Нестійкість трубчастого електронного пучка у разі обдування плазмового твердотільного циліндра, який розміщено у сильному поздовжньому магнітному полі
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe67.4.255Ключові слова:
електронний пучок, хвиля просторового заряду, власнi та зв’язанi хвилi, пучкова нестiйкiсть, iнкремент нестiйкостi, ефект Вавiлова–ЧеренковаАнотація
Теоретично дослiджено електродинамiчну систему, в якiй замагнiчений трубчастий пучок електронiв обдуває цилiндричний плазмово-твердотiльний хвилевiд. Встановлено, що у разi виконання квазiстацiонарних умов у хвилеводi збуджуються гiбриднi об’ємно-поверхневi або поверхневi електромагнiтнi хвилi гелiконного походження. Збудження власних хвиль хвилеводу здiйснюється полем просторового заряду пучка iз узгодженням поздовжнiх спектральних складових електричного поля. Вiдзначено ефект невзаємностi власних хвиль хвилеводу з iдентичною структурою розподiлу полiв, але таких, що вiдрiзняються поширенням в азимутальному напрямi, а також у разi змiни напряму зовнiшнього магнiтного поля. Показано, що нестiйкiсть зв’язаних хвиль електродинамiчної системи зумовлена ефектом Вавiлова–Черенкова.
Посилання
R. Kompfner. The Invention of the Traveling-Wave Tube (San Francisco Press, 1964).
L.A. Weinstein, V.A. Solntsev. Lectures on Microwave Electronics (Sovrtskoe Radio, 1973) (in Russian).
D.I. Trubetskov, A.E. Khramov. Lectures on Microwave Electronics for Physicists. Vol. 1 (Fizmatlit, 2003) (in Russian).
P.T. Chupikov, R.J. Faehl, I.N. Onishchenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev. Vircator efficiency enhancement at plasma assistance. IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 14 (2006).
https://doi.org/10.1109/TPS.2005.863590
M.V. Kuzelev, A.A. Rukhadze, P.S. Strelkov, Plasma Relativistic Microwave Electronics (Bauman Moscow State Technical University, 2002) (in Russian).
A.V. Dormidontov, A.Ya. Kirichenko, Yu.F. Lonin, A.G. Ponomarev, Yu.V. Prokopenko, G.V. Sotnikov, V.T. Uvarov, Yu.F. Filippov. Auto-oscillatory system based on dielectric resonator with whispering-gallery modes. Tech. Phys. Lett. 38, 85 (2012).
https://doi.org/10.1134/S106378501201021X
A.Ya. Kirichenko, Yu.F. Lonin, V.G. Papkovich, A.G. Ponomarev, Yu.V. Prokopenko, V.T. Uvarov, Yu.F. Filippov. Microwave oscillator with a "whispering gallery" resonator. Vopr. At. Nauki Tekhn. No. 2, 135 (2010).
V.A. Avgustinovich, S.N. Artemenko, A.I. Mashchenko, A.S. Shlapakovskii, Yu.G. Yushkov. Demonstrating gain in a dielectric Cherenkov maser with a rod slow-wave system. Tech. Phys. Lett. 36, 244 (2010).
https://doi.org/10.1134/S1063785010030132
A.I. Akhiezer, I.A. Akhiezer, R.V. Polovin, A.G. Sitenko, K.N. Stepanov. Plasma Electrodynamics (Pergamon Press, 1975), Vols. 1 and 2.
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-017783-0.50005-1
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. The instability of hollow electron beam interacting with plasma-like medium. Telecommun. Radio Eng. 75, 1467 (2016).
https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v75.i16.50
P.T. Chupikov, N.P. Dikij, D.V. Medvedev, I.N. Onischenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev. Acceleration of Ions a High-Current Relativistic Electron Beam at External Injection of Plasma. Ukr. J. Phys. 53, 640 (2008).
D.V. Medvedev, N.I. Onischenko, B.D. Panasenko, Yu.V. Prokopenko, S.S. Pushkarev, P.T. Chupikov. Ion acceleration in plasma injected into spatiotemporally modulated supercritical relativistic electron beam. Tech. Phys. Lett. 34, 789 (2008).
https://doi.org/10.1134/S1063785008090228
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Interaction between a tubular beam of charged particles and an anisotropic dispersive solid-state cylinder. Probl. At. Sci. Technol. No. 4, 3 (2018).
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Interaction between a tubular beam of charged particles and a dispersive metamaterial of cylindrical configuration. Phys. Rev. E 96, 013205 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.96.013205
O.V. Konstantinov, V.I. Perel'. Possible transmission of electromagnetic waves through a metal in a strong magnetic field. Sov. Phys. JETP 11, 117 (1960).
P. Aigrain. "Helicons" dans les semiconducteurs. In: Proceedings of the International Conference on Semiconduction Physics (Prague, 1960), p. 224.
R. Bowers, C. Legendy, and F. Rose. Oscillatory galvanomagnetic effect in metallic sodium. Phys. Rev. Lett. 7, 339 (1961).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.7.339
N.N. Beletskii, A.P. Tetervov, V.M. Yakovenko. Nonpotential surface waves in magnetoactive semiconductor plasma. Fiz. Tekh. Poluprovodn. 6, 2129 (1972) (in Russian).
R.W. Boswell, F.F. Chen. Helicons - the early years. IEEE Trans. Plasma Sci. 25, 229 (1997).
https://doi.org/10.1109/27.650898
F.F. Chen, R.W. Boswell. Helicons - the past decade. IEEE Trans. Plasma Sci. 25, 1245 (1997).
https://doi.org/10.1109/27.650899
D. Arnush, F.F. Chen. Generalized theory of helicon waves. II. Excitation and absorption. Phys. Plasmas 5, 1239 (1998).
https://doi.org/10.1063/1.872782
N.N. Beletskii, V.M. Svetlichnyi, D.D. Halameida, V.M. Yakovenko. Electromagnetic Phenomena of the Microwave Range in Inhomogeneous Semiconductor Structures (Naukova Dumka, 1991) (in Russian).
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Helicons in solid-state plasma of cylindrical configuration. In 2020 IEEE Ukrainian Microwave Week (Kharkiv, 21-25 Sept. 2020).
https://doi.org/10.1109/UkrMW49653.2020.9252703
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Helicons in plasma solid-state waveguide of cylindrical configuration. Probl. At. Sci. Technol. No. 4, 19 (2019).
https://doi.org/10.46813/2019-122-019
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Waves of a magnetoplasma solid-state cylinder under quasi-stationary conditions. IEEE Trans. Plasma Sci. 49, 3078 (2021).
https://doi.org/10.1109/TPS.2021.3113117
T.M. Zaboronkova, A.V. Kudrin, M.Y. Lyakh, L.L. Popova. Nonsymmetric whistler waves guided by cylindrical ducts with enhanced plasma density. Radiophys. Quant. Electron. 45, 764 (2002).
T.M. Zaboronkova, A.V. Kudrin, M.Y. Lyakh. Excitation of nonsymmetric waves by given sources in a magnetoplasma in the presence of a cylindrical plasma channel. Radiophys. Quant. Electron. 46, 407 (2003).
https://doi.org/10.1023/A:1026371902173
V.A. Es'kin, T.M. Zaboronkova, A.V. Kudrin. Whistler waves guided by ducts with enhanced density in a collisional magnetoplasma. Radiophys. Quant Electron. 51, 28 (2008).
https://doi.org/10.1007/s11141-008-9003-0
P.V. Bakharev, T.M. Zaboronkova, A.V. Kudrin, C. Krafft. Whistler waves guided by density depletion ducts in a magnetoplasma. Plasma Phys. Rep. 36, 919 (2010).
https://doi.org/10.1134/S1063780X10110012
P. Zhu, R.W. Boswell. Ar II Laser generated by Landau damping of whistler waves at the lower hybrid frequency. Phys. Rev. Lett. 63, 2805 (1989).
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.63.2805
P. Zhu, R.W. Boswell. A new argon-ion laser based on an electrodeless plasma. J. Appl. Phys. 68, 1981 (1990).
https://doi.org/10.1063/1.346597
A.S. Belov, G.A. Markov. Stimulated ionization scattering of a wave beam forming a discharge channel in a magnetic mirror trap. Plasma Phys. Rep. 34, 223 (2008).
https://doi.org/10.1134/S1063780X08030094
V.F. Virko, Yu.V. Virko, V.M. Slobodyan, K.P. Shamrai. The effect of magnetic configuration on ion acceleration from a compact helicon source with permanent magnets. Plasma Sources Sci. Technol. 19, 015004 (2010).
https://doi.org/10.1088/0963-0252/19/1/015004
C. Charles, G. Giroult-Matlakowski, R.W. Boswell, A. Goullet, G. Turban, C. Cardinaud. Characterization of silicon dioxide films deposited at low pressure and temperature in a helicon diffusion reactor. J. Vac. Sci. Technol. A 11, 2954 (1993).
https://doi.org/10.1116/1.578675
R.N. Kaufman, N.A. Ryabov. Propagation of whistler waves in a cylindrical plasma waveguide bordering with vacuum. Fiz. Plazmy 6, 1027 (1980) (in Russian).
N.F. Vorobyov, A.A. Rukhadze. On excitation of helicon in a plasma cylinder with a surface current source. Fiz. Plazmy 20, 1065 (1994) (in Russian).
M. Kramer, Yu.M. Aliev, A.B. Altukhov, A.D. Gurchenko, E.Z. Gusakov, K. Niemi. Anomalous helicon wave absorption and parametric excitation of electrostatic fluctuations in a helicon-produced plasma. Plasma Phys. Control. Fusion 49, A167 (2007).
https://doi.org/10.1088/0741-3335/49/5A/S14
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, VM Yakovenko. Spectra of eigenwaves of a plasma solid-state cylinder in a strong longitudinal magnetic field. Radiofiz. Electron. 26, 37 (2021) (in Ukrainian).
K.P. Shamrai. Collective mechanisms for the absorption of RF power in helicon plasma sources. Plasma Phys. Rep. 25, 860 (1999).
S. Cho, M.A. Lieberman. Self-consistent discharge characteristics of collisional helicon plasmas. Phys. Plasmas 10, 882 (2003).
https://doi.org/10.1063/1.1542613
F.M.D. Pellegrino, M.I. Katsnelson, M. Polini. Helicons in Weyl semimetals. Phys. Rev. B 92, 201407(R) (2015).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.201407
E.V. Gorbar, V.A. Miransky, I.A. Shovkovy, P.O. Sukhachov. Pseudomagnetic helicons. Phys. Rev. B 95, 115422 (2017).
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.115422
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Eigenwave spectra of an anisotropic cylindrical solid-state waveguide. Tech. Phys. 64, 1 (2019).
https://doi.org/10.1134/S1063784219010055
L.D. Landau, E.M. Lifshitz. Electrodynamics of Continuous Media (Pergamon Press, 1984).
https://doi.org/10.1016/B978-0-08-030275-1.50007-2
V.G. Levich. Course in Theoretical Physics (Nauka, 1969), Vol. 1 (in Russian).
V.L. Ginzburg, Propagation of Electromagnetic Waves in Plasma (Gordon and Breach, 1961).
P.M. Platzman, P.A. Wolff. Waves and Interactions in Solid State Plasmas (Academic Press, 1973).
A.Ya. Kirichenko, Yu.V. Prokopenko, Yu.F. Filippov, N.T. Cherpak. Quasi-Optical Solid-State Resonators (Naukova Dumka, 2008) (in Russian).
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Numerical analysis of the interaction between a tubular beam of charged particles and a dielectric cylinder. J. Exper. Theor. Phys. 130, 737 (2020).
https://doi.org/10.1134/S1063776120030012
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Nonlinear theory of interaction between a tubular beam of charged particles and potential surface waves of plasma cylinder. Telecommun. Radio Eng. 78, 633 (2019).
https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v78.i7.70
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V. M. Yakovenko. Nonlinear stabilization of resistive instability of a tubular charged particle beam moving above a solid-state plasma cylinder. Plasma Phys. Rep. 45, 565 (2019).
https://doi.org/10.1134/S1063780X19060011
Ya.B. Fainberg, V.D. Shapiro. To the nonlinear theory of interaction between a relativistic beam and plasma. In: Interaction of Beams of Charged Particles with Plasma (Academy of Sciences of UkrSSR Publishing House, 1965) p. 92-103 (in Russian).
Ya.B. Fainberg, V.D. Shapiro, V.I. Shevchenko. Nonlinear theory of interaction between a "monochromatic" beam of relativistic electrons and a plasma. Sov. Phys. JETP 30, 528 (1970).
V.I. Kurilko. Nonlinear theory of cerenkov excitation of regular oscillations by a modulated beam of charged particles. Sov. Phys. JETP 30, 484 (1970).
W.E. Drummond, J.H. Malmberg, T.M. O'Neil, J.R. Thompson. Nonlinear development of the beam-plasma instability. Phys. Fluids 13, 2422 (1970).
https://doi.org/10.1063/1.1693255
R.I. Kovtun, A.A. Rukhadze. Nonlinear interaction of a low-density relativistic electron beam with a plasma. Sov. Phys. JETP 31, 915 (1970).
I.N. Onishchenko, A.R. Linetskii, N.G. Matsiborko, V.D. Shapiro, V.I. Shevchenko. Contribution to the nonlinear theory of excitation of a monochromatic plasma wave by an electron beam. JETP Lett. 12, 281 (1970).
I.N. Onishchenko, V.D. Shapiro, V.I. Shevchenko. On nonlinear theory of instability of a monoenergetic electron beam in plasma. Plasma Phys. 14, 591 (1972).
https://doi.org/10.1088/0032-1028/14/6/003
A.A. Ivanov, V.V. Parail, T.K. Soboleva Nonlinear Theory of the interaction between a monoenergetic beam and a dense plasma. Sov. Phys. JETP 63, 887 (1973).
B.A. Alterkop, S.E. Rosinskii, V.P. Tarakanov. Nonlinear interaction of a blowing electron beam with a surface plasma wave. Fiz. Plazmy 5, 291 (1979) (in Russian).
M.V. Kuzelev, O.V. Lazutchenko, A.A. Rukhadze. Regimes and spectra of the cherenkov beam instability in a nonlinear plasma. Radiophys. Quantum Electron. 42, 841 (1999).
https://doi.org/10.1007/BF02677097
Yu.O. Averkov, Yu.V. Prokopenko, V.M. Yakovenko. Interaction a flow of charged particles with eigenmodes of a dielectric cylinder. Telecommun. Radio Eng. 76, 1595 (2017).
https://doi.org/10.1615/TelecomRadEng.v76.i18.20
B.M. Marder, M.C. Clark, L.D. Bacon et al. The splitcavity oscillator: A high-power e-beam modulator and microwave source. IEEE Trans. Plasma Sci. 20, 312 (1992).
https://doi.org/10.1109/27.142833
K.V. Galaydych, Yu.F. Lonin, A.G. Ponomarev, Yu.V. Prokopenko, G.V. Sotnikov. Nonlinear analysis of mm waves excitation by high-current REB in dielectric resonator. Probl. At. Sci. Technol. No. 6, 158 (2012).
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
