Введение к работе
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ I.ПРОЦЕССЫ РЕЛАКСАЦИИ И РАСПАДАЮЩЕЙСЯ ПЛАЗМЕ ГАЗОВОГО Р/ЗРЯДА
НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ. 1.1.Релаксация функции распределения электронов в
положительном столбе гаснущего разряда. 1.2. Особенно с ти деионизации в гелии. Роль метастэбилышх
атомов. м
П. ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ СРЕДНИХ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА
ПЛАЗМУ В НЕОДНОРОДНОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ ЗЛЕКТРОМ/ЛіИТНОМ
ПОЛЕ. 13
П.1.Среднио силы в плоском слое неизотермической плазмы.Роль
пространственной дисперсии. 14
IJ.2.Усредненные силы, действующие на замагниченную плазму во
внешнем высокочастотном иоле. 20
III. ДИНАМИКА ИНдаЩИРОВАННЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ИНЖЕКЩИ
(I1.1.Развитие гидродинамической и диссипативной
неустойчивостей при кнкекции РЭП в замагниченную
плазму. 26
III.2.Динамика индуцированных полей при инжэкции в плазму РЭП
с тепловым разбросом. 30
IV.I.Параметрическое представление корней характеристического
уравнения в линейной теории пучковой неустойчивости. 35
ГV.2.Формулировка задачи на собственные значения.
Дисперсионно? уравнение. Пространственная структура
волнового- поля в резонаторе. 43
IV.3. Стационарные волны и волны с нараетапними
амплитудами. Физическая природа монотронной
неустойчивости. 46
Список основних работ, опубликованных по теме диссертации. 56
Введение, актуальность темы диссертации. Теоретическое и
экспериментальное исследование электромагнитных процессов в неравновесной ограниченной плазме является одной из центральных задач физики и химии плазмы - важнейшего раздела современной физики. Эти процессы присутствуют как необходимый элемент в Оолыиинстбо плазменных явлений как космического масштаба, так и в тех, которые реализуются в многочисленных устройствах, созданных человеком для своих практических нужд. Часто именно они играют определяющую роль в протекании самого явления, особенно в тех случаях, когда степень неравновесности плазмы велика, и нарастающие вследствие развития той или иной неустойчивости электромагнитные поля достигают большой интенсивности.
В истории развития электродинамики плазмы можно - выделить несколько этапов. На первом этапе при решении большинства электродинамических задач использовалась модель . независимых частиц, в основе которой декади уравнения движения частиц в полях эаданной конфигурации.
Ограниченность этой модели отчетливо проявляется в ряде новых физических явлений, которые были установлены в результате учета
'теплового движения частиц плазмы: дебаевская экранировка статического поля и бесстолкновительное затухание волн в равновесной плазме ( затухание Ландау ), явленно пучковой неустойчивости ( А.Й.Ахиезер, Я.Б.Файнберг,1949 г.) и т.п.На смену ей пришла вначале одножидкостная, а затем и многокидкостная гидродинамические модели плазмы. Это произошло вскоре после того, как е начале 50-х годов А.Д.Сахаров и И.Е.Тамм выдвинули идэю магнитной термоизоляции высокотемпературной плазмы, послужившую мощным стимулом для разработки проблемы управляемого термоядерного
, синтеза и необходимых для ее решения методов исследования плазмы.
'Гидродинамические модели позволили существенно расширить круг новых физических явлений, обнаруженных в плазме, однако неполная адекватность втих моделей при описании процессов, связанных с тепловым движением частиц, заставила продолжить разработку более совершенных методов описания плазмы.
Б связи с этим уместно отметить выдающийся вклад ряда ученых бывшего СССР в создание современного математического аппарата, пригодного Для описания очень широкого спектра электромагнитных
процессов в неравновесной плазме. Труда таких ученых как Н.Н.Боголюбов, А.А.Власов, В.Л.Гинзбург, А.А.Рухэдзе, В.П.Силин, В.Н.Цытович и др., давно стали классическими* вошли в учебники и монографии и получили признание во всем мире.
Помимо проблемы УТС с магнитным удержанием плазмы развитие строгих методов ее описания стимулировалось потребностями астрофизики, космонавтики, локации и средств связи, сильноточной релятивистской электроники ( как вакуумной, так и плазменной ), методов преобразования и транспортировки энергии, плозмохимии, лазерного УГС и т.п.. Н настоящему моменту разработку строгих методов описания электромагнитных процессов в неравновесной плазме (особенно в пространственно ограниченной) нельзя считать завершенной. В связи с происходящим в последние десятилетия развитием вычислительной техники появился мощный метод решения сложных электродинамических задач в системах с неравновесной плазмой - численное моделирование, основанное на/непосредственном интегрировании уравнений Максвелла для самосогласованного поля и уравнений движения частиц. Однако, не утратила своего' значения даже линейная аналитическая теория процессов, происходящих в таких системах, поскольку она способна предсказывать начальное направление протекания процессов в численном эксперименте. Как показывает практика, от содружества численного эксперимента с аналитической теорией выигрывает и та и другая сторона.
Целями диссертационной работы являлись:
- исследование релаксационных процессов, протекающих в тлеющем
разряде в газах после снятия внешнего .напряжения;
построение теории взаимодействия ограниченной плазмы с относительно слабым неоднородным переменным электромагнитным полем в области низких частот, когда существенно тепловое.движение обеих компонент плазмы;
изучение линейной динамики электромагнитного поля, порождаемого фронтом релятивистского пучка электронов ( РЭП ) при его инжекции в плазменный волновод;
разработка строгой линейной теории неустойчивости прямолинейного РЭП в отсутствие черенковского синхронизма.
Научная новизна результатов диссертационной работы:
- получено оригинальное решение кинетического уравнения типа
Фоккера-Планка для функции распределения электронов, описывающее
ее эволюцию во времени под влиянием упругих столкновений с
j томами;.
построена теория деионизации в гелии, где велика роль метастабильных атомов;
- разработана гидродинамическая теории средних сил, действующих на
ограниченную плазму со стороны переменного неоднородного
электромагнитного поля в условиях сильной пространственной
дисперсии. Установлено существование помимо объемной средней силы,
выталкивающей плазму из областей сильного поля, поверхностной
силы, имеющей поляризационный характер и втягивающей плазму в
такие области. Показано, что в замагниченной плазме действующая на
электроны объемная средняя сила может либо втягивать электроны в
области сильного поля, либо выталкивать их из этих областей в
зависимости от соотношения мезду ионно-звуковой и альфвеновской
скоростями;
- теоретически изучена динамика электромагнитных полей при
инжекции РЭП в замагниченный плазменный волновод. Установленно,
что рожденные фронтом пучка электромагнитные поля могут нарастать
во времени вследствие черенковского резонанса с пучком. В
зависимости от условий в волноводе и от начального состояния пучка
возможно развитие гидродинамической, диссипативной и кинетической
пучковых неустойчивостей;
- разработан новый способ строгого анализа характеристического
уравнения в линейной теории пучковой неустойчивости, основанный на
параметрическом представлении его корней. Эффективность данного
способа продемонстрирована на двух примерах: для потенциальных
волн в продольно неограниченной пучково-плазменной системе и для
непотенциальных волн в гладком резонаторе без плазмы. В первом
случае получены точные. формулы для комплексной частоты генерации
как в компактной параметрической форме, так и в громоздкой явной
форме. Во втором - в параметрической форме точные выражения для
продольных волновых чисел двух пучковых и двух электромагнитных
.волн, соответствующих произвольной комплексной частоте,
справедливые при любых значениях параметров системы. Сделан вывод
о возможности нарастания во времени амплитуд волн с комплексными
продольными волновыми числами;
- построена строгая линейная теория неустойчивости РЭП со
скомпенсированным пространственным зарядом в гладком закороченном
резонаторе. Выведаны дисперсионное уравнение и точные формулы для
комплексных амплитуд волн. На их основе проведено численное
моделирование процессов в резонаторе. Путем обработки полученных результатов выявлены основные закономерности процессов, которые выражаются компактными эмпирическими формулами. Выяснена физическая природа монотронной неустойчивости. Научная и практическая ценность.
-
Построена теория деионизэции в гелии, на количественном уроинн согласующаяся с результатами экспзрикентов, выполненных ь импульсном режиме горения разряда. На основе теории сделан вывод о принципиальной возмогаости существенного повышения светоотдачи приборов .с гелиевым наполнением.
-
Разработана гидродинамическая теория средних сил в ограниченной плазме, которая использовалась и используется при интерпретации результатов экспериментов по воздействию высокочастотного поля на газоразрядную плазму. Сделан определенный вклад, в общую теорию взаимодействия поля с ограниченной плазмой. Возмогло применение теории при объяснении процессов в установках по проблеме УТС.
-
Развита линейная теория, описывающая динамику полей, рождаемых фронтом РЭП в плазменном волноводе. Теория используется при разработке новых методов генерации электромагнитных полей в релятивистской плазменной электронике СВЧ.
-
Предложен новый способ анализа характеристических уравнений с помощью параметризации их решений, который может оказаться полезным во многих других случаях, помимо упомянутых выше.
-
Разработана строгая линейная теория нерезонансной неустойчивости, которая может быть использована как при решении вопросов транспортировки РЭП, так и вопросов генерации когерентного излучения большой мощности.
Вклад автора. В работах,выполненных коллективно, результаты которых выносятся на защиту, автором внесен определяющий вклад в постановку задач, выбор методов исследования, теоретический анализ л интерпретацию результатов.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты применялись и применяются:
- при исследовании физических процессов в газовом разрядо в МТУ (г. Москва);
при исследовании и создании новых мощных источников электромагнитного излучения в МТУ, ФИ РАН, ИОФ РАН (г. Моск.эа), Софийском университете (Болгария).
Апробация работы и публикации. Материалы, вошектив в
диссертационную работу, обсувдались на семинарах МГУ, ИОФ РАН, ФИ РАН, Тульских педагогического и политехнического институтов. По этим материалам сделаны доклада на Международной конференции в Бухаресте, всесоюзных кокфэренциях, симпозиумах и сег.ашарах в Ташкента, Киеве, Минске, Звенигороде, Томске,-Тулэ.
Основныэ результаты диссертации вошли в опубликованные в ведущих научных нурналах и изданиях 20 статей, 9 из которых написаны автором единолично.
