Диссертация (1104429)
Текст из файла
Московский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваФизический факультетКафедра физической электроникиНа правах рукописиОрликовская Нино ГригорьевнаПоверхностные волны и резонансные явления в электроннойплазме с плавными границами01.04.08 – физика плазмыДиссертация на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:Д.ф.-м.н., профессор Кузелев М.В.Москва – 2016Поверхностные волны и резонансные явления в электронной плазме сплавными границамиОглавлениеВведение…………….…………………………………………………………….4Глава I. Обзор по теории волн в плазме с резкими границами………….13§1.1.
Поверхностные волны в плазме с резкими границами в отсутствиивнешнего магнитного поля…………………………………………………..13§1.2. Поверхностные волны в плазме с резкими границами во внешнеммагнитном поле………………..……………………………………………..19§1.3. Цилиндрически симметричные плазменные системы. Плазменныйволновод………………………………………..……………………………..26Глава II. Поверхностные волны в плазменных системах с плавнымиграницами в плоской геометрии……………………………………………..32§2.1. Вывод основного уравнения теории поверхностных волн в плазме………………………………………………………………………………32§2.2.
Длинноволновое приближение. Необходимость аналитического продолжения и проблема разрыва потенциала………..…………….……….....34§2.3. Общая теория поверхностных волны на границе плазменного полупространства………………………………..………………………………...41§2.4. Учет теплового движения и обоснование правила Ландау………….49§2.5. Волны плазменного слоя с одной свободной границей в волноводе.Исчезновение поверхностных волн………….……………………………...58§2.6.
Поверхностные волны плазменного слоя с двумя свободными плавными границами……………………………………………………………...64§2.7. Случай произвольной зависимости плотности плазмы от пространственной координаты………………………………………...……….………..72Глава III. Поверхностные волны в плазменных системах с плавнымиграницами в цилиндрической геометрии…………………………………...76§3.1. Постановка задачи, основные уравнения и выбор общего решения…………………………………………...…………….…………..………762§3.2.
Плазменный цилиндр со свободной внешней поверхностью в волноводе……………………………………..…………………..……………...….78§3.3. Полый плазменный цилиндр в волноводе……………………………84§3.4. Трубчатая плазма с размытыми границами в волноводе……………86Глава IV. Поверхностные волны в плазменных системах с плавнымиграницами во внешнем магнитном поле…………………………………....90§4.1. Основное уравнение теории поверхностных волн в магнитоактивнойплазме………………………………………………………………………....90§4.2. Поверхностные волны магнитоактивной плазмы с одной плавнойграницей в длинноволновом приближении……………………………..….92§4.3.
Поверхностные волны плазменного слоя в длинноволновом приближении………………………………………………………………………….97§4.4. Общее дисперсионное уравнение для поверхностных волн магнитоактивной плазмы с плавной границей.....………………..………………...100Заключение………………………………………………………………….…105Литература……………………………………………………………………..1083ВведениеРезонансные взаимодействия волна-частица играют важную роль вразнообразных плазменных явлениях [1,2]. Макроскопические самосогласованные возмущения зарядов, токов и электромагнитных полей определяютколлективные свойства плазмы, к которым в первую очередь относятся различные собственные плазменные колебания и волны [3,4].
При определенных условиях волны плазмы оказывают сильное резонансное воздействие нанебольшие группы заряженных частиц плазмы. И хотя таких частиц, как правило, не много, их наличие приводит к качественно новым физическим явлениям. К числу наиболее известных явлений этого типа следует отнести бесстолкновительное затухание Ландау ленгмюровских волн в плазме [5-9].В настоящей работе рассмотрены резонансные взаимодействия волначастица, обусловленные пространственной неоднородностью плотностиплазмы [10]. В той точке пространства, где частота какой-либо собственнойволны плазмы совпадает с ленгмюровской частотой электронов, происходитсильное резонансное взаимодействие частиц с волной – плазменный резонанс[11-13], что приводит к изменению спектров колебаний и даже к их бесстолкновительному затуханию. Заметим, что резонансные взаимодействияволна частица могут быть обусловлены также и неоднородностью скоростиплазмы, если речь идет о плазменных потоках – пучках.
В пучках эти взаимодействия приводят к возникновению целого ряда неустойчивостей [14-18].В пространственно неоднородной плазме наиболее интересными являются так называемые поверхностные волны [3,10,19-23], влияние на которыерезонансных взаимодействий волна-частица было исследовано в работах[24,25]. Проблемы физики поверхностных волн периодически обсуждаются внаучной литературе чуть ли не с момента теоретического предсказания такихволн А. Зоммерфельдом в 1896 году [26-28]. Это обусловлено многообразиемтипов поверхностных волн и большим значением поверхностных волн дляразличных приложений (см.
далее). Несмотря на значительный период, про4шедший с момента открытия поверхностных волн и их интенсивное исследование, нерешенные вопросы физики поверхностных волн остаются и до настоящего момента. Решению некоторых из этих проблем и посвящена настоящая диссертационная работа.В наших работах [24,25] была отмечена аналогия между резонанснымивзаимодействиями волна-частица, обусловленными пространственной неоднородностью плазмы и резонансными взаимодействиями волна-частица воднородной плазме с тепловым разбросом частиц по скоростям. В случаепространственно неоднородной плазмы резонанс происходит в некоторойточке конфигурационного пространства, а в случае однородной плазмы с тепловым разбросом резонанс реализуется в некоторой точке пространстваскоростей, и приводит к бесстолкновительному затуханию Ландау.§1.
Актуальность работыЗначительное внимание при исследовании электродинамических систем с плазменным заполнением уделяется волнам, имеющим фазовые скорости меньшие скорости света в вакууме. Изучение этих медленных плазменных волн важно для решения многих актуальных проблем плазменной СВЧэлектроники [29-37], физики газового разряда [38,39], физической электроники [40] и ряда других областей физики. Свойства медленных плазменныхволн зависят от геометрии плазмы, от характера границ раздела между плазмами разной плотности и между плазмой и другими средами [41-43].
В зависимости от структуры электромагнитного поля обычно выделяют следующиетипымедленныхплазменныхволн:объемныеволны,объемно-поверхностные волны и поверхностные волны. Особую роль для многочисленных приложений играют поверхностные плазменные волны. Достаточноупомянуть прикладные проблемы, решаемые в рамках таких современныхнаправлений физики плазмы, как плазменная СВЧ электроника [29-37] (черенковская генерация электромагнитного излучения СВЧ диапазона) и плазмоника [44-47] (локализация электромагнитной энергии в сверхмалых облас5тях пространства). Кроме того, поверхностные волны важны и при решениитаких важных прикладных проблем, как СВЧ нагрев плазмы, транспортировка пучков заряженных частиц и ряд других [48-53].
Этим проблемам, а значит и исследованию поверхностных волн в плазме, в последнее время уделяется особо большое внимание, чем и определяется актуальность темы диссертации, посвященной исследованию поверхностных волн в различныхплазменных электродинамических системах.К настоящему времени в плазменной СВЧ электронике достаточноподробно и теоретически и экспериментально исследованы объемноповерхностные волны в замагниченной плазме [54]. Однако переход к использованию в экспериментальных установках плазменной СВЧ электроникинезамагниченной плазмы приводит к необходимости дополнительного теоретического исследования поверхностных волн [55].
Дело в том, что в отсутствии магнитного поля частота поверхностных волн всегда меньше максимальной ленгмюровской частоты плазмы и, кроме того, поверхности разрыванормальной составляющей напряженности электрического поля волны совпадают с границами плазмы. В реальных условиях резких границ у плазмынет. Обычно имеется пространственная область, в пределах которой плотность плазмы изменяется от нуля до некоторого максимального значения.Возникает вопрос, к каким точкам размытой границы плазмы «привязана»поверхностная волна и может ли она вообще существовать? Другими словами, при какой степени размытости границы плазмы поверхностная волна вплазме становится невозможной.
Далее, ленгмюровская частота электроновплазмы в пределах размытой границы плазмы изменяется от нуля до некоторого максимального значения. Поэтому, где-то внутри границы имеется особая точка плазменного резонанса. Возникает вопрос о поведении поля в точке плазменного резонанса и появляется связанная с этим математическаяпроблема правильного учета (обхода) особой точки. Понятно, что для теорииповерхностных волн в плазме и для приложений, существенно использующих поверхностные волны, поставленные вопросы имеют принципиальное6значение. Ответ на поставленные вопросы, чему в значительной мере посвящена настоящая диссертационная работа, принципиален для физики поверхностных волн в плазме и чрезвычайно актуален для современных прикладных исследований, использующих поверхностные волны в плазме.§2.
Цели диссертационной работы Определение комплексных спектров частот и структур полей поверхностных волн плазменных систем с плавными границами с различной геометрией. Выяснение условий существования поверхностных волн различного типав плазменных системах с плавными границами. Обоснование применения правила Л.Д. Ландау в рамках теории поверхностных волн плазмы с плавными границами и исследование поведения поля волн в окрестности точки плазменного резонанса. Учет внешнего магнитного поля в теории поверхностных волн плазмы сплавными границами.§3. Основные положения, выносимые на защиту, научная новизна1. Впервые в аналитическом виде получены дисперсионные уравнениядля определения комплексных спектров частот поверхностных волн различных плазменных структур с плавными границами в плоской и цилиндрической геометриях.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
