Вопросы взаимной трансформации плазменных и электромагнитных волн в неоднородных плазменных волноводах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Харьковский государственный университет

ЗАГИНАЙЛОВ реннадий Иванович

ВОПРОСЫ ВЗАИМНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ ПЛАЗМЕННЫХ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ВОЛНОВОДАХ

01.04.08 - Физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

Харьков - 1994

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Харьковском государственном университете.

Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук, профессор Киевского государственного университета КОЦАРЕНЮ Николай Яковлевич;

- доктор физико-математических наук, профессор Харьковского педагогического университета ТКАЧ Юрий Владимирович;

- доктор физико-математических наук, профессор, начальник лаборатории радиоастрономического института АН Украины, г. Харьков,

БОЕВ Анатолий Григорьевич.

Ведущая организация - 12СТШТ теОРгТШСКОВ ШШ ' АН Украины.

Защита состоится " 4 " 1994 г. ц/бгбЬ час. на

заседании специализированного ученого совета Д 053.05.01 Харьковского государственного университета /310108, г. Харьков, пр-т Курчатова, 31, ауд. 301/.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке ХГУ.

Автореферат разослан " ^ " 1994 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета

Аз&ренков Н.А.

оэдая ХАРЛШРИСШа РЛЮЗЫ

Актуальность темы. Вопросы распространения и взаимной трансформации плазменных и электротгняткмх волн на оезких к плавных неоднородностях в равновесных и неравновесных плаз-' менных волноводах являются клетевыми при разработке и совершенствовании плазменных катодов генерации СЕЧ. и ускорения заряженных частиц», интерпретацгш эксперашятов по взаимодействию мощных волновых и куряускуяярнах потоков с кяосферой и лабораторной плазмой. Эти и блкззгае вопросы затрагивалась в ряде монографий и обзоров, а таягз в больном количестве оригинальных статей. Однако несмотря на это ими» .-из них до с их пор недостаточно исследованы..

Процессы трансформация плазменных веян на продольных границах плазменных волноводов существенно влядат на хатактес возбуждения колебаний в прадольно-огршшчэнных пуч ково-плазменных системах, определял стартовые условия генерации, инк- . ременты нарастания колебаний* а так®® КЦЦ- генерации. Однако методы расчета этих эффектов для реальных геометрий и плотных пучков сопряжены со значительндай'катеыатическиии -.и вычислительными трудностями. В строгой постановке да?» для' достаточно идиалиэировандах геометрия данное задачи сводятся к сингулярным интегральным уравнениям общего вида иди матричным задачам сопряжения аналитических функций на вещественной оси. В общем случав аналитическое ркаеннв подобных задач не-. известно'. Традиционный переход к системе уравнений Фредголь-ма не приводит к значительный упрощениям при численном анализе. В то же время непосредственное щкшененкв пряшх численных методов анализа сингулярных интегральных уравнений невозиояно баз допадшятеяыюй специальной модификации. Не

3 '

всегда эффективными оказывается и ряд современных методов, применяемых для анализа нерегулярных вакуумных и диэлектрических волноводов /метод сшивания с учетом особенности на ребре, модифицированный метод вычетов, метод полуобращения и др./. В этой связи поиск новых строгих подходов, позволяющих в ряде частных случаев получить простые приближенные аналитические выражения, а также построить эффективные численные алгоритмы является актуальный.

Плазменным волноводам естественно присущи плавные продольные неоднородности. Плавно нерегулярные участки плазменных волноводов можно использовать, как доя повышения эффективности пучково-ялазменного взаимодействия, так и для повышения согласования плазменного резонатора с выходными трактами. Эким, в основном, и определяется интерес к их исследование. Однако к настоящему времени отсутствует строгий подход, разработанный специально для плазменных волноводов, позволяющий с единой точки зрения исследовать большое количество практически интересных задач*. Как правило, продольно-неоднородные плязменнае и пучково-плазменнье волновода рассматривались либо в рамках упрощенных геометрий, которые допускают прямое разделение переменных, после чего задача сводится к хорошо изученному-одномерному случав, либо в рамках теории возмущений иди приближения геометрической оптики, пределы применимости которых в двумерно неоднородных случаях не совсем очерчены. В раде практических задач использовался метод поперечных сечений, который однако не получил широкого распространения, поскольку геометрия конкретных задач была не совеем удобна для его применения. В результате формулировка на основе этого метода оказывалась достаточно сяояной. Как известно, в случае открытых волноводов он приводит к бесконечной системе интегродвферен-

4

циалышх уравнений. Поэтогяу осиовкке закономерности распространения и взаимной трянсформацш плазменных и элеатоояагнитнйл волн были изучены недостаточно полно. показали кссладог&-няя, выполненные в рамках настоящей диссертация, часто в случае плазменных волноводов методически более целесообразно таспяот-реть эквивалентную закрытую структуру, зат©» на осноътт анализа коэффициентов взаимодействия редуцировать полынную бесконечную систему обыкновенных дифференциальных уравнений, далее устремить радиус металлического волновода в бесконечность В результате мы приходим к более удобной для анализа еистггае нескольких обычных дифференциальных уразнекяй с переменными коэффициентами, которая позволяет сравнительно просто исследовать основные закономерности взаимной трансформации плазменные и волноводных волн на заданных неодасродностях« а твжже поставить и исследовать обратную задачу - задачу синтеза плавйж , неоднородностей, т.е. по заданным коэффициентам трансформации произвести построение необходимого профиля продольной неоднородности. Полученные в этом направлении результаты весьма актуальны для поиска путей совершенствоаания конструкций плазменных генераторов СВЧ на нерелятивнстских и субрелятнвистс-ках пучках.

В- экспериментальных условиях плазменные волноводы являются также поперечно неоднородными. Влияние поперечной неоднородности на дисперсии поверхности« и объемных волн» на эффективность пучкового возбуждения плазменных волн рассматривалось и ранее. Как правило подобные исследования даве для модеяыых профилей неоднородности сводится к'анализу корней сложных транцендентных уравнений и возможны только на основ» численных методов. Поэтому основные усилия в этой области направлены на преодоление различных вычислительных трудностей и разработку

. 'численны^ анализа. В настоящее время построена численная методику нахождения дисперсионных кривых для плазменного волновода с произвольной радиальной неоднородность» и степенью заыагниченности. Однако, численные исследования не совсем удобны для анализа высших радиальных и азимутальных гармоник, а также не позволяют провести столь исчерпывающие качественные исследования, как аналитические. В этой связи поиск модельных геометрий, допускающих получение простых аналитических выражений для спектров и, распределения полей собственных волн плазменных волноводов являются актуальным. Полученные в этом направлении результаты могут существенно облегчить как построение •численных алгоритмов ддя более сложных геометрий, так и исследовать влияние неоднородности на более сложные процессы, например, на особенности пучкового возбуждения плазменных волн, нелинейные свойства и др. В настоящей работе для спектров высших радиальных и азимутальных обьемных волн в заыагниченнои плазменном волноводе с параболическим профилем радиальной неоднородности получены простые аналитические формулы, позволяющие провести детальные исследования влияния радиальной неоднородности. В результате созданы благоприятные предпосылки для построения нелинейной даоговол-новой теории пучково-плазменного взаимодействия, а также для ■ изучения других нелинейных эффектов в радиально неоднородных плазменных волноводах.

Большой интерес ддя физики плазмы и различных приложений представляет излучение нелинейных механизмов взаимодействия плазменных и электромагнитных волн. Ввиду большого многообразия этих механизмов здесь более подробно остановимся лишь на эффектах излучения солитонов плазмендах волн на частоте собственных колебаний поля, а также на параметрической

неустойчивости поверхностных волн в поле внешней электромагнитной волны. Первый эффект рассматривался ранее в приближении

/

безграничной плазмы. Причем рассматривалось излучение, возйи-каицее на гармониках основной частоты. Показано, что он имеет место как в однородной, так и неоднородной плазме и вполне может служить основная каналом диссипации энергии в условиях сильной параметрической турбулентности в магнитоактивной плазма. Данное явление можно, использовать для целей диагностики плазменной турбулентности« а также интерпретация различных эффектов, например, искусственного радиоизлучения, возникаю- . щего при воздействии на ионосферу пучками мойных электромагнитных волн. В настоящей работе показано, что подобный эффект присущ не только объемным, но и поверхностным сояитонам, причем из-за прижатости последних к границе плазмы излучение может быть более эффективно. К тому же данный механизм излучения может проявляться как в магнитоактивной, так и в изотропной плазме,

Исследования параметрической неустойчивости поверхностных волн в поле мощной электромагнитной волны актуальны для ин-дентификации механизмов аномального поглощения лазерного излучения плазмой, а такяе механизмов' взаимодействия лазерного излучения с поверхностью тверда* тел- Как известно сильная деформация и образование скачка плотности плазмы вблизи критического сечения в поле мойного излучения пдазо-дят к существенному уменьшению уровня резонансного поглоще-. ния /что предсказывается кал в раяках стационарного, так и динамического подходов/. Поскольку обычное стодкновительное поглощение также убывает с ростом напряженности поля, для объяснения имещихся экспериментальных фактов привлекается ряд другие процессов» В частности аномальное поглощение ла-

зёрного излучения может быть обусловленно возбуждением на об-разупдемся вблизи iкритического сечения скачке плотности поверхностных ВОЙН.

Параметрическая неустойчивость квазистатичесггес поверхностных волн /частота падаюцей волна '4еяит вблизи частот» отсечки поверхностных воля/, подробно изучена а работах. Показано, что вледствие большого затухания поверхностных волн, низкочастотные движения имеют несобственный характер. Когда частота падапцей волны существенно меньше частоты отсечки для поверхностных волн, возможна неустойчивость с возбуждением поверхностных волн на комбинационных частотах CJ„ * C¿4+ йг . Причем этот эффект возможен лишь для Е поляризации и при наклонном падении волны накачки. Линейная стадия данной неустойчивости рассматривалась ранее..Однако вопрос об эффективности передачи энергии плазме вследствие развития данной неустойчивости требует исследования нелинейной стадии, когда амплитуды возбувдаемых воля не малы río сравнению с амплитудой волны накачки: Отметим, что нелинейная теория параметрических неустэйчивостей в ограниченной плазме недостаточно разработана в отличие от случая безграничной плазмы.

Цель» диссертационной работы является;

. - развитие теория дифракция волн поверхностного типа, на резких неоднороднсстях плазмвтаюго вешня веда;

- теоретическое изучение процессов распространения и взаимной транаформации олазменных и электромагнитных воля в продольно неоднегродныг плазменных.волновода*;

- исследование некоторых нелинейна* механизмов взаимодействие плазменных и электромагнитных волн в ограниченной плазме.

Научная ценность и новизна. Результаты проведенных исследований позволяют расширить, углубить и строго обосновать рад теоретических аспектов, касаодихсп распространение, трансформации и дифракции плазменных волн в неоднородных плазменных • волноводах.

Подученные в диссертации результаты позволяет наметить пути совершенствования плазменных генераторов СВЧ, дать интерпретацию некоторых экспериментальных фактов по взаимодействии мощного лазерного излучения с плазмой и металлом по аномальному рассеянию ноли Трайвелписа-Гоуяда на низкочастотных колебаниях в двумерно кэоднородной плазме, а такжеупо аномальному затухания мощных импульсов поверхностных волн. .

1. Предложен оригинальный строгий подход к анализу дифракции волн поверхностного типа на резких неоднородное*®!: плазменного волновода. В ряде наиболее интересных случаев исследования доведены до простых аналитических выражений, удобных щя| анализа экспериментальных фактов.- .

2. Известными методами решен в замкнутом виде ряд конкретных задач по дифракции поверхностных волн, распространяющихся на границе плазма-металл, на кромке металаичевкой. полуплоскости. В ряде предельных случаев полученные реаультаты представлены в виде простых аналитических формул удобных для проведения оценок и численных расчетов-. .

3. Представлено ассга.штотическоэ решение задачи дифракции на клиновидных структурах, позволяящах сделать оценку электрической прочности клиновидных геометрий, вовютсаадах в приборах плазменной и вакуумной электроники.

4. Развит новый численно-аналитический подход к решению широкого класса двумерных задач дифракции. Приведеш кон-

кретныз численные результаты, деыонстрируззцкга погрешность и скорость сходимости численного решения к точному.

5. Предложена строгая математическая модель для описания взаимодействия плазменных и волноводных волн в продольно-неоднородных волноводах, частично заполненных плазмой. Построена теория синтеза продольно-неоднородных плазменных волноводов, позволяющая по заданным коэффициентам преобразования построить необходимые профили продольных неодно-родностей. Полученные результаты применены для плавно неоднородных волноводных переходов, повышающих согласование

- плазменных резонаторов на медленных волнах с выходными трактами.

6. Предсказан и исследован'эффект излучения поверхностных: со-лэтонов, распространяться в ограниченных плазменных и полупроводниковых структурах. Обсуждается механизм затухания поверхностных содитонов на основе данного эффекта,

а также его роль при формировании солитонов.

7. Рассмотрена нелинейная стадия параметрической неустойчивости поверхностных волк в палуограниченной плазме. Численно исследована динамика выхода неустойчивости на стационар. На основе полученных результатов обсуждается эффективность поглощения' электромагнитной энергии плазмой, в результате развития данной неустойчивости. Детально проанализированы случаи сильной и слабой надпороговости.

/ Основные положений и результаты, выносимые на защиту:

I» Изучены дифракционные аффекты, наблюдавшиеся при распространении поверхностных аолн в плазменном волноводе г. резкими неодаародностяыи. В раде практических случаев

10

приведены аналитические выражения для коэффициентов отражения, прохождения, а тагася диаграммы направленности излучения в дальней зоне. Показано,, что эффективность трансформации в излучение увеличивается с уменьшением, замедления поверхностной волны. При этом диаграмма направленности становится более узкой, а ее максимум смещается к оси волновода.

2. Построена строгая теория коаксиального вывода энергии из плазменного резонатора. Показано, что при продвижении в миллиметровый диапазон генерации возможно ухудшение согласования плазменного резонатора с коаксиальной линией.

*

3. На основе строго полученных результатов сделаны оценки дифракционных эффектов, наблюдающихся при падении поверхностных волн, распространяющихся на границе'плазма-юетпай, на кромку металлической полуплоскости.

4. Предложен численно-аналитический' подход к двумертш задачам дифракции, позволяющий построить устойчивый численный алгоритм для широкого круга дифракционных задач, возникай- -пщх при математическом описании процессов в электродинамических структурах приборов плазменной и вакуумной электроники.

5. Показано, что солитоны поверхностного типа, распространяющиеся в ограниченных плазмоподобных средах, способны излучать электромагнитные волны в окружающее пространство на основной частоте. Получены эффективные инкременты затухания, обусловленного данным механизмом.

6. Исследование эффективности взаимной трансформации плазменных и волноводных волн на продольных неоднородностях волноводов с плазменным заполнением. Поставлена и решена за-

II

дача синтеза неоднородных плазменных волноводов, обеспечивающих- широкополосное преобразование плазменных волн в элетромагнмтные.

7. Исследование спектра высших радиальных и азимутальных волн Трайвелписа-Гоулда в неоднородных замагниченных плазменных волноводах. Показано, что радиальная неоднородность приводит к большей локализации энергии волн Трайвелписа-Гоулда. вблизи оси. В низкочастотной области дисперсионные кривые близки к соответствующим кривым однородного волновода с той же погонной плотностью.

8...Предложен новый подход к изучению распространения плазменных волн в двумерно неоднородной плазме. Получены оценки эффектов отражения И трансформации в высшие радиальные гармоники вблизи точки критической плотности в двумерно неоднородной плазме. Показано, что эти эффекты могут играть существенную роль в механизме аномального рассеяния волн■ !Ерайвелписа-Гоулда на низкочастотных колебаниях.

9. Изучена нелинейная стадия параметрической неустойчивости поверхностных волн.. Доказано, что в случае большой надпо-ротовости данный процесс может существенно влиять на эффективность передачи энергии шгазме. Плотность энергия поверхностных волн на поверхности плазмы в режиме насыщения может существенно превосходить плотность энергии падающей волны. Наблюдается существенная нелинейная модификация коэффициента отражения. В случае слабой надпорого-' вости/когда линейный инкремент шого меньше ионной ленг-шфовской чаетотн/ влияние рассмотренных эффектов ослабляется из-за быстрой стабилизации данной неустойчивости на низком уровне, засчет нелинейного сдвига частот поверхностных волн.

Апробация работы. Основнж результата диссертационной работы/докладывались на: Международной яонферэшдвд.пЬ поверхностно волнам в плазме /Благоевград, Болгария, 1981/, Международной конкуренции по физике ялазих /Киев, 198?/, Между-, народных симпозиумах по волнам и неустойчивости в плазме полупроводников /Вилькэс, 1987, Паланга,:J9S0/,. Международном симпозиуме по антеннам и распространению /Саппоро, Япония, 1992/, Международном симпозиуме по методу дискретных особенностей в задачах .матфизшй /Харьков, 1993/, на Ш - УТ Всесоюзных конференциях "Взаимодействие электродотадаых излучений с плазмой" /Алма;-Ата, 1982; Ташкеэт, I9S5, .1969;-Душанбе, 1991/, 1У Всесоюзной конференции "Взаимодействие лазерного излучения, плазменных и электронных потоков с веществом" /Фрунзе» 1990/, УШ Всесоюзном симпозиума по (ждьноточйой электронике /Свердловск, 1990/, У Всесоюзном симпозиуме "Уе-; тод дискретных особенностей в задачах матфизихи" / Одесса, 1991 /, Всесомнызс семинарах по турбулентности и нелинейным-явлениям в плазме /йосква ШШ,. Г985-1988 гг., рук. член,-корр. РАН Силин В.П./,. I Украинском симпозиуме. "Физика и техника Ш и СШШ радиоволн" /Харькоз, 1992/, П Всесоюзном семинаре по коллективно.^ взаимодействии пучков с плазмой /Новосибирск, 1989/, на семинаре в ШЦ "Харьковский Физико-технический Институт" /Харьков, 1994/, руководитель академик АН Украины Файнберг Я.Б. и частично воаля в монограф® • А.Н. Кондратенко, В.М. "Основы йяаэмегаюй электрони-

ки". - М.: Эиергоатошздат, 1969, - 320 с.

Исследования выполнялись з ракках вакнейией тематики кафедра общей и прикладной фйзиая ХГУ "Разработка методов повышения эффективности преобразования ягаетичесвой. энергии частиц з энергий эяеятроиагнитао1ч> шяучешя с целью созда-

ния плазменных генераторов"и усилителей /номер госрегистрации 0186.01347X9/.

Дубликадии. Основное содержание диссертации опубликовано в 29 печатных работах.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Общий обьем диссертации составляет 215 страниц, в том числа 30 рисунков и списка цитируемой литературы на 22 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность исследований, проанализировано современное состояние рассматриваемых вопросов, сформулирована цель {».боты и изложено краткое содержание диссертации.

В первой главе диссертации рассматривается дифракция поверхностных волн на резких неоднородности* плазменных волноводов, а также развита строгая теория коаксиального вывода • энергии из плазменного резонатора. Использован подход на основе метода Едаера-Хопфа в интерпретации Джонса. Дифракционное поле представлено в виде бесконечных рядов с бесконечным количеством: констант, которые удовлетворяют бесконечной системе алгебраических уравнений. Доказано, что полученные ряды сходятся. .

3 разделе 1.1. рассмотрен случай слоистой геометрии. В ряде наиболее интересных частных случаев выражения для дифракционных полей доведены до простых аналитических формул. Показано, что диаграмма направленности излучения имеет одно-

14

лепестковый вид. Эффективность преобразования энергии поверхностной волны в излучение увеличивается при уменьшении за- . медяения поверхностной волны. При этом угловое распределение излучения становится более узконаправленным. Максимум диаграммы направленности .смещается к оси волновода.

В разделе 1.2. метод и результаты обобщаются на случай цилиндрической геометрии. Подробно проанализирован случай оптически тонкого 'плазменного волновода. Показано, что с уменьшением радиуса волновода, эффективность излучения уменьшается,... ширина диаграммы направленности, увеличивается, так же как.и коэффициент отражения.

Полученные результаты находятся в соответствии с результатами рассеяния поверхностных волн.на плавных неоднородности*, а также с результатами экспериментальных исследований.

В разделе 1.3. построена строгая теория коаксиального вы-■ вода энергии из плазменного резонатора.'Для коэффициентов отражения получена система линейных алгебраических уравнений* . В случае хорошего согласования полученная оценка для коэффициента отражения основной плазменной волны совпадает , с приведенной. ранее. Показано, что когда длина волны- становится по- • редка радиуса плазменного- волновода, приводимые ранее оценки . становятся некорректными.

Вторая* глава диссертации посвящена решению ряда дифракционных задач в случае подуограниченных плазменных .структур.

В разделе 2.1. рассматривается задача дифракции и возбуждения поверхностной волны, распространяющейся на границе плазма-металл при учете пространственной дисперсии на. кромке металлической полуплоскости. Дифракционное поле найдено в замкнутом виде - В раде предельных случаев сделаны оценки

15

потерь на излучение при отражении поверхностной волны краем металлической полуплоскости. Также приведены оценки эффективности возбуждения данных волн плоскими и обычными поверхностными волнами, распространяющимися на границе плазма-аакуум.

В разделе 2.2. рассматривается дифракция поверхностных болн> распространяющихся на границе плазма-металл поперек магнитного поля,на кромке металлической полуплоскости. Показано , что в интервале частот <У2 <■ из «■ , "" нижняя гибридная частота, . - электронная циклотронная частота, преобразование анергии данной волны в излучение может быть значительным.

5 разделе 2.3. предложен новый численно-аналитический подход к двумерным задача« дифракции, сводящиеся к модифицированному уравнении Винера-Хопфа., либо к системе сингулярных интегральных уравнений. Построен численный алгоритм, сделана оценка скорости сходимости численного решения к точному. Эффективность численного решения иллюстрируется на примере дифракции электромагнитной волны на клиновидной структуре.

В разделе 2.4. предложено ассимптотическое решение задача дифракции электромагнитной волны на прямоугольной клиновидной структуре., а результате которого найдена аналитическая связь мевду амплитудой падающей волны и полем вблизи ребра. На основе полученного решения можно сделать осанку эффектов увеличения плотности энергии вблизи ребер клиновид-нж геометрий, встречающихся в приборах плазменной и вакуумной электроника:, в зависимости от амплитуд распространяющихся водя.

3 третьей главе рассматриваются вопросы взаимной трансформации поверхностных и волководных волн в продольно неод-

нородных плазменных волноводах-.

В разделе 3.1. обоснована целесообразность применения ментола поперечных сечений к анализу продольно неоднородных вол-» -новодов с плазменным заполнением. Получена система обыкновенных дифференциальных уравнений описывавдая взаимодействие плазменных и волноводных волн. Получены и проанализированы коэффициенты связи. Основное внимание уделено волноводам с изменяющимся радиусом и продольным градиентом плотности плаэ- . , мы. Сделаны оценки параметров неоднородных волноводных переходов, необходимых для повышения согласования плазменного резонатора с выходными трактами.

В разделе 3-2. развита теория оптимальных волноводных ■ переходов. В ее основе лежит задача синтеза профиля продоль- . ной неоднородности по заданной матрице рассеяния. Для поверх- ■.'. ностных волн синтезированы неоднородные переходы с изменяю- . щиыся радиусом и плотностью плазмы, обеспечивающие минимадь- , ные потери на отражение при минимальной длине э широком диа-вазоне частот. Полученные результата применены для совершен-' ствования конструкций плазменных генераторов СВЧ.

В разделе 3.3. .рассмотрено взаимодействие поверхностна* •..'". и волноводкис волн на неоднородных перехода«; содержащих '': '

критические сечения. Показано, что в.атом случае эффектов- .. ность трансформации может быть высокой (~40^4), даже при .'•!/' плавном изменении параметров волновода, -а тагае: при неболь- " том изменении параметров на всея неоднородном участке.

В четвертой глазе рассматриваются дисперсионные свойства' и трансформация волн Трайвеяписа-Гоуяда /ТГ/ в двумерно неоднородных плазшнянх волноводах.

В разделе 4.1.. для заиагниченного плазменного волновода

17 '

с параболическим, радиальным профилем плотности плазмы получены простые аналитические выражения для спектра высших радиальных и азимутальных ТГ мед.

Показано, что радиальная неоднородность приводит к понижении фазовой скорости ТГ мод и большей локализации полей вблизи оси волновода, В низкочастотном пределе дисперсионные кривые дня 1Г мод близки к соответствующим кривым однородного плазменного волновода с той же погонной плотностью.

В разделе 4.2. рассматриваются вопросы распространения ТГ мод в двуыетрно-неоднородной плазме. Показано, что в случка кусочноодаородного поперечного профиля эффективность отражения и возбуждения высших гармоник возрастает вблизи точки критической плотности. Сделаны оценки эффектов отражения и трансформации также в случае, параболического профиля поперечной неоднородности. Яа основе полученных результатов дана интерпретация.эффектов аномального рассеяния ТГ мод ион-нозвуковых колебаниях вблизи критической точки в двумерно ■ неоднородной плазме.

В разделе 4.3. рассматриваются эффекты преобразования объемных плазменных волн в волноводные на участке волновода с изменяющимся радиусом и заполнением в виде трубчатой плазмы. Показано, что для оптимального профиля неоднородности трансформация плазменной волны в волноводнуп может достигать величина ~ 90Й.

Пятая глава посвящена изучению некоторых нелинейных механизмов взаимодействия плазменных и электромагнитных волн.

В разделе 5.1. показано, что распространение поверхностных солитонов в ограниченных плазменных системах сопровождается излучением в вакуум. Для солитона огибающей вясокочас-

18

тотной поверхностной волны сделана оценка эффективности излучения. Найдены условия, когда он может конкурировать с ними.

В разделе 5.2. сделаны оценки излучательного механизма диссипации для солитонов, распространяяаихся в полупроводниковых пластинах. Показано, что данный эффект может привести к существенному поешению пороговой модаости, необходивой для образования солитсна. Однако в рассмотренном случае данный механизм затухания не может конкурировать с линейными.

В разделе 5.3. изучена.нелинейная стадия параметрической неустойчивости поверхностных волн на комбинационных часто- . тах в поле внешней, волны. Показано, что в случае сильной надпороговости /или в плазме с бесконечно тяжелЕня ионами/ плотность энергии поверхностных волн на границе" шюяда/в- режиме насыщения может существенно прввдаать плотность энергии волны накачки. В результате возможна сильная излинейнвя. модификация коэффициента отражения.

В случае слабой надпороговости рассматриваемая ноусгой-чивость стабилиэмруется нга существенно более низком ■ уровне /за счет влияния ионншс нелинейностей на сдвиг частот поверхностных волн, что приводит к рассогласования' условий пространственно-временного синхронизма/. В результате влияние.рассматриваемого процесса на эффективность передали энергии плазме оказывается малой.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные публикация по теме диссертации.

1. Загинайлов Г.И. Электромагнитное излучение поверхностных солитонов. // Письма в 'ОТ. - 1988.' - Т. 14, № 14,

С. 1426-1429.

(

2. Загинайлов Г.И., Кондратенко. А.Н., Прохоренко Е.М. Эффективный метод вывода энергии интенсивных медленных волн из плазменного волновода. /У ..Письма в ЗШ. - 1969. - X. 15,

10, С. 42-45.

3. Загинайлов Г.И., Синвгин А.В. О спектре волн Трайаелписа-Гоулда в неоднородном заиагниченном плазменном волноводе. // Письма в ЖТФ. - 1994. - Т. 20, № 1, С. 67-70.

4. Загинайлов Г.И.» Кондратенко А.Н., Прохоренко Е.М. К проблеме вывода.СВД энергии из плазменного волновода/ /ДШ&. - 1988. - Т. 58, # 8, С. 1637-1639.

5. Загинайлов Г-.й., Куклин В.М. Нелинейная теория параметрического возбуждения поверхностных волн в сильно нзизотер-шческой плазме. // Физика плазмы, - 3985. - Т. 12, №9, С. 1051-1056.

6. Загинайлов Г.И., Кондратенко А.Н., Куклин В.М. К вопросу о выводе энергии поверхностной волны из плазменного волновода. // Изв. вузов, Радиофизика. .- 1994. - Т. 27, № 9, С. 1X78-1184.

7. Загинайлов Г.й,, Щербинина И.Б. Особенности дифракции поверхностных волн на продольном скачке плотности цилиндрического плазменного волновода. // Изв. вузов, Радиофизика. - 1988. - Т. 31, » 7, С, 855-861.

2С

8. Загинайлов Г.И., Кондратенко А.Н., Куклин В Л. Об одной возможности вывода энергии поверхностной волны из плазменного волновода. // Радиотехника и электроника, - 1984.

- Т. 28, № 4, С. 800-802.

9. Азаренков Н.А., Загинайлов ГЛ., Кондратенко АЛ!.. Дифракция и возбуждение поверхностных волн, распространял-тхся на границе плазма^-металл. // Радиотехника и электроника. 1985. - Т. 31, № 10, С. 10В9-1Э94.

10. Загинайлов Г.И., Кондратенко А.Я., Кукаян BJi. it др. К нелинейной теории взаимодействия излучения с поверхностными волнами плазмы. // Болт, фкэ. журмал. - 1983. - Т. 10, № 3, С. 353-368. : .

11. Загинайлов Г.И., Куклин В Л., Севидов СЛ. Особенности нелинейной динамики параметрической неустойчивости ара воздействии электромагнитного поля на поверхность плазмы. // Ш. - 1983. - Т.' 2В, > IV Ь 1753-1755.

12. Загзнайлов ГЛ. До питания ооииренйяхвнль Трайвеэнйоа,-Гоуяда у двом^рн6чнеоднор1дя1й плаз»*. // УШ. 1594.

- Т, 39, 7, С. 8Й2-825.

13. Загинайлов Г.Й., Прохоренко ЕЛ. Распространение поверхностных волн в продольно неоднородных плазменных вояквдго-дах* // В сб.: Взаимодействие я свиовоздействие волн в нелинейных среде«. - 1988. - Т. I. Душанбе: Догаш,

С, 204«ЦЗ.

14. Загинайлов Г.И., Кондратенко А.Н.» Куклин В.М. и др. Механизмы стабилизации параметрических неустойчивостей поверхностных волн в плазме. // В сб.: Взаимодействие и самовоздействие волн в нелинейных средах. - Т. I. Душанбе; Донда. - 1988, С. 127-138.

15. Загинайлов Г.И., Прохоренко Е.М. Особенности распространения поверхностных волн в плазменном волноводе при наличии критических сечений..// В сб.: Пробледа адерной физики и космических лучей. - 1989. - вып. 31, С. 58-61.

16. Загинайлов Г.И., Прохоренко Е.М. О взаимодействии медленных и быстрых волн в продольно неоднородных волноводах с плазменным заполнением. // В сб.: Проблемы ядерной физики и космических лучей. - 1991. вып. 34, С. 72-75.

17. Asarenicov N.A., Zeginailor G.I., Kondratenko A.N. at al.

The paraaetric Instabilities of surface wavea./Int. Ccrtf.

Surface waVea in plasaae. Bulgaria,Совtrib. Pap., 1981, P. 500 - 304-.

18. Gendel Y.V., Zaginailov 3.1. A aevnumerical laethod to solve wide variety of diffraction problena.// Proceedings of IS№'92, Japea,1992, Coo trill. Pep., 7.1, P. 225 - 228.

IS. Zagiaailov G.I. Asymptotic aoitttipa of diffraction problems in the cases of »edge geooetrieeV^roceedinga of ISAP'92, «Japaa, 1992, V. 2, P. 625 - 628.

20. Загинайлов Г.И., Кондратенко АЛ. Дифракция поверхностных волн, распространяющихся на границе плазма-металл. Деп. УкрШШТЙ » 2074 - 84 Дел.

21. Загннайлов Г. И., Кондратенко А.Н., Куклин В ЛЬ. О дифракционном способе вывода энергий поверхностной волна аз плазменного волновода. // В сб.: Тезисы докладов Ш Вотсо-взной конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой", Алма-Ата, 1982, С. 142-144.

22. Загинайлов Г.И. О согласования плазменных мод с модами коаксиальной линия в плазменных СВЧ генераторах- У/ Б сб.: У1 Всесоюзная конференция "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой", Тезисы докладов, Душанбе, 1991, С. 115.

23. Загинайлов Г.И. О применении сингулярных интегральных • уравнений в задачах дифракции на ступенчатых неоднородности* в волноводах. -У/ В еб.: Тезисы докладов У Всесоюзного симпозиума "Метод дискретных особенностей в задачах матфизияи", Ч. I, Одесса, 1991, С. 62.

24. Гандель В,В., Загинайлов Г.И. Об одном подходе к решению задач дифракции на структурах с перпендикулярными границами. // В сб.: Г Украинский сишоэиум. "Физика техника Щ и СУШИ радиоволн", Харьков, 1991, Тезисы докладов,. Ч. 1,;С.'24-25..

26. Загинайлов Г.Й. . Прохоренко Е.М. Олтатльный профиль продольной неоднородности для собственных волн плазменного волновода. // В сб.: Всесоюзная конференция "Взаи- • •действие электромагнитных излучений с плазмой". Тезисы докладов, Таакент, 19®, С.. 173.

26. Загинайлов Г.И., Прохоренко Е.И. Оптимизация согласования плазменного резонатора с выходными трактами и сильноточных СВЧ приборах. /У В сб.; УШ Всесоюзный симпозиум по сильноточной электронике. Свердловск, 1990, Тезисы докладов. Ч. 2, С. 43-45.

27. Загинайлов Г.И. Об электромагнитном излучении, возникающем при распространении нелинейных плазменных волн в полупроводниковых пластинах. // В сб.: УП Всесоюзный симпозиум "Плазма и неустойчивости в полупроводниках", Паланга* 1989, Тезисы докладов, Ч. I, С. 147-149.

I

23. Загинайлов Г.И., Куклин В.М., Панченяо И. Д. К нелинейной теории параметрического воздействия мощного излучения на поверхность плазмоподобной среды. // В сб.: УХ Всесоюздай симпозиум "Плазма и неустойчивости в полупроводниках". -. 1986, Вильнюс, Тезисы докладов, С. 71-72.

29. Загинайлов Г.Н., Кукдин В.М. Насыщение параметрических нвустойчивостей поверхностных волн в электрон-ионной плазме. // В сб.: 1У Всесовзная конференция "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой". Тезисы докладов, Ташкент. - 1985, С. 91-92.

1агинайлов Г.И. "Вопрос» взаимной трансформации плазменных и. электромагнитных волн в неоднородных плазменных- аелноводах', Диссертация на соискание ученой степени доктора фязико-мати-втических наук по специальности 01.04*08 - физика и хияия иазмы, Харьковский госуниверситет, Харьков,.1994.

Защищается 29 научных работ. Рассматривалтея вопросы ¡заимной трансформации плазменных и электромагнитных типов юли на резких.и плавных продольных неоднородностях плаэмен-ых волноводов. Рассмотрены также некоторые нелинейные ме-яниамы трансформации плазменных и электромагнитных волн в (граниченных плазменных системах- Показано, что трансфоряа- ■ 1ИЯ поверхностных-и обьемных воля в электтомаяштдае как-.на езких так и на плавных продольных неоднородностях может 'ыть достаточно высокой. Рассмотрена и решена задача синтеза [родольно-неоднородных плазменных волноводов, поэводягагяя юст^юить. оптимальный волноеодныЯ переход для эффективного . [реобразования- плазменных волн в элехтромагнитнае в. широком. • дапазоне частот.

Предсказан и изучен эффект электромагнитного излучения, озникйхвдгго при распространении поверхностных солитоноа в граничедаых плазмоподабных средах* Изучена параметрическая еустойчиаость высокочастотных поверхностных воли, воаникая-дя при падении мощной электромагнитной волны на поверхность лазмы. Приведены параметры шгазиы, при которых она приводит : существенной модификации /отражение и уровня диссипации в лазме. .

Ключевые слова: трансформация, плазмовяй хэклевед»

дифракция.

Zaginal Toy S.I. Questions of mutual transformation of plasma and electromagnetic waves in iahcmogeneous plasma waveguides. Doctor of Science thesis in physicb aad mathematics on speciality 02.04-.08 - physics and chemistry of plasma. Kharkov State University*Kharkov, 1994.

29 scientific works are defeased. She mutual transforation ot plasma types of wares and electromagnetic onea on sharp and smooth inhoaogeoeities in plasma waveguides have been considered. Besides some nonlinear mechanisms of mutual txansfoxaation plasma and electromagnetic waves have been considered. It is shown that conversion of plasma surface

and volume waves into electromagnetic ones can be rather high. The ayntesis problems of; longitudinally inhomogeneous

plasma waveguides have been formulated.and solved. They provide to construct optimal waveguide transition for efficient conversion of plasma waves into electromagnetic ones in wide frequency range.

Tha effect of electromagnetic radiation from aurfase pla -em solitoos lias been predicted aad treated. The parametric instabilities of surface vaves in external electromagnetic wave field have been studed. The plasma parameters when they lead to the sufficient nonlinear modification of reflection level and dissipation in plasma are obtained.