Электродинамика плазмы и плазменная СВЧ электроника

д.ф.-м.н., проф. М.В.Кузелев	к. Ц-64, т. (495)939-25-47
к.ф.-м.н., доц. И.Н.Карташов	к. Ц-64, т. (495)939-25-47

Группа занимается фундаментальными и прикладными исследованиями в области физики неравновесной плазмы. Развиваются три основных направления.

Электромагнитные волны и неустойчивости в плазме и плазмоподобных средах

Уникальность электродинамических свойств плазмы обусловлена дальнодействующим характером взаимодействия составляющих плазму частиц – электронов и ионов. Плазменные колебания и дебаевское экранирование являются общеизвестными классическими проявлениями данной уникальности. Оказывается, в плазме имеется множество других колебаний и электромагнитных волн, имеющих весьма разнообразную физическую природу. Волны характеризуют дисперсионными зависимостями ω(k), ω – частота, 2π/k – длина волны.

В вакуумном волноводе имеется только обычная световая волна с ω≈kc – голубая линия на рис. 1. Если поместить в волновод холодную изотропную плазму трубчатой геометрии, то к видоизмененной световой волне (зеленая линия, левый рисунок) добавятся принципиально новые типы волн – поверхностные плазменные (синяя и фиолетовая линии). При увеличении толщины трубчатой плазмы (правый рисунок) картина усложняется: световая и плазменная волны начинают взаимодействовать, дисперсия одной из плазменных волн становится аномальной (dω/dk<0). Внешнее магнитное поле, тепловое движение частиц, пространственные неоднородности качественно изменяют волновые свойства плазменных структур. Любые воздействия на плазму наиболее эффективны, если осуществляются на частотах близких к собственным. Поэтому изучение собственных колебаний и волн плазмы является важнейшей задачей физики плазмы.

Рис. 1

В плазме развиваются многочисленные неустойчивости, обусловленные неравновесностью ее начального состояния. Ток, протекающий в плазме, затухает не за счет столкновений, а срывается значительно быстрее из-за неустойчивости, обусловленной взаимодействием электронных и ионных ленгмюровских волн – бунемановская неустойчивость. Другим классическим примером является неустойчивость электронного пучка в плазме, при которой пучок, проходя сквозь плазму, возбуждает в ней ленгмюровские колебания, передает плазме значительную часть энергии своего направленного движения (не за счет столкновений!), а сам термализуется. Динамика пучковой неустойчивости в плазме представлена на рис. 2,3. Рис. 2 – фазовые плоскости электронов пучка (синий цвет) и электронов плазмы (фиолетовый цвет). На фазовых плоскостях по вертикали откладывают скорости, а по горизонтали – координаты. Первый рисунок характеризует начальное состояние: скорость электронов плазмы равна нулю, а "рябь" на пучке обусловлена его малым шумовым возмущением. Следующий рисунок – развитая стадия неустойчивости, третий рисунок – стадия нелинейного насыщения: в плазме возбуждены ленгмюровские колебания, а пучок термализован. На рис. 3 показан спектр возмущений в плазме. На начальном этапе (зеленая линия) спектр широкий – шумовой. На стадии насыщения выделилась узкая спектральная полоса плазменных колебаний.

Рис. 2

Рис. 3

Теория плазменных неустойчивостей – один из основных разделов физики плазмы. Плазму надо не только уметь создать, важно еще удержать ее в требуемом состоянии и в течении необходимого промежутка времени. Кроме того, многие неустойчивости плазмы используются для преобразования энергии из одной формы в другие.

Вынужденное излучение релятивистских электронных пучков

Электромагнитные поля, создаваемые зарядами, подразделяют на собственные и излучаемые. Собственные поля (например, кулоновское поле) как "шубой: окружают заряд и связаны с ним неразрывно. Излучаемые поля отрываются от заряда (говорят, что заряд "раздевается") и уносятся в виде свободных электромагнитных волн. Пример – обычное дипольное излучение осциллирующего заряда. Частота ω дипольного излучения совпадает с частотой осцилляций Ω. И вообще, излучение возникает при совпадении собственной частоты электромагнитного поля с частотой, характеризующей движение заряда. Если заряд – электрон – помимо осцилляций движется поступательно со скоростью u, то излучение возникает при ω=ku+nΩ, n=0, ±1,..., где k – волновой вектор излучаемой волны.

Излучение одного электрона есть спонтанное излучение. Если электронов много – пучок электронов, то излучая спонтанно, они влияют друг на друга посредством поля излучения. Излучение фазирует (группирует) электроны в пучке. В итоге излучают уже не отдельные электроны, а электронные сгустки – возникает вынужденное излучение. На эффектах вынужденного излучения электронных пучков основаны принципы самых разнообразных источников мощных когерентных электромагнитных волн, от лабораторных и промышленных – до космических.

Механизм вынужденного излучения определяется природой (физической причиной) осцилляций электронов в пучке. Известны следующие основные механизмы: вынужденное излучение Вавилова-Черенкова (Ω=0, т.е. внешнее воздействие на электрон отсутствует); вынужденное циклотронное излучение (Ω есть частота вращения электрона в постоянном внешнем магнитном поле); вынужденное ондуляторное излучение (Ω обусловлена колебаниями электрона во внешнем поле накачки); вынужденное излучение в периодических структурах (Ω=2πu/λ, λ – пространственный период структуры). При Ω≠0 и в зависимости от фазовой скорости излучаемых волн различают также нормальный и аномальный эффекты Доплера. Излучение Вавилова-Черенкова и аномальный эффект Доплера возможны только в материальной среде (например, в плазме).

Пучок ультрарелятивистских электронов может излучать на очень высокой частоте ω=2γ²Ω>>Ω (γ – отношение энергии электрона к его энергии покоя), на чем основаны лазеры на свободных электронах – перспективные источники излучения инфракрасного, оптического и более короткого диапазонов длин волн. С разработкой теории, в особенности нелинейной, различных механизмов вынужденного излучения релятивистских электронных пучков связаны многие перспективные, важные и актуальные проблемы физики плазмы и физической электроники, имеющее помимо фундаментального и чисто практическое значение.

Плазменная релятивистская СВЧ электроника

При прохождении прямолинейного электронного пучка сквозь плазму возникают различные пучково-плазменные неустойчивости. Наибольший интерес представляют неустойчивости, связанные с резонансным вынужденным излучением электронами пучка собственных электромагнитных волн плазмы. Основные механизмы излучения – вынужденный эффект Черенкова и аномальный эффект Доплера. Возбуждение плазменных волн прямолинейным пучком легко осуществимо и энергетически высоко эффективно. Если возбужденные в плазме волны удастся вывести из плазмы в свободное пространство, то будет реализован мощный плазменный излучатель СВЧ электромагнитных волн. Разработке, теоретической и экспериментальной, подобных излучателей – генераторов и усилителей – посвящено новое научное направление физики плазмы – плазменная релятивистская СВЧ электроника. Принципиальная схема плазменного черенковского излучателя, успешно реализованная в экспериментах на основе предварительных теоретических исследований, представлена на рис. 4.

Рис. 4. 1 – электронный пучок, 2 – металлический волновод, 3 – плазменный слой, 4 – система ввода излучения, 5 – излучающий рупор, 6 – катод, B – внешнее магнитное поле

К достоинствам плазменных излучателей, делающих их разработку весьма перспективной и актуальной, нужно отнести: наличие достаточно числа замедленных собственных волн, пригодных для возбуждения прямолинейным электронным пучком; возможность плавной перестройки частоты излучения путем изменения плотности плазмы; возможность использования пучков со сверхпредельными токами (из-за нейтрализации плазмой статического заряда пучка); простоту вывода релятивистских плазменных волн из объема плазмы в вакуум. В настоящее время плазменная релятивистская СВЧ электроника является интенсивно и успешно развивающейся областью физики плазмы, причем не только теоретической, но и экспериментальной. На рис. 5 изображены действующие экспериментальные плазменные релятивистские СВЧ генератор и усилитель большой мощности, реализованные в Институте общей физики им. А.М.Прохорова РАН в лаборатории плазменной электроники, руководимой д.ф.-м.н., проф. П.С.Стрелковым.

Рис. 5

Помимо перечисленных направлений исследований группа занимается электродинамикой квантовой плазмы, теорией лазеров на свободных электронах, теорией волн в пространственно ограниченной и неоднородной магнитоактивной плазме, нелинейными явлениями при электромагнитных процессах в неравновесной плазме. В общей сложности по перечисленным темам группой подготовлены тринадцать кандидатов и два доктора наук.

Книги, учебные пособия и публикации.

Книги, монографии, учебные пособия:

1. Н.С. Ерохин, М.В. Кузелев, С.С. Моисеев и др. Неравновесные и резонансные процессы в плазменной радиофизике. М.: Наука, 1982г., 271 с.
2. М.В. Кузелев, А.А. Рухадзе. Электродинамика плотных электронных пучков в плазме. М.: Наука, 1990г., 333 с.
3. M.V. Kuzelev, A.A. Rukhadze. Basics of Plasma Free Electron Lasers. France, Paris: Edititions Frontieres, 1995, p. 270.
4. М.В. Кузелев, А.А. Рухадзе, П.С. Стрелков. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002, 544 с.
5. Кузелев М.В., Рухадзе А.А. Методы теории волн в средах с дисперсией. М.: Физматлит, 2007, 270 с.
6. Александров А.Ф., Кузелев М.В. Радиофизика. Физика электронных пучков и основы высокочастотной электроники: учебное пособие. М.: КДУ, 2007, 300 с.
7. M.V. Kuzelev, A.A. Rukhadze. Methods of Wave Theory in Dispersive Media. World Scientific, Imperial College Press, 2009, p. 258.
8. Ю.В. Бобылев, М.В. Кузелев. Нелинейные явления при электромагнитных взаимодействиях электронных пучков с плазмой. М.: Физматлит, 2009, 456 с.
9. А.Ф. Александров, М.В. Кузелев. Теоретическая плазменная электротехника. Учебное пособие. Мгу имени М.В. Ломоносова, Физический факультет, 2011, 167 с.

список основных публикаций (DOC)