неоднородности плазмы на дисперсионные свойства необыкновенно поляризованных поверхностных волн на второй гармонике ионной циклотронной частоты в волноводных структурах типа плазма -- металл и плазма -- диэлектрик -- металл при увеличении и уменьшении плотности плазмы при удалении от границы. Также исследованы особенности распространения необыкновенно поляризованных поверхностных волн на второй гармонике ионной циклотронной частоты в волноводных структурах конечных поперечных размеров.

В третьей главе исследованы вопросы пучкового возбуждения необыкновенно поляризованых азимутальных поверхностных волн (АПВ). Используя метод макрочастиц численно исследована эволюция огибающей АПВ и распределения электронов пучка в координатном (азимутальная и радиальная координаты) и фазовом (азимутальная координата и азимутальных импулься) пространствах. Исследованы также особенности параметрического возбуждения внешним, изменяющимся во времени, монохроматическим електрическим полем необыкновенно поляризованных поверхностных волн на второй гармонике электронной циклотронной частоты. Получены аналитические выражения для инкрементов параметрического возбуждения в приближении малой амплитуды внешнего переменного электрического поля. При помощи численных методов исследована зависимость инкрементов от параметров волновода и внешнего переменного электрического поля при различных значениях толщины слоя плазмы. На основе электродинамической модели разряда, теоретически показана возможность создания источника плазмы на необыкновенно поляризованных поверхностных волн на второй гармонике электронной и ионной циклотронной частоты. Получены выражения для длины газового разряда в случаях толстого и тонкого слоев диэлектрика. При помощи численных методов исследовано влияние параметров волноводной структуры на структуру поля волны, глубину проникновения волны и длину разряда.

Ключевые слова: поверхностная волна, циклотронная частота, резонансная пучковая неустойчивость, параметрическая неустойчивость, газовый разряд на поверхностных волнах.

Annotation

Sporov A.E. Extraordinary polarized surface waves in plasma -- metal structures. -- Manuscript.

Dissertation for a Candidate of Science Degree in Physics and Mathematics, speciality 01.04.08 -- Plasma Physics, Kharkiv National University, Kharkiv, 1999.

The dissertation is devoted to the problems of extraordinary surface waves excitation and propagation in magnetoactive plasma -- metal structures. The influence of gofr surface, plasma nonuniformity and dielectrical sheath of finite sizes on the dispersion of the surface waves is studied in this work. The problems of beam and parametrical excitation of extraordinary polarized surface waves are studied as well. The model of stationary gas discharges sustained by the surface waves at the second harmonics of ion and electron cyclotron frequencies is carried out under the regime of Ohmic heating.

Key words: surface waves, cyclotron frequency, resonant beam instability, parametrical instability, gas discharge sustained by surface waves.

Размещено на Allbest.ru