Волны и неустойчивости в плазме и плазменная электроника
Руководитель - Кузелев Михаил Викторович
к. Ц-64, тел. 8(495)939-25-47
Группа занимается фундаментальными и прикладными исследованиями в области физики неравновесной плазмы. Развиваются четыре основных направления.
Электромагнитные волны и неустойчивости в плазме
Уникальность электродинамических свойств плазмы обусловлена дальнодействующим характером взаимодействия составляющих плазму частиц – электронов и ионов. Ленгмюровские колебания и дебаевское экранирование являются общеизвестными классическими проявлениями данной уникальности. Оказывается, в плазме имеется множество других колебаний и электромагнитных волн, имеющих весьма разнообразную физическую природу. Волны характеризуют дисперсионными зависимостями ω(k), ω – частота, 2π/k – длина волны. Например, в вакуумном волноводе имеется только набор электромагнитных волн с дисперсионной зависимостью типа голубой линии на рис. 1. Если поместить в волновод холодную изотропную плазму трубчатой геометрии, то к видоизмененной электромагнитной волне (зеленая линия, левый рисунок) добавятся принципиально новые типы волн – поверхностные плазменные (синяя и фиолетовая линии). При увеличении толщины трубчатой плазмы (правый рисунок) картина усложняется: световая и плазменная волны начинают взаимодействовать, дисперсия одной из плазменных волн становится аномальной (dω/dk<0). Внешнее магнитное поле, тепловое движение частиц, пространственные неоднородности качественно изменяют волновые свойства плазменных структур. Любые воздействия на плазму наиболее эффективны, если осуществляются на частотах близких к собственным. Поэтому изучение собственных колебаний и волн плазмы является важнейшей задачей физики плазмы.
Рис.1
В плазме развиваются многочисленные неустойчивости, обусловленные неравновесностью ее начального состояния. Ток, протекающий в плазме, затухает не за счет столкновений, а срывается значительно быстрее из-за неустойчивости, обусловленной взаимодействием электронных и ионных ленгмюровских волн – бунемановская неустойчивость. Другим классическим примером является неустойчивость электронного пучка в плазме, при которой пучок, проходя сквозь плазму, возбуждает в ней ленгмюровские колебания, передает плазме значительную часть энергии своего направленного движения (не за счет столкновений!), а сам термализуется. Динамика пучковой неустойчивости в плазме представлена на рис. 2,3. Рис. 2 – фазовые плоскости электронов пучка (синий цвет) и электронов плазмы (фиолетовый цвет). На фазовых плоскостях по вертикали откладывают скорости, а по горизонтали – координаты. Первый рисунок характеризует начальное состояние: скорость электронов плазмы равна нулю, а "рябь" на пучке обусловлена его малым шумовым возмущением. Следующий рисунок – развитая стадия неустойчивости, третий рисунок – стадия нелинейного насыщения: в плазме возбуждены ленгмюровские колебания, а пучок термализован. На рис. 3 показан спектр возмущений в плазме. На начальном этапе (зеленая линия) спектр широкий – шумовой. На стадии насыщения выделилась узкая спектральная полоса плазменных колебаний.
Рис.2
Рис.3
Теория плазменных неустойчивостей – один из основных разделов физики плазмы. Плазму надо не только уметь создать, важно еще удержать ее в требуемом состоянии и в течении необходимого промежутка времени. Кроме того, многие неустойчивости плазмы используются для преобразования энергии из одной формы в другие.
Вынужденное излучение релятивистских электронных пучков
Электромагнитные поля, создаваемые зарядами, подразделяют на собственные и излучаемые. Собственные поля (например, кулоновское поле) как "шубой": окружают заряд и связаны с ним неразрывно. Излучаемые поля отрываются от заряда (говорят, что заряд "раздевается") и уносятся в виде свободных электромагнитных волн. Пример – обычное дипольное излучение осциллирующего заряда. Частота ω дипольного излучения совпадает с частотой осцилляций Ω. И вообще, излучение возникает при совпадении собственной частоты электромагнитного поля с частотой, характеризующей движение заряда. Если заряд – электрон – помимо осцилляций движется поступательно со скоростью u, то излучение возникает при ω=ku+nΩ, n=0, ±1,..., где k – волновой вектор излучаемой волны.
Излучение одного электрона есть спонтанное излучение. Если электронов много – пучок электронов, то излучая спонтанно, они влияют друг на друга посредством поля излучения. Излучение фазирует (группирует) электроны в пучке. В итоге излучают уже не отдельные электроны, а электронные сгустки – возникает вынужденное излучение. На эффектах вынужденного излучения электронных пучков основаны принципы самых разнообразных источников мощных когерентных электромагнитных волн, от лабораторных и промышленных – до космических.
Механизм вынужденного излучения определяется природой (физической причиной) осцилляций электронов в пучке. Известны следующие основные механизмы: вынужденное излучение Вавилова-Черенкова (Ω=0, т.е. внешнее воздействие на электрон отсутствует); вынужденное циклотронное излучение (Ω есть частота вращения электрона в постоянном внешнем магнитном поле); вынужденное ондуляторное излучение (Ω обусловлена колебаниями электрона во внешнем поле накачки); вынужденное излучение в периодических структурах (Ω=2πu/λ, λ – пространственный период структуры). При Ω≠0 и в зависимости от фазовой скорости излучаемых волн различают также нормальный и аномальный эффекты Доплера. Излучение Вавилова-Черенкова и аномальный эффект Доплера возможны только в материальной среде (например, в плазме).
Пучок ультрарелятивистских электронов может излучать на очень высокой частоте ω=2γ2Ω>>Ω (γ – отношение энергии электрона к его энергии покоя), на чем основаны лазеры на свободных электронах – перспективные источники излучения инфракрасного, оптического и более короткого диапазонов длин волн. С разработкой теории, в особенности нелинейной, различных механизмов вынужденного излучения релятивистских электронных пучков связаны многие перспективные, важные и актуальные проблемы физики плазмы и физической электроники, имеющее помимо фундаментального и чисто практическое значение.
Плазменная релятивистская СВЧ электроника
При прохождении прямолинейного электронного пучка сквозь плазму возникают различные пучково-плазменные неустойчивости. Наибольший интерес представляют неустойчивости, связанные с резонансным вынужденным излучением электронами пучка собственных электромагнитных волн плазмы. Основные механизмы излучения – вынужденный эффект Черенкова и аномальный эффект Доплера. Возбуждение плазменных волн прямолинейным пучком легко осуществимо и энергетически высоко эффективно. Если возбужденные в плазме волны удастся вывести из плазмы в свободное пространство, то будет реализован мощный плазменный излучатель СВЧ электромагнитных волн. Разработке, теоретической и экспериментальной, подобных излучателей – генераторов и усилителей – посвящено научное направление физики плазмы – плазменная релятивистская СВЧ электроника. Принципиальная схема плазменного черенковского излучателя, успешно реализованная в экспериментах на основе предварительных теоретических исследований, представлена на рис. 4.
Рис. 4 1 – электронный пучок, 2 – металлический волновод, 3 – плазменный слой, 4 – система ввода излучения, 5 – излучающий рупор, 6 – катод, B – внешнее магнитное поле
К достоинствам плазменных излучателей, делающих их разработку весьма перспективной и актуальной, нужно отнести: наличие достаточно числа замедленных собственных волн, пригодных для возбуждения прямолинейным электронным пучком; возможность плавной перестройки частоты излучения путем изменения плотности плазмы; возможность использования пучков со сверхпредельными токами (из-за нейтрализации плазмой статического заряда пучка); простоту вывода релятивистских плазменных волн из объема плазмы в вакуум. В настоящее время плазменная релятивистская СВЧ электроника является интенсивно и успешно развивающейся областью физики плазмы, причем не только теоретической, но и экспериментальной. На рис. 5 изображены действующие экспериментальные плазменные релятивистские СВЧ генератор и усилитель большой мощности, реализованные в Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН в лаборатории плазменной электроники, руководимой д.ф.-м.н., проф. П.С.Стрелковым.
Рис. 5
Субтерагерцовая сильноточная электроника
Традиционно черенковские плазменные источники электромагнитного излучений рассчитаны на СВЧ диапазон (сантиметровые длины волн). Успехи по созданию традиционных плазменной СВЧ излучателей привели к идее их продвижения в более высокочастотную область (миллиметровые и субмиллиметровые длины волн). В результате зародилось новое направление электродинамики плазмы – субтерагерцовая плазменная сильноточная электроника. Термин «сильноточная» здесь является принципиальным, поскольку, учитывая мощность современных сильноточных пучков, можно рассчитывать на создание субтерагерцовых излучателей с мощностями в сотни мегаватт. Однако автоматический перенос существующих теоретических и экспериментальных результатов традиционной плазменной СВЧ электроники на более высокочастотный диапазон оказался невозможным. Повышение рабочей частоты в реализованных на сегодняшний день плазменных излучателях неизбежно влечет за собой использование более плотной плазмы, что приводит к необходимости изменения основных теоретических моделей плазменной СВЧ электроники, чем в последнее время интенсивно занимается наша научная группа.
Помимо перечисленных направлений исследований группа занимается электродинамикой квантовой плазмы, теорией лазеров на свободных электронах, теорией волн в пространственно ограниченной и неоднородной магнитоактивной плазме, нелинейными явлениями при электромагнитных процессах в неравновесной плазме. В общей сложности по перечисленным темам группой подготовлены тринадцать кандидатов и два доктора наук.
Учебники и монографии:
| Кузелев Михаил Викторович | д.ф.-м.н., профессор |
| Карташов Игорь Николаевич | к.ф.-м.н., доцент |
| Ершов Алексей Владимирович | аспирант |
| Медведев Ярослав Алексеевич | специалист |
| Туманов Александр Валерьевич | специалист |