Гірка Володимир Олександрович. Поверхневі азимутальні та циклотронні хвилі у магнітоактивних плазмових структурах: дисертація д-ра фіз.-мат. наук: 01.04.08 / Харківський національний ун-т ім. В.Н.Каразіна. - Х., 2003.
Анотація до роботи:
Гірка В.О. “Поверхневі азимутальні та циклотронні хвилі у магнітоактивних плазмових структурах». - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.08 – фізика плазми. -Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна, Харків, 2002.
Використовуючи кінетичне наближення, теоретично досліджено властивості поверхневих циклотронних хвиль різної поляризації, які можуть, залежно від орієнтації зовнішнього магнітного поля відносно поверхні плазми та поляризації хвилі, поширюватися вздовж межі плазма-діелектрик або плазма–метал. В гідродинамічному наближенні досліджено поширення електромагнітних поверхневих азимутальних мод поперек зовнішнього аксіального магнітного поля в металевих хвилеводах, що повністю заповнені плазмою. Розглянуто можливість параметричного збудження поверхневих циклотронних хвиль, враховуючи можливу немонохроматичність зовнішнього змінного електричного поля накачки. Побудовано нелінійну теорію взаємодії потоків електронів, що обертаються за азимутом в металевих хвилеводах з плазмовим наповненням, та поверхневих азимутальних мод. Досліджено електродинамічні моделі джерел плазми, що можуть використовувати поширення різних поверхневих циклотронних та азимутальних мод. При цьому взято до уваги можливість передачі енергії поверхневих хвиль до газового розряду не тільки внаслідок омічного механізму дисипації, а також через кінетичне загасання поверхневих циклотронних хвиль та резонансне загасання поверхневих азимутальних мод.
У дисертаційній роботі наведено узагальнені теоретичні результати побудованої автором кінетичної теорії поверхневих циклотронних хвиль різної поляризації (а саме ТМ, Х та О мод) в хвилеводних структурах типу плазма-діелектрик-метал. Обчислено їх власні частоти та декременти загасання, обумовлені тепловим рухом. Досліджено збудження поверхневих циклотронних ТМ та Х мод внаслідок параметричної дії зовнішнього змінного електричного поля та пучкове збудження О мод. У наближенні магнітної гідродинаміки побудовано теорію поширення поверхневих азимутальних хвиль вздовж межі плазма-метал, що має скінченний радіус кривини, та нелінійну теорію їх взаємодії з кільцевими потоками заряджених частинок, що рухаються над поверхнею плазми, в режимах резонансної пучкової та дисипативної нестійкості. Теоретично встановлено, що всі вищезазначені поверхневі поперечні хвилі можна використовувати для підтримання газових розрядів, обчислено величину їх енергії, яку поглинатиме розрядна плазма в режимах високого та низького тисків робочого газу. Новизну здобутих результатів підтверджено пріоритетом в опублікуванні наукових статей за темою дисертації, а їх достовірність визначається використанням адекватних методів розв’язання задач та їх апробацією на численних міжнародних конференціях. Результати виконаних досліджень можна використовувати для пояснення експериментів із збудження поверхневих хвиль в радіотехнічних пристроях, з’ясування причин посиленої взаємодії плазма-стінка в термоядерних реакторах. Вони можуть бути корисними при розробці приладів з неруйнівного контролю властивостей поверхонь та різного типу покриттів на напівпровідниках, а також плазмових джерел на поверхневих хвилях.
Наведемо основні результати, які здобуто в даній дисертаційній роботі:
1. В наближенні магнітної гідродинаміки теоретично доведено можливість поширення азимутальних поверхневих хвиль (АПХ) поперек зовнішнього аксіального магнітного поля вздовж межі плазма-метал із скінченним радіусом кривини. Встановлено діапазони їх існування та знайдено кореляцію між знаком азимутального хвильового числа та формою поверхні межі плазма-метал. З точністю до малих доданків другого порядку за параметром гофрування обчислено зсув власної частоти АПХ, який пов’язано з відмінністю форми перерізу хвилеводу від кола. Знайдено аналітичні вирази для декрементів загасання цих мод, що обумовлені їх резонансною конверсією в гібридні плазмові коливання в перехідній області неоднорідної плазми, зіткненнями частинок плазми та випромінюванням енергії цих хвиль з хвилеводу.
2. Побудовано нелінійну теорію збудження АПХ кільцевими потоками електронів малої густини за умов резонансної пучкової та дисипативної нестійкостей. Доведено, що у випадку руху частинок у схрещених радіальному електричному та аксіальному магнітному полях пучок віддає більше своєї кінетичної енергії на збудження АПХ, порівнюючи з випадком відсутності радіального електричного поля. На стадії насичення нестійкості кільцевий пучок розбивається на бунчі, кількість яких визначається азимутальним номером моди. При збільшенні товщини потоку відбувається збільшення інтервалу часу, що потрібен для виходу на нелінійну стадію розвитку нестійкості, та амплітуди АПХ на стадії насичення. Показано, що збільшення рівня дисипації зменшує амплітуду АПХ на стадії насичення нестійкості.
3. Побудовано кінетичну теорію поширення поверхневих ТМ мод на гармоніках іонних та електронних циклотронних частот в структурах плазма-діелектрик-метал за умов, що зовнішнє стале магнітне поле орієнтовано перпендикулярно до межі плазми. Встановлено, що неоднорідність плазми призводить до слабкого зменшення частоти цих хвиль порівняно з випадком однорідної плазми, а зменшення товщини плазми та/ або товщини діелектричного покриття хвилеводу спочатку змінює їх дисперсію в діапазоні довгих хвиль із зворотної на пряму, потім зменшує діапазон хвильових чисел, де вони можуть існувати, а за умов відсутності діелектричного покриття хвилі поширюватись не можуть.
4. Створено кінетичну теорію поверхневих Х мод хвиль на гармоніках іонних та електронних циклотронних частот, що поширюються в структурах плазма-діелектрик-метал скінченних поперечних розмірів за умов, що зовнішнє стале магнітне поле орієнтовано паралельно до межі плазми. Доведено, що зменшення товщини діелектричного покриття на металевій стінці хвилеводу призводить до того, що ці моди з невзаємних стають односпрямованими, а їх напрямок поширення однозначно корелює з напрямком ларморівського обертання відповідних заряджених частинок безпосередньо на поверхні плазми. Оскільки дисперсія цих мод визначається в основному величиною зовнішнього магнітного поля, то вплив неоднорідності плазми та величини поперечних розмірів на їх дисперсію є слабким.
5. Побудовано кінетичну теорію поверхневих О мод на гармоніках іонних та електронних циклотронних частот в структурах плазма-діелектрик-метал із скінченними поперечними розмірами за умов, що зовнішнє магнітне поле є паралельним до межі плазми. При зменшенні товщини діелектрика до нуля ці моди спочатку стають сильно загасаючими, а потім зникають. Доведено можливість збудження поверхневих циклотронних О мод потоками заряджених частинок, які рухаються над поверхнею плазми, за умов резонансної пучкової та дисипативної нестійкостей.
6. Доведено можливість збудження поверхневих циклотронних ТМ та Х мод зовнішніми змінними електричними полями в структурах плазма-діелектрик-метал із скінченними поперечними розмірами. Знайдено вирази для інкрементів та порогів їх параметричної нестійкості. За умов параметричної дії двох різних зовнішніх електричних полів сценарій розвитку параметричної нестійкості даних поверхневих мод істотно залежить від співвідношення між частотами та амплітудами цих електричних полів. Показано, що коли частота одного з полів накачки є близькою до циклотронної частоти, а величина другої є далекою від неї, то змінюючи амплітуду другого електричного поля накачки, можна керувати початковою стадією розвитку параметричної нестійкості даних мод.
7. Встановлено можливість використання АПХ для підтримання мікрохвильових газових розрядів для двох моделей розрядної структури: металевого циліндру з плазмовим наповненням та металевої циліндричної антени, що занурена в плазму, за умов використання слабкого аксіального зовнішнього магнітного поля. Аналітично доведено, що розряди на АПХ будуть азимутально однорідними. В режимі малих тисків робочого газу передача енергії цієї моди відбуватиметься внаслідок її резонансного загасання в прошарку з неоднорідною плазмою, а не омічної дисипації.
8. Побудовано електродинамічні моделі стаціонарного газового розряду на поверхневих циклотронних ТМ, Х та О модах. Здобуто аналітичні вирази для потоку енергії цих хвиль, кількості їх енергії, що може бути поглинутою частинками плазми внаслідок омічної дисипації та кінетичного загасання. Встановлено, що основним каналом передачі енергії цих поверхневих мод за умов відносно низького тиску робочого газу є їх кінетичне загасання. Здобуто аналітичні вирази для довжини таких газових розрядів.
Публікації автора:
Гирка В.А., Кондратенко А.Н., Лапшин В.И. Параметрическое возбуждение поверхностных циклотронных волн в полуограниченной гиротропной плазме // Изв. Вузов. "Радиофизика". – 1986. - т. 29, №2. - с. 164-168.
Гирка В.А., Лапшин В.И. Параметрическое возбуждение поверхностных волн на второй гармонике ионных и электронных циклотронных частот // Изв. Вузов. "Радиофизика". – 1987. - т. 30, №6. - с. 729-733.
Гирка В.А., Кондратенко A.Н., Лапшин В.И. К теории параметрического возбуждения поверхностных волн на циклотронных частотах // Сб. "Взаимодействие и самовоздействие волн в нелинейных средах". - Душанбе: Дониш. Таджикистан. - 1988. - ч.1. - с.178-190.
Гирка В.А., Гирка И.А., Кондратенко А.Н., Ткаченко В.И. Азимутальные поверхностные волны на границе магнитоактивной плазмы с металлом // Радиотехника и электроника. – 1989. - т. 34, №2. - с. 296-299.
Гирка В.А., Гирка И.А. Влияние неоднородности плазмы на спектры азимутальных поверхностных волн // Изв. Вузов. "Радиофизика". – 1990. - т. 33, №4. - с. 516-517.
Girka V.A., Girka I.A. Azimuthal surface waves in a nonuniform plasma cylinder // Radiophysics and Quantum Electronics. – 1991. - v. 34, # 4. - p. 324-328.
Гирка В.А., Гирка И.А. Излучение азимутальных поверхностных волн из узкой щели волновода // Радиотехника и электроника. – 1992. - т. 37, №3. - с. 419-422.
Гірка В.О., Павленко І.В. До кінетичної теорії поверхневих хвиль на межі плазма-метал // Український фізичний журнал. – 1993. - т. 38, №4. - с. 529-533.
Гірка В.О. Параметрична нестійкість поверхневих циклотронних хвиль у гіротропному шарі плазми // Український фізичний журнал. – 1993. - т. 38, №4. - с. 534-539.
Гирка В.А., Гирка И.А., Ткаченко В.И. Возбуждение азимутальных поверхностных мод в цилиндрических полупроводниковых структурах при наличии дрейфового движения потока электронов // Журнал технической физики. – 1996. - т. 66, № 4. - с. 114-120.
Girka V.O., Girka I.O., Kondratenko A.M., Pavlenko I.V. Electron surface cyclotron waves in the metallic waveguide structures with two - component filling //Contributions to Plasma Physics. – 1996. - v. 36, #6. - p. 679-686.
Girka V.O., Girka I.O., Pavlenko I.V. HF surface cyclotron waves in planar waveguide structures with non - uniform plasma filling // Journal of Plasma Physics. – 1997. - v. 58, part 1. - p. 31-39.
Azarenkov N.A., Girka V.A., Sporov O.E. Ion cyclotron surface waves at the plasma-metal interface // Plasma Physics Reports. – 1997. - v. 23, #3. - p. 231-236.
Azarenkov N.A., Girka V.O., Kondratenko A.M., Sporov O.E. Surface waves on the harmonics of the electron cyclotron frequency propagating along a plasma- metal interface // Plasma Physics and Controlled Fusion. – 1997. - v. 39, #3. - p. 375-388.
Azarenkov N.A., Girka V.O., Sporov O.E. Surface cyclotron waves in a nonuniform plasma filled metal waveguide with dielectrical coating // Physica Scripta. - 1997. - v.55, #3. - p. 339-344.
Girka V.O., Sporov O.E. Parametric instability of surface waves on the second harmonic of electron cyclotron frequency in a plasma layer // Contributions to Plasma Physics. – 1997. - v.37, #6. - p. 511-520.
Girka V.O. Propagation and parametric excitation of surface cyclotron waves // Physica Scripta. – 1998. - v. 57, #4. - p. 447-452.
Girka V.O. Theoretical model of a stationary low-pressure plasma source based on surface type X-mode // Physica Scripta. – 1998. - v. 58, #4. - p. 387-391.
Girka V.O., Lapshіn V.I., Pavlenko I.V. Parametric excitation of surface waves at harmonics of the ion cyclotron frequency // Plasma Physics Reports. – 1998. - v. 24, #8. - p. 667-671.
Гирка В.О., Кондратенко А.М. Споров А.Е. Нелинейная теория пучкового возбуждения азимутальных поверхностных мод в металлических цилиндрических волноводах с плазменным наполнением // Журнал технической физики. – 1999. - Т. 69, № 7. - с. 84-88.
Girka V.O. Propagation of the surface cyclotron O-modes at harmonics of ion and electron cyclotron frequencies // Plasma Physics and Controlled Fusion. – 2000. - v. 42. - p. 999-1011.
Girka V.O. Electron heating during microwave gas discharge sustained by surface cyclotron waves // Physica Scripta. – 1999. - v. 60. - p. 257-260.
Girka V.O., Lapshіn V.I., Puzіrkov S.Yu. Parametrical instability of surface type X-modes immersed into a nonmonochromatic pumping electric field // Contributions to Plasma Physics. – 1999. - v.39, #6. - p. 487-494.
Girka V.O., Lapshіn V.I., Pavlenko I.V. Ion surface cyclotron waves at plasma-metal interfaces // Technical Physics. – 1999. - v. 44, #10. - p. 1203-1208.
Azarenkov N.A., Girka V.O., Pavlenko I.V. Microwave gas discharge sustained by the azimuthal surface waves // Contributions to Plasma Physics. – 2000. - v. 40, # 5-6. - p. 529-536.
Girka V.O. Excitation of surface cyclotron O modes by charged-particle beams // Journal of Plasma Physics. – 2002. - v. 68, part # 2. - р. 129-136.
Girka V.O. Application of electron cyclotron surface modes to solids processing // Physica Scripta. – 2001. - v. 63. - p. 484-490.
Girka V.O., Girka I.O., Pavlenko I.V. Electrodynamic model of the gas discharge sustained by azimuthal surface waves // Contributions to Plasma Physics. – 2001. - v. 41, #4. - p. 393-406.
Girka V.O., Puzyrkov S.Yu. Nonlinear interaction of an annular electron beam with azimuthal surface waves // Plasma Physics Reports. – 2002. – v. 28, # 4. – p. 351 – 358.
