Рассмотрено взаимодействие интенсивных электромагнитных волн с бесстолкновительной плазмой. Даны представления о нелинейном воздействии излучения на плазму, связанном со стрикционными явлениями, возбуждением параметрической неустойчивости, аномально сильным поглощением и самовоздействием волн, нагревом плазмы, ускорением частиц и нетепловым излучением. Приводятся сведения по линейным механизмам поглощения волн в плазме, определяемым столкновениями частиц, бесстолкновительным затуханием Ландау, линейной трансформацией поперечных волн в продольные. Описываются эксперименты с изотропной и магнитоактивной плазмой. Рассмотренные процессы универсальны в радио- и оптическом (лазерном) диапазонах и представляют интерес при нахождении эффективных способов нагрева плазмы в термоядерных установках, определении условий устойчивого ВЧ-удержания плазмы и коллективного ускорения заряженных частиц, изучении распространения электромагнитных волн в плазме и т. п.

Книга рассчитана на научных работников и инженеров, аспирантов и студентов старших курсов, специализирующихся в области физики плазмы, радиофизики, квантовой радиофизики и радиоэлектроники.

Табл 11. Рис. 152. Список литературы 326 наименований.

Теоретические и экспериментальные исследования воздействия сильных СВЧ-полей на плазму были вызваны в 1956 г, предложением акад. В. И. Векслера осуществить радиационное ускорение плазменных сгустков. Проведённые эксперименты привели к открытию нового явления — аномального поглощения волн в плазме, сопровождающегося её эффективным нагревом, появлением ускоренных частиц, интенсивным распадом плазмы, самовоздействием волн на плазму, нетепловым излучением. Эти эффекты носят пороговый характер и протекают при взаимодействии волн с изотропной и замагниченной плазмой. Указанные процессы обычно связывают с неустойчивостями плазмы в сильных электромагнитных полях, в частности с развитием параметрической неустойчивости. Наблюдаемые нелинейные процессы в значительной степени носят универсальный характер и имеют место в ВЧ-, СВЧ- и оптическом (лазерном) диапазонах.

Практический интерес к исследованиям взаимодействия электромагнитных волн с плазмой связан с изучением свойств ионосферы Земли (осуществление радиосвязи); с развитием радиоастрономии (получение данных о космической плазме); разработкой СВЧ-методов зондирования (диагностики) плазмы; нагрева высокотемпературной плазмы и её удержания в термоядерных установках, ускорения плазмы (радиационный метод); созданием плазменных генераторов и усилителей, ослабителей и фазовращателей (электронная техника); осуществлением плазменных реактивных движителей и плазменных преобразователей энергии; плазмохимией, созданием высоковакуумных ВЧ-откачных устройств и т. п. Взаимодействие интенсивных волн с плазмой может сопровождаться дополнительной ионизацией (при СВЧ-разряде), а при наличии металлических или диэлектрических поверхностей (стенки волноводов и резонаторов, различные зонды и т. п.) ВЧ-вторично-эмиссионным разрядом.

В настоящее время имеется много книг, посвящённых общим вопросам физики плазмы и более частному вопросу — взаимодействию электромагнитных волн с плазмой. Ряд важных проблем рассмотрен в обзорных статьях. В части I книги, предназначенной в основном для физиков-экспериментаторов и инженеров, приведены наиболее важные понятия из физики плазмы, а также некоторые сведения из линейной теории взаимодействия электромагнитных волн с плазмой, в частности о механизмах поглощения волн в плазме, необходимые для понимания излагаемого далее материала.

Основное внимание в книге обращено на изучение нелинейного воздействия сильных ВЧ-полей на плазму, которое позволило осуществить СВЧ-удержание разреженной плазмы (ω_Le ≪ ω_o) и обнаружить аномальное поглощение электромагнитных волн в бесстолкновительной плазме (ω_Le ~ ω_o ≫ ν) (часть II). Также рассматривается нелинейное (стрикционное) взаимодействие отдельных заряженных частиц и разреженной плазмы с внешними неоднородными ВЧ-полями. Приводятся теоретические и экспериментальные результаты исследований изотропной и магнитоактивной бесстолкновительной плазмы. Полученные сведения представляют интерес для нахождения эффективных способов ВЧ-, СВЧ- и лазерного нагрева плазмы в термоядерных установках, определения условий устойчивого СВЧ-удержания и коллективного ускорения заряженных частиц, изучения распространения электромагнитных волн в плазме и т. п.

Вследствие ограниченного объёма книги автор не имел возможности описать все исследования по нелинейному взаимодействию электромагнитных волн с плазмой, и поэтому пытался несколько систематизировать явления, дать их теоретические основы, проанализировать условия применения, изложить основные экспериментальные данные и сравнить их с выводами теории.

Многие вопросы, изложенные в книге, разрабатывались в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР автором и его коллегами: Д. К. Акулиной, Н. Е. Андреевым, В. И. Бариновым, Г. М. Батановым, Э. Я. Гольцем, Л. М. Горбуновым, И. С. Данилкиным, В. А. Ивановым, Д. М. Карфидовым, А. Ю. Кирием, Л. М. Коврижных, А. А. Рухадзе, Р. Р. Рамазашвили, К. Ф.Сергейчевым, О. В. Сизухиным, В. П. Силиным, А. Н. Стародубом, В. Е. Трофимовым, Л. Э. Цоппом, И. С. Шпигелем.

Ю. М. Алиев, Л. С. Богданкевич, В. Н. Будников, С. В. Буланов, К. С. Голованивский, Б. Г. Еремин, М. Л. Левин, Г. С. Лукьянчиков, А. Д. Пилия, В. В. Пустовалов, К. А. Сарксян, В. А. Силин, В. И. Федоров, В. Н. Цытович, А. С. Шиканов взяли на себя труд прочесть отдельные разделы книги. Всем им автор выражает благодарность. Автор выражает глубокую признательность М. С. Рабиновичу за поддержку и плодотворное обсуждение вопросов, ко» торые рассмотрены в этой книге…

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предисловие	3

Ч а с т ь I. РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ПОГЛОЩЕНИЕ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ	5

Г л а в а 1. Общие сведения о плазме	5

§ 1.1. Свойства плазмы	5
§ 1.2. Природная и лабораторная плазма	15

Г л а в а 2. Колебания и волны в изотропной плазме	17

§ 2.1. Колебания и волны в однородной изотропной плазме	17
§ 2.2. ВЧ-проводимость однородной изотропной плазмы	27
§ 2.3. Распространение электромагнитных волн в однородной и
неоднородной изотропной плазме	28

Г л а в а 3. Колебания и волны в магнитоактивной плазме	35

§ 3.1. Колебания и волны в однородной магнитоактивной плазме	35
§ 3.2. ВЧ-проводимость однородной магнитоактивной плазмы	51
§ 3.3. Распространение электромагнитных волн в однородной
магнитоактивной плазме	52

Г л а в а 4. Линейная трансформация и поглощение волн в
неоднородной плазме	56

§ 4.1. Связь между электромагнитными и плазменными волнами,
эффективность трансформации	56
§ 4.2. Резонансы в ограниченной плазме малых размеров	60
§ 4.3. Поглощение электромагнитных волн в неоднородной ограниченной
плазме	65

Ч а с т ь II. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ И ПОГЛОЩЕНИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ПЛАЗМЕ	71

Г л а в а 5. Нелинейные явления в плазме в сильных
электромагнитных полях	71

§ 5.1. Особенности нелинейных явлений	71
§ 5.2. Условия сильного воздействия электромагнитного поля на плазму	75

Г л а в а 6. Взаимодействие отдельных заряженных частиц и разреженной
плазмы со слабонеоднородными ВЧ-полями	78

§ 6.1. Усреднённые уравнения движения	78
§ 6.2. Рельефы ВЧ-потенциалов	81
§ 6.3. Ускорение и удержание отдельных заряженных частиц и плазмы	82
§ 6.4. Генерация и усиление электромагнитных волн	85
§ 6.5. Эксперименты по отражению и фокусировке электронных потоков
ВЧ-квазипотенциальными барьерами	86
§ 6.6. Эксперименты по отражению и ускорению потоков разреженной
плазмы ВЧ-квазипотенциальными барьерами	97
§ 6.7. Эксперименты по фокусировке и трёхмерному удержанию
разреженной плазмы в ВЧ-квазипотенциальных ямах	109

Г л а в а 7. Взаимодействие отдельных заряженных частиц и разреженной
плазмы со слабонеоднородными ВЧ-полями при наличии постоянного
магнитного поля	120

§ 7.1. Рельефы ВЧ-потенциала	120
§ 7.2. Эксперименты по отражению электронных потоков
квазипотенциальным ВЧ-барьером при наличии постоянного
магнитного поля	121
§ 7.3. Ускорение и отражение плазмы в системах с градиентами
электромагнитного и постоянного магнитного полей	124
§ 7.4. Накопление плазмы в системах с градиентами электромагнитного
и постоянного магнитного полей	129

Г л а в а 8. Взаимодействие сильных электромагнитных полей с плотной
плазмой	132

§ 8.1. Удержание плотной плазмы	132
§ 8.2. Ускорение сгустков плотной плазмы	133
§ 8.3. Когерентное ускорение сгустков плазмы	134
§ 8.4. Ускорение плазменного поршня	135
§ 8.5. Эксперименты по радиационному ускорению плазмы	136
§ 8.6. Эксперименты по наблюдению неустойчивости плазмы, помещённой
в сильное СВЧ-поле	140

Г л а в а 9. Аномальное поглощение электромагнитных волн и нагрев
бесстолкновительной изотропной плазмы	150

§ 9.1. Нелинейное взаимодействие электромагнитных волн с плазмой	150
§ 9.2. Параметрическая неустойчивость изотропной плазмы в ВЧ-полях	157
§ 9.3. Машинные эксперименты	174
§ 9.4. Эксперименты по взаимодействию СВЧ- и ВЧ-полей с
газоразрядной плазмой	178
§ 9.5. Эксперименты по поглощению СВЧ-волн и нагреву частиц в
волноводах	184
§ 9.6. Эксперименты по взаимодействию СВЧ-волн со слабонеоднородной
плазмой большой протяжённости	220
§ 9.7. Эксперименты по взаимодействию электромагнитных волн с
плазмой в оптическом (лазерном) диапазоне	237

Г л а в а 10. Аномальное поглощение электромагнитных волн и нагрев
бесстолкновительной магнитоактивной плазмы	245

§ 10.1. Параметрическая неустойчивость магнитоактивной плазмы в
ВЧ-полях	245
§ 10.2. Эксперименты по СВЧ-поглощению и нагреву частиц в
магнитоактивной плазме при E ∥ B_о	248
§ 10.3. Эксперименты по СВЧ-поглощению и нагреву частиц в
магнитоактивной плазме при E ⊥ B_о	262
§ 10.4. Эксперименты в ионосфере	277

Заключение	286
Список литературы	288
К части I	288
К части II	290

Книги на ту же тему

Вопросы теории плазмы. Выпуск 6, Леонтович М. А., ред., 1972
Теория многих частиц, Власов А. А., 1950
Физические процессы в плазме токамака, Мирнов С. В., 1983
Основы электродинамики плазмы: Учебник для физических специальностей университетов. — 2-е изд., перераб. и доп., Александров А. Ф., Богданкевич Л. С., Рухадзе А. А., 1988
Введение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса, Заславский Г. М., Сагдеев Р. З., 1988
Итоги науки и техники: Физика плазмы. Том 2, Шафранов В. Д., ред., 1981
Волны в магнитоактивной плазме. — 2-е изд., перераб., Гинзбург В. Л., Рухадзе А. А., 1975
Микроволновая диагностика плазмы, Хилд М., Уортон С., 1968
Основы радиоэлектроники сверхвысоких частот: Учебное пособие. — 2-е изд., стереотип., Голубева Н. С., Митрохин В. Н., 2008
Физика высокотемпературной плазмы, Саймон А., Томпсон У., 1972
Собрание трудов в двух томах (комплект из 2 книг), Соловьёв Л. С., 2001
Вопросы теории плазмы. Выпуск 9, Михайловский А. Б., ред., 1979
Вопросы теории плазмы. Выпуск 17, Кадомцев Б. Б., ред., 1989
Вопросы теории плазмы. Выпуск 8, Леонтович М. А., ред., 1974
Вопросы теории плазмы. Выпуск 7, Леонтович М. А., ред., 1973
Вопросы теории плазмы. Выпуск 18, Кадомцев Б. Б., ред., 1990
Управляемый термоядерный синтез, Киллин Д., ред., 1980
Теория волн, Виноградова М. Б., Руденко О. В., Сухоруков А. П., 1979

elapsed time 0.022 sec

/Наука и Техника/Физика

ОГЛАВЛЕНИЕ

Книги на ту же тему