Динаміка модульованих електронних пучків у закритичній плазмі - Автореферат

Тому динаміка модульованих електронних пучків у плазмі становить інтерес з точки зору ряду прикладних задач, серед яких - використання таких пучків як випромінювачів електромагнітних хвиль в іоносферній та космічній плазмі, діагностика неоднорідної плазми за перехідним випромінюванням модульованих електронних пучків та згустків, просвітлення (індукована квазіпрозорість) плазмових барєрів для електромагнітних хвиль за допомогою електронних пучків та інше. Останнім часом динаміка модульованих електронних пучків у плазмі привертає увагу дослідників в звязку з проблемою створення прискорювачів заряджених частинок на кільватерних хвилях, збуджуваних електронними згустками чи їх послідовностями. Задача про еволюцію модульованого електронного пучка в плазмі на пізній стадії носить принципово нелінійний характер. В даній роботі еволюція модульованих електронних пучків у закритичній плазмі вивчається, в першу чергу, в звязку з проблемою перенесення електромагнітних хвиль крізь барєри закритичної плазми, що є частиною фундаментальної задачі про дослідження хвильових процесів у неоднорідній плазмі. Метою даної дисертаційної роботи було дослідити динаміку модульованого електронного пучка в однорідних та неоднорідних плазмових барєрах з урахуванням його поперечної обмеженості, а також конкуренції сигнальної моди (на частоті модуляції) та резонансних частот плазмово-пучкової системи, використовуючи компютерне моделювання методом макрочастинок.У підрозділі 2.2 проведено загальний аналіз процесів, що відбуваються в системі, співставлені величини, отримані в результаті моделювання, з аналітичними оцінками, розглядається залежність взаємодії між модами плазмово-пучкової системи від початкової глибини модуляції пучка. Під час руху пучка в плазмі разом з нестійкістю на частоті модуляції збуджується також резонансна нестійкість за черенковським механізмом, беручи свій початок від рівня шумів. Резонансній моді відповідає частота фазового синхронізму електронів пучка та збудженої пучком ленгмюрівської хвилі, що може бути обчислена з дисперсійного рівняння для ленгмюрівських хвиль, де фазова швидкість хвилі vph прирівнюється до швидкості електронів пучка vb: , (1) де fpe - електронна плазмова частота, VTE - теплова швидкість електронів плазми. У підрозділі 2.4 розглядається залежність характеру взаємодії між резонансною та нерезонансною (на частоті модуляції) модами плазмово-пучкової системи від густини струму пучка, яка визначає режим турбулентності в плазмово-пучковій системі. Режим слабкої турбулентності реалізується, якщо енергія резонансних коливань, збуджених пучком, менша від певного порогового значення, необхідного для розвитку модуляційної нестійкості і спонтанної локалізації коливань у просторі [4*]: , (2) де Е0 - максимальна амплітуда напруженості електричного поля хвилі, збудженої електронним пучком у плазмі, np - концентрація плазми, Te - температура електронів плазми, k0 - хвильовий вектор збудженої хвилі.У дисертаційній роботі досліджено динаміку модульованого електронного пучка в барєрах однорідної та неоднорідної закритичної плазми за допомогою компютерного моделювання методом макрочастинок у одно-та двовимірній геометрії. Розглянуто еволюцію функції розподілу електронів пучка за швидкостями, вплив на динаміку пучка його початкової модуляції та густини струму, неоднорідності барєра, обмеженості пучка в поперечному напрямку. Вперше коректно показано, що в однорідній закритичній плазмі конкуренція між резонансною та сигнальною (на частоті початкової модуляції) модами плазмово-пучкової системи приводить до захоплення електронів пучка резонансною модою і придушення нерезонансної моди. Аналіз функцій розподілу електронів для модульованих і немодульованих пучків продемонстрував, що глибока початкова модуляція пучка придушує розвиток резонансної нестійкості на невеликих віддалях від інжектора. В режимі сильної турбулентності спостерігається розвиток модуляційної нестійкості, а для малих та великих значень початкової глибини модуляції пучка реалізуються різні режими взаємодії резонансної та нерезонансної нестійкостей - відповідно конкуренція мод із захопленням електронів пучка резонансною модою та нелінійна стадія нерезонансної нестійкості.

2. Основний зміст роботи

У дисертаційній роботі досліджено динаміку модульованого електронного пучка в барєрах однорідної та неоднорідної закритичної плазми за допомогою компютерного моделювання методом макрочастинок у одно- та двовимірній геометрії. Розглянуто еволюцію функції розподілу електронів пучка за швидкостями, вплив на динаміку пучка його початкової модуляції та густини струму, неоднорідності барєра, обмеженості пучка в поперечному напрямку. В результаті аналізу виконаних розрахунків можна зробити такі висновки.

1. Вперше коректно показано, що в однорідній закритичній плазмі конкуренція між резонансною та сигнальною (на частоті початкової модуляції) модами плазмово-пучкової системи приводить до захоплення електронів пучка резонансною модою і придушення нерезонансної моди. Резонансна нестійкість виникає та розвивається в широкій смузі частот, а її спектр є неперервним. Розширення частотної смуги для резонансної нестійкості зумовлюється процесами l-s розпаду збуджених пучком ленгмюрівських хвиль. Аналіз функцій розподілу електронів для модульованих і немодульованих пучків продемонстрував, що глибока початкова модуляція пучка придушує розвиток резонансної нестійкості на невеликих віддалях від інжектора.

2. За допомогою компютерного моделювання було визначено діапазони густин струмів пучка, що відповідають різним режимам плазмово-пучкової турбулентності. Проаналізовано характер взаємодії між резонансною та нерезонансною модами в залежності від густини струму пучка. Показано, що в режимі слабкої турбулентності інкременти обох мод є малими, і на проміжку моделювання кожна з них розвивається незалежно від іншої. В режимі сильної турбулентності спостерігається розвиток модуляційної нестійкості, а для малих та великих значень початкової глибини модуляції пучка реалізуються різні режими взаємодії резонансної та нерезонансної нестійкостей - відповідно конкуренція мод із захопленням електронів пучка резонансною модою та нелінійна стадія нерезонансної нестійкості. У режимі надсильної турбулентності реалізується типовий для даного режиму ефект квазіперіодичного просвітлення плазми для електронного пучка.

3. Показано, що спектр власних коливань плазмово-пучкової системи, які збуджуються пучком при поширенні в неоднорідному плазмовому барєрі і конкурують із сигналом на частоті модуляції, змінюється в просторі і залежить від форми барєра. Динаміка модульованого електронного пучка в неоднорідному плазмовому барєрі визначається співвідношенням між довжиною барєра L, характерною довжиною неоднорідності густини плазми в барєрі Дх та довжиною розвитку плазмово-пучкової нестійкості , де - інкремент нестійкості. В залежності від комбінації цих параметрів можна виділити три характерні режими: режим малих інкрементів - , режим помірних інкрементів - , режим великих інкрементів - . У режимі малих інкрементів неоднорідність барєра суттєво впливає на розвиток плазмово-пучкової нестійкості. В режимі помірних інкрементів вплив неоднорідності барєра на розвиток плазмово-пучкової нестійкості помітний слабше. Нарешті, в режимі великих інкрементів цей вплив стає несуттєвим.

4. За допомогою моделювання виявлено два характерні режими взаємодії модульованого електронного пучка з неоднорідним плазмовим барєром в залежності від початкової глибини модуляції. За малих глибин модуляції зростання сигналу на частоті модуляції обривається після проходження максимуму густини плазми, де електричне поле плазмових коливань різко зростає, а функція розподілу електронів пучка за швидкостями значно розширюється. Таким чином, у цьому режимі саме форма профілю концентрації плазми в барєрі визначає точку, де досягається максимальна амплітуда сигналу на частоті модуляції. Для великих початкових глибин модуляції максимальна амплітуда сигналу на частоті модуляції досягається за рахунок насичення плазмово-пучкової нестійкості на цій частоті, і динаміка пучка суттєво не відрізняється від випадку однорідних барєрів.

5. У двовимірній геометрії для поперечно обмеженого пучка було виявлено декілька суттєво нових ефектів у порівнянні з одновимірним випадком: поперечне фокусування електронів пучка, філаментація пучка, спричинена нестійкістю косої хвилі просторового заряду, поперечне розширення пучка та утворення в ньому порожнин. Показано, що для поперечно обмеженого модульованого електронного пучка, який рухається в однорідній закритичній плазмі, зберігається ефект придушення початкової модуляції за рахунок розвитку резонансної плазмово-пучкової нестійкості, досліджений раніше для одновимірної моделі.

1. Anisimov І.О. Evolution of the modulated electron beam in supercritical plasma: simulation of initial-boundary problem / Anisimov І.О., Kiyanchuk M.J. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: плазменная электроника и новые методы ускорения (5). - 2006. - № 5. - C.24-27.

2. Anisimov I.O. Interaction of the modulated electron beam with plasma: kinetic effects / Anisimov I.O., Kiyanchuk M.J., Soroka S.V., Velykanets’ D.M. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика плазмы (13). - 2007. - №1. -C.113-115.

3. Anisimov I.O. Evolution of a modulated electron beam in plasma for different modes of beam-plasma turbulence / Anisimov І.О., Kiyanchuk M.J. // Ukrainian Journal of Physics. - 2008. - Vol.53, №4. - P.381-387.

4. Anisimov I.O. Dynamics of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier: one-dimensional simulation using PIC method / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: плазменная электроника и новые методы ускорения (6). - 2008. - №4. - C.209-213.

5. Anisimov I.O. Dynamics of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier: kinetic effects / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: физика плазмы (14). - 2008. - №6. - C.129-131.

6. Anisimov I.O. Dynamics of the Modulated Electron Beam in the Inhomogeneous Plasma Barrier: One-Dimensional Simulation / Anisimov I.O., Soloviova M.J., Litoshenko T.Eu. // Journal of Plasma and Fusion Research SERIES. - 2009. - Vol.8. - P.0837-0841.

7. Anisimov I.O. 2D simulation of the transversely restricted modulated electron beam dynamics in the homogeneous plasma / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Вопросы атомной науки и техники. Серия: плазменная электроника и новые методы ускорения (7). - 2010. - №4. - С.43-46.

8. Anisimov I.O. Evolution of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier for various beam current densities: 1D simulation / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. Радіофізика та електроніка. - 2010. - №13. - C.4-7.

9. Anisimov I.O. Evolution of the modulated electron beam in plasma: computer simulation / Anisimov I.O., Kiyanchuk M.J. // Proceedings of the Fifth International Young Scientists Conference on Applied Physics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radiophysics. - Kyiv, Ukraine, 2005. - P.195-196.

10. Anisimov I.O. Evolution of the modulated electron beam in plasma: computer simulation of initial-boundary problem / Anisimov I.O., Kiyanchuk M.J. // Proceedings of the I International Conference “Electronics and Applied Physics”. - Kyiv, Ukraine, 2005. - P.157-158.

11. Kiyanchuk M.J. Evolution of the modulated electron beam in plasma: computer simulation of initial-boundary problem / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O. // 13th Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics. Kyiv National Taras Shevchenko University. Book of Abstracts. - Kyiv, Ukraine, 2006. - P.135-136.

12. Kiyanchuk M.J. Evolution of the modulated electron beam in supercritical plasma: simulation of initial-boundary problem / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O. // 13th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2006). Proceedings. Contributed Papers. - Kiev, Ukraine, 2006. - Report №D150p. - P.4.

13. Kiyanchuk M.J. Evolution of the modulated electron beam in supercritical plasma: simulation of initial-boundary problem / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O. // 13th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2006). Book of Abstracts. - Kiev, Ukraine, 2006. Pp. 239.

14. Kiyanchuk M.J. Calculation of the velocity distribution function for beam-plasma system using modified PDP1 package / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O., Soloviov D.Yu. // Proceedings of the Sixth International Young Scientists Conference on Applied Physics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radio Physics. - Kyiv, Ukraine, 2006. - P.188-189.

15. Anisimov I.O. Interaction of the modulated electron beam with plasma: kinetic effects / Anisimov I.O., Kiyanchuk M.J., Soroka S.V., Velykanets" D.M. // 11th International Conference - School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of Abstracts. - Alushta (Crimea), Ukraine. 2006. - P.130.

16. Kiyanchuk M.J. Interaction of the modulated electron beam with supercritical plasma: kinetic effects / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O. // Proceedings of the II International Conference “Electronics and Applied Physics”. - Kyiv, Ukraine, 2006. - P.133-134.

17. Kiyanchuk M.J. Evolution of the modulated electron beam in plasma: simulation for different modes of beam-plasma turbulence / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O. // Proceedings of the Seventh International Young Scientists Conference on Applied Physics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radio Physics. - Kyiv, Ukraine, 2007. - P.134-135.

18. Kiyanchuk M.J. Evolution of the modulated electron beam in plasma: simulation for weak and strong beam-plasma turbulence / Kiyanchuk M.J., Anisimov I.O. // Proceedings of the III International Conference “Electronics and Applied Physics”. - Kyiv, Ukraine, 2007. - P.141-142.

19. Анісімов І.О. Еволюція модульованого електронного пучка в плазмі: компютерне моделювання для різних режимів плазмово-пучкової турбулентності / Анісімов І.О., Кіянчук М.Й. // Українська конференція з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу. Програма. Збірник анотацій. Список учасників. - Київ, Україна, 2007. - C.9.

20. Soloviova M.J. Dynamics of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier: one-dimensional simulation using PIC method / Soloviova M.J., Anisimov I.O. // Proceedings of the Eighth International Young Scientists Conference on Applied Physics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radio Physics. - Kyiv, Ukraine, 2008. - P.140-141.

21. Anisimov I.O. Dynamics of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier: one-dimensional simulation using PIC method / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // 14th International Congress on Plasma Physics (ICPP 2008). Book of Abstracts. - Fukuoka, Japan, 2008. - P.155.

22. Anisimov I.O. Dynamics of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier: kinetic effects / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Alushta - 2008. International Conference - School on Plasma Physics and Controlled Fusion. Book of Abstracts. - Alushta (Crimea), Ukraine, 2008. - P.129.

23. Anisimov I.O. Dynamics of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier: kinetic effects / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Proceedings of the IV International Conference “Electronics and Applied Physics”. - Kyiv, Ukraine, 2008. - P.144-145.

24. Soloviova M.J. Evolution of the modulated electron beam in the inhomogeneous plasma barrier for various beam current densities: 1D simulation / Soloviova M.J., Anisimov I.O. // Abstracts of the IXTH International Young Scientists’ Conference on Applied Physics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radio Physics. - Kyiv, Ukraine, 2009. - P.84.

25. Anisimov I.O. Dynamics of the stripped modulated electron beam in the homogeneous plasma barrier / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Proceedings of the V International Conference “Electronics and Applied Physics”. - Kyiv, Ukraine, 2009. - P.128-129.

26. Анісімов І.О. Еволюція модульованого електронного пучка в неоднорідному плазмовому барєрі для різних густин струму пучка: одновимірне моделювання / Анісімов І.О., Соловйова М.Й. // Українська конференція з фізики плазми та керованого термоядерного синтезу. Програма. Збірник анотацій. Список учасників. - Київ, Україна, 2009. - С.54.

27. Соловйова М.Й. Еволюція модульованого електронного пучка в однорідному плазмовому барєрі: двовимірне моделювання / Соловйова М.Й., Анісімов І.О. // Сучасні проблеми теоретичної фізики. Програма та тези доповідей конференції молодих вчених. - Київ, Україна, 2009. - С.59.

28. Soloviova M.J. Modes’ Concurrence in Transversely Restricted Electron Beam Injected into Homogeneous Plasma / Soloviova M.J., Anisimov I.O. // Abstracts of the 17th Open Young Scientists’ Conference on Astronomy and Space Physics. - Kyiv, Ukraine, 2010. - P.62-63.

29. Soloviova M.J. Evolution of the transversely restricted modulated electron beam in the homogeneous plasma: 2D simulation / Soloviova M.J., Anisimov I.O. // Proceedings of the Xth International Young Scientists Conference on Applied Physics. Taras Shevchenko National University of Kyiv, Faculty of Radio Physics. - Kyiv, Ukraine, 2010. - P.166-167.

30. Anisimov I.O. Evolution of the modulated electron beam in the dense plasma barrier / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // International Congress on Plasma Physics (ICPP 2010). Latin American Workshop on Plasma Physics. Book of Abstracts. - Santiago, Chile, 2010. -P.259.

31. Anisimov I.O. Evolution of the modulated electron beam in the dense plasma barrier / Anisimov I.O., Soloviova M.J. // Alushta - 2010. International Conference - School on Plasma Physics and Controlled Fusion and 4th Alushta International Workshop on the Role of Electric Fields in Plasma Confinement in Stellarators and Tokamaks. Book of Abstracts. - Alushta (Crimea), Ukraine, 2010. - P.118.

Размещено на .ru