Specific Features of Microwave Methods for Dusty Plasma Diagnostics. I. Dielectric Permittivity, Refractive and Absorption Indices

Yu. V. Kovtun; A. I. Skibenko; E. I. Skibenko; Ye. V. Siusko

doi:10.15407/ujpe64.5.380

Особливості використання мікрохвильових методів для діагностики запорошеної плазми. I. Діелектрична проникність, показники заломлення та поглинання

Автор(и)

Yu. V. Kovtun National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”
A. I. Skibenko National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”
E. I. Skibenko National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”
Ye. V. Siusko National Science Center “Kharkiv Institute of Physics and Technology”

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe64.5.380

Ключові слова:

запорошена плазма, показники заломлення та поглинання, мiкрохвильовi методи дiагностики, дiелектрична проникнiсть

Анотація

Проаналiзовано два пiдходи, якi зазвичай використовуються для визначення показникiв заломлення n i поглинання ϰ запорошеної плазми. У першому використовують вирази для n i ϰ, отриманi для плазми без порошинок з урахуванням додаткових частот зiткнень частинок з порошинками. У другому враховуються не тiльки частоти зiткнень частинок з порошинками, а i характерна частота зарядки порошинок.

Посилання

M.A. Heald, C.B. Wharton. Plasma Diagnostics with Microwaves (Wiley, 1965). https://doi.org/10.1063/1.3047729

V.E. Golant. Superhigh-Frequency Methods of Plasma Research (Nauka, 1968) (in Russian).

H.-J. Hartfuss, T. Geist. Fusion Plasma Diagnostics with mm-Waves: An Introduction (Wiley, 2013) [ISBN: 978-3-527-41105-4]. https://doi.org/10.1002/9783527676279

E. Mazzucato. Electromagnetic Waves for Thermonuclear Fusion Research (World Scientific, 2014) [ISBN: 978-981-4571-80-7]. https://doi.org/10.1142/9020

C. Killer, T. Wegner, A. Melzer, J. Meichsner. Influence of dust particles on the bulk electron density in radio frequency plasmas measured by microwave interferometry. Phys. Plasmas 22, 123702 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4937793

Th. Wegner, A.M. Hinz, F. Faupel, T. Strunskus, H. Kersten, J. Meichsner. Influence of nanoparticle formation on discharge properties in argon-acetylene capacitively coupled radio frequency plasmas. Appl. Phys. Lett. 108, 063108 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4941806

Jieshu Jia, Chengxun Yuan, Ruilin Gao, Zhong-Xiang Zhou, Ying Wang, Xiaoou Wang, Hui Li, Jian Wu. Propagation of electromagnetic waves in a glow-discharge dusty plasma. In Proceedinds of the 11th International Symposium on Antennas, Propagation and EM Theory, (2016), p. 198.

Jieshu Jia, Chengxun Yuan, Ruilin Gao, Sha Liu, Feng Yue, Ying Wang, Zhong-Xiang Zhou, Jian Wu, Hui Li. Transmission characteristics of microwave in a glow-discharge dusty plasma. Phys. Plasmas 23, 073705 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4958641

P.K. Shukla, A.A. Mamun. Introduction to Dusty Plasma Physics (CRC Press, 2001) [ISBN: 9780750306539]. https://doi.org/10.1887/075030653X

V.N. Tsytovich, G.E. Morfill, S.V. Vladimirov, H.M. Tho- mas. Elementary Physics of Complex Plasmas (Springer, 2008) [ISBN: 3540290001]. https://doi.org/10.1007/978-3-540-29003-2

V.E. Fortov, G.E. Morfill. Complex and Dusty Plasmas: From Laboratory to Space (Taylor and Francis, 2010) [ISBN: 978-1-4200-8311-8].

M.S. Sodha. Kinetics of Complex Plasmas (Springer, 2014) [ISBN: 978-81-322-1819-7]. https://doi.org/10.1007/978-81-322-1820-3

O. Bystrenko, A. Zagorodny. Screening of dust grains in a weakly ionized gas: Effects of charging by plasma currents. Phys. Rev. E 67, 066403, (2003). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.67.066403

I.L. Semenov, A.G. Zagorodny, I.V. Krivtsun. Ion drag force on a dust grain in a weakly ionized collisional plasma. Phys. Plasmas 20, 013701 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4773438

A.I. Momot, A.G. Zagorodny, I.S. Orel. Interaction force between two finite-size charged particles in weakly ionized plasma. Phys. Rev. E 95, 013212 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.013212

V.N. Tsytovich, U. de Angelis, R. Bingham. Transition scattering of waves on charged dust particles in a plasma. J. Plasma Phys. 42, 429 (1989). https://doi.org/10.1017/S0022377800014471

U. de Angelis, R. Bingham, V.N. Tsytovich, Dispersion properties of dusty plasmas. J. Plasma Phys. 42, 445 (1989). https://doi.org/10.1017/S0022377800014483

R. Bingham, U. de Angelis, V.N. Tsytovich, O. Havnes. Electromagnetic wave scattering in dusty plasmas. Phys. Plasmas B 3, 811 (1991). https://doi.org/10.1063/1.859876

V.N. Tsytovich. Scattering of waves in dusty plasmas. Phys. Scripta 45, 521 (1992). https://doi.org/10.1088/0031-8949/45/5/019

U. de Angelis. The physics of dusty plasmas. Phys. Scripta 45, 465 (1992). https://doi.org/10.1088/0031-8949/45/5/010

C. La Hoz. Radar scattering from dusty plasmas. Phys. Scripta 45, 529 (1992). https://doi.org/10.1088/0031-8949/45/5/021

O. Havnes, F. Melandsca, C. La Hoz, T.K. Aslaksen. Charged dust in the Earth's mesopause; Effects on radar backscatter. Phys. Scripta 45, 535 (1992). https://doi.org/10.1088/0031-8949/45/5/022

M.S. Sodha, S.K. Mishra, Sh. Misra. Nonlinear dependence of complex plasma parameters on applied electric field. Phys. Plasmas 18, 023701 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3553467

Jieshu Jia, Chengxun Yuan, Sha Liu, Feng Yue, Ruilin Gao, Ying Wang, Zhong-Xiang Zhou, Jian Wu, Hui Li. Propagation of electromagnetic waves in a weak collisional and fully ionized dusty plasma. Phys. Plasmas 23, 043302 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4946780

A.I. Akhiezer, I.A. Akhiezer, R.V. Polovin, A.G. Sitenko, K.N. Stepanov. Plasma Electrodynamics. Vol. 1: Linear Theory (Pergamon Press, 1975). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-018016-8.50007-8

A.I. Akhiezer, I.A. Akhiezer, R.V. Polovin, A.G. Sitenko, K.N. Stepanov. Plasma Electrodynamics. Vol. 2: Nonlinear Theory and Fluctuations (Pergamon Press, 1975).

V.L. Ginzburg. Propagation of Electromagnetic Waves in Plasma (Gordon and Breach, 1961).

S.A. Khrapak, G.E. Morfill. Dusty plasmas in a constant electric field: Role of the electron drag force. Phys. Rev. E 69, 066411 (2004). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.69.066411

A.G. Sitenko, A.G. Zagorodny, Yu.I. Chutov, P. Schram, V.N. Tsytovich, Statistical properties and relaxation of dusty plasmas. Plasma Phys. Control. Fusion 38, A105 (1996). https://doi.org/10.1088/0741-3335/38/12A/009

S.V. Vladimirov. Propagation of waves in dusty plasmas with variable charges on dust particles. Phys. Plasmas 1, 2762 (1994). https://doi.org/10.1063/1.870511

S.A. Trigger, P.P.J.M. Schram. Kinetic theory of the charging process in dusty plasmas. J. Phys. D 32, 234 (1999). https://doi.org/10.1088/0022-3727/32/3/009

Hui Li, Jian Wu, Zhong-Xiang Zhou, Chengxun Yuan, Jieshu Jia. The dielectric function of weakly ionized dusty plasmas. Phys. Plasmas 23, 073301 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4956457

Shi Yan-Xiang, Wu Jian, Ge De-Biao. The research on the dielectric tensor of weakly ionized dust plasma. Acta Phys. Sin. 58, 5507 (2009).

Shi Yan-Xiang, Ge De-Biao, Wu Jian. Influence of charge and discharge processes of dust particles on the dust plasma conductivity. Acta Phys. Sin. 55, 5318 (2006).

Shi Yan-Xiang, Ge De-Biao, Wu Jian. Theoretical analysis of microwave attenuation constant of weakly ionized dusty plasma. Chin. J. Geophys. 50, 877 (2007). https://doi.org/10.1002/cjg2.1105

Hui Li, Jian Wu, Zhongxiang Zhou, Chengxun Yuan. Propagation of electromagnetic wave in dusty plasma and the influence of dust size distribution. Phys. Plasmas 23, 073702 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4956446

Hui Li, Jian Wu, Chengxun Yuan, Zhongxiang Zhou. The electrical conductivity of weakly ionized plasma containing dust particles. Phys. Lett. A 380, 2540 (2016). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2016.05.046

Yunhai Hong, Chengxun Yuan, Jieshu Jia, Ruilin Gao, Ying Wang, Zhongxiang Zhou, Xiaoou Wang, Hui Li, Jian Wu. Propagation characteristics of microwaves in dusty plasmas with multi-collisions. Plasma Sci. Technol. 19, 055301 (2017). https://doi.org/10.1088/2058-6272/aa5b29

R. Mayol, F. Salvat. Total and transport cross sections for elastic scattering of electrons by atoms. At. Data Nucl. Data Tables 65, 55 (1997). https://doi.org/10.1006/adnd.1997.0734

Yan Xiang Shi, Hui Min Chen, P. Zumaji. Studying the electromagnetic property of dust plasma in polar mesospheric during summer. In: Proceedings of the 9th International Symposium on Antennas Propagation and EM Theory (2010), p. 383. https://doi.org/10.1109/ISAPE.2010.5696481

Hui Li, Jian Wu, Yan-Xiang She, Jun Wu. Microwave attenuation characteristics of the dusty plasma produced by solid rocket exhausts. In: Proceedings of the 9th International Symposium on Antennas Propagation and EM Theory (2010), p. 371. https://doi.org/10.1109/ISAPE.2010.5696478

Li Lin-Qian, Shi Yan-Xiang, Wang Fei, Wei Bing. SO-FDTD method of analyzing the reflection and transmission coefficient of weakly ionized dusty plasma layer. Acta Phys. Sin. 61, 125201 (2012).

Ji-Zheng Duan, Cang-Long Wang, Jian-Rong Zhang, Sheng-Qian Ma, Xue-Ren Hong, Jian-An Sun, Wen-Shan Duan, Lei Yang. Influence of charging process and size distribution of dust grains on the electric conductivity of dusty plasma. Phys. Plasmas 19, 083703 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4744972

Chen Yun-Yun, Zheng Gai-Ge, Gu Fang, Li Zhen-Hua. Effect of dust particle potential on plasma conductivity. Acta Phys. Sin. 61, 154202 (2012).

Ji-Zheng Duan, Juan-Fang Han, Cang-Long Wang, Yan-Xia Xu, Jian-Rong Zhang, Wen-Shan Duan, Lei Yang. Contribution of the dust grains to the damping of the electromagnetic waves propagating in plasma. IEEE Trans. Plasma Science 41, 2434 (2013). https://doi.org/10.1109/TPS.2013.2260770

Jieshu Jia, Chengxun Yuan, Ruilin Gao, Ying Wang, Yaoze Liu, Junying Gao, Zhongxiang Zhou, Xiudong Sun, Jian Wu, Hui Li, Shaozhi Pu. Propagation of electromagnetic waves in a weakly ionized dusty plasma. J. Phys. D 48, 465201 (2015). https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/46/465201

Maoyan Wang, Mengxia Yu, Zhitao Xu, Guiping Li, Baojun Jiang, Jun Xu. Propagation properties of terahertz waves in a time-varying dusty plasma slab using FDTD. IEEE Trans. Plasma Science 43, (2015). https://doi.org/10.1109/TPS.2015.2493001

Maoyan Wang, Zhitao Xu, Yuliang Dong, Jun Xu, Meng Zhang. The interaction of terahertz waves and a dusty plasma slab with Epstein distribution. Frequenz 70, 39 (2016). https://doi.org/10.1515/freq-2015-0161

Maoyan Wang, Hailong Li, Yuliang Dong, Guiping Li, Baojun Jiang, Qiang Zhao, Jun Xu. Propagation matrix method study on THz waves propagation in a dusty plasma sheath. IEEE Trans. Antennas and Propagation 64, 286 (2016). https://doi.org/10.1109/TAP.2015.2496114

Wang Maoyan, Zhang Meng, Li Guiping, Jiang Baojun, Zhang Xiaochuan, Xu Jun. FDTD simulation on terahertz waves propagation through a dusty plasma. Plasma Sci. Technol. 18, 798 (2016). https://doi.org/10.1088/1009-0630/18/8/02

Yun-yun Chen, Fang Gu, Cui-hong Yang, Yingying Zhang. The study of dusty plasma's conductivity with dual-temperature model. Optik 127, 2476 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2015.11.082

Downloads

Опубліковано

2019-06-18

Як цитувати

Kovtun, Y. V., Skibenko, A. I., Skibenko, E. I., & Siusko, Y. V. (2019). Особливості використання мікрохвильових методів для діагностики запорошеної плазми. I. Діелектрична проникність, показники заломлення та поглинання. Український фізичний журнал, 64(5), 380. https://doi.org/10.15407/ujpe64.5.380

Завантажити посилання

Номер

Том 64 № 5 (2019)

Розділ

Фізика плазми

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.