Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение

Рассмотрена физическая модель прямого преобразования кинетической энергии плазменного потока при его торможении в поперечном магнитном поле в монохроматическое СВЧ-излучение. При этом СВЧ-излучение распространяется вдоль магнитных силовых линий и выполняется условие циклотронного резонанса. Рассматр...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2003
Автори:	Рыбаков, В.В., Смахтин, А.П.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2003
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Приложения и технологии
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111236
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение / В.В. Рыбаков, А.П. Смахтин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 309-312. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111236
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1112362020-11-11T16:05:55Z Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение Рыбаков, В.В. Смахтин, А.П. Приложения и технологии Рассмотрена физическая модель прямого преобразования кинетической энергии плазменного потока при его торможении в поперечном магнитном поле в монохроматическое СВЧ-излучение. При этом СВЧ-излучение распространяется вдоль магнитных силовых линий и выполняется условие циклотронного резонанса. Рассматриваемое преобразование лежит в основе рабочего процесса плазменного электромагнитного генератора (ПЭМГ). На основе анализа дисперсионного соотношения в приближении кинематики волновых процессов определены условия возникновения и тип неустойчивости в ПЭМГ. Исследованы механизмы преобразования энергии в ПЭМГ и приведены оценки эффективности процесса. 2003 Article Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение / В.В. Рыбаков, А.П. Смахтин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 309-312. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111236 533.9 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Приложения и технологии Приложения и технологии
spellingShingle	Приложения и технологии Приложения и технологии Рыбаков, В.В. Смахтин, А.П. Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение Вопросы атомной науки и техники
description	Рассмотрена физическая модель прямого преобразования кинетической энергии плазменного потока при его торможении в поперечном магнитном поле в монохроматическое СВЧ-излучение. При этом СВЧ-излучение распространяется вдоль магнитных силовых линий и выполняется условие циклотронного резонанса. Рассматриваемое преобразование лежит в основе рабочего процесса плазменного электромагнитного генератора (ПЭМГ). На основе анализа дисперсионного соотношения в приближении кинематики волновых процессов определены условия возникновения и тип неустойчивости в ПЭМГ. Исследованы механизмы преобразования энергии в ПЭМГ и приведены оценки эффективности процесса.
format	Article
author	Рыбаков, В.В. Смахтин, А.П.
author_facet	Рыбаков, В.В. Смахтин, А.П.
author_sort	Рыбаков, В.В.
title	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение
title_short	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение
title_full	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение
title_fullStr	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение
title_full_unstemmed	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение
title_sort	прямое преобразование энергии плазменного потока в свч излучение
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2003
topic_facet	Приложения и технологии
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111236
citation_txt	Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение / В.В. Рыбаков, А.П. Смахтин // Вопросы атомной науки и техники. — 2003. — № 4. — С. 309-312. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT rybakovvv prâmoepreobrazovanieénergiiplazmennogopotokavsvčizlučenie AT smahtinap prâmoepreobrazovanieénergiiplazmennogopotokavsvčizlučenie
first_indexed	2025-07-08T01:49:53Z
last_indexed	2025-07-08T01:49:53Z
_version_	1837041602441248768
fulltext	УДК 533.9 ПРЯМОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА В СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕ В.В.Рыбаков, А.П.Смахтин Московский авиационный институт (Государственный технический университет) Россия, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.4, intdep@mai.ru Рассмотрена физическая модель прямого преобразования кинетической энергии плазменного потока при его торможении в поперечном магнитном поле в монохроматическое СВЧ-излучение. При этом СВЧ-излу- чение распространяется вдоль магнитных силовых линий и выполняется условие циклотронного резонанса. Рассматриваемое преобразование лежит в основе рабочего процесса плазменного электромагнитного гене- ратора (ПЭМГ). На основе анализа дисперсионного соотношения в приближении кинематики волновых про- цессов определены условия возникновения и тип неустойчивости в ПЭМГ. Исследованы механизмы преоб- разования энергии в ПЭМГ и приведены оценки эффективности процесса. 1. ВВЕДЕНИЕ Успехи в области генерации СВЧ-излучения в широком диапазоне частот служат хорошей основой для широкого применения энергии электромагнит- ного излучения в различных отраслях промышлен- ности и в научных исследованиях. К этой группе за- дач, в основном, относятся процессы СВЧ-разогрева и приготовления пищи, сушки древесины, интенси- фикации процесса затвердевания бетона в строи- тельстве, вулканизации резины, различных при- менений в медицине, СВЧ нагрева плазмы в уста- новках термоядерного синтеза и т.д. Для генерации СВЧ-излучения миллиметрового диапазона, который является весьма перспективным для решения упомянутых выше задач, используются различные схемы гиротронных и плазменно-пуч- ковых СВЧ-приборов, преобразующих энергию электронного пучка в СВЧ-излучение. Данное об- стоятельство накладывает определенные ограниче- ния на величину выходной мощности СВЧ-генера- тора, его эффективность и ресурс работы. Кроме того, используемые при этом мощные источники электронов требуют сверхвысоких рабочих напря- жений, что также вызывает определенные эксплуа- тационные трудности. Одним из возможных путей решения указанных выше проблем, сопровождающих генерацию элек- тромагнитного излучения коротковолновой части СВЧ-спектра, является использование прямого преобразования энергии плазменного потока в мо- нохроматическое СВЧ-излучение при торможении плазмы в поперечном магнитном поле. Фактически речь идет о создании СВЧ-прибора, основанного на известном механизме магнитогидродинамического (МГД) преобразования энергии потока проводящей жидкости в поперечном магнитном поле в электри- ческую энергию. В отличие от известных схем МГД генераторов постоянного или переменного токов, работающих со слабо электропроводящими потока- ми в режиме интенсивных соударений электронов потока рабочего тела с ионами и атомами последне- го, в рассматриваемой схеме плазменного электро- магнитного генератора (ПЭМГ) необходимо реали- зовать бесстолкновительный коллективный режим торможения плазменного потока в поперечном маг- нитном поле за счет возникающих в плазменном по- токе самосогласованных индукционных продольных и поперечных электрических полях. 2. ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЭМГ Интенсивное СВЧ излучение, генерируемое плазменным потоком при взаимодействии с по- перечным магнитным полем, было зафиксировано в экспериментах, результаты которых опубликованы в [1,2]. В работе [3] на основе анализа дисперсионных соотношений для поперечных электромагнитных колебаний, распространяющихся при выполнении условия циклотронного резонанса вдоль магнитного поля при торможении в нем плазменного потока, было найдено условие возникновения так называе- мой отрицательной СВЧ-проводимости плазменного потока или условие возбуждения СВЧ-колебаний. Однако остается не вполне ясной физическая картина протекающих в плазменном потоке явлений и прежде всего вопросы динамики плазменного по- тока в поперечном магнитном поле при излучении плазмой СВЧ-волн; механизма торможения плаз- менного потока и преобразования части его кинети- ческой энергии, т.е. в основном кинетической энер- гии тяжелых ионов в СВЧ-излучение; механизма группировки вращающихся электронов плазменного потока в магнитном поле под действием СВЧ-поля и т.д. Все эти взаимосвязанные вопросы рабочего про- цесса ПЭМГ составляют суть физической модели ПЭМГ, описанию которой посвящен данная работа. Из многочисленных теоретических и экспери- ментальных работ, посвященных проблеме взаимо- действия плазменных потоков с поперечным маг- нитным полем, следует вывод о том, что движение плазменного потока в этом случае представляет со- бой дрейф замагниченных электронов плазменного потока в скрещенных E-B-полях и движение с той же скоростью ионов поперек магнитных силовых линий, ибо они, как правило, при практически ис- пользуемых величинах индукции магнитного поля B незамагничены и как бы не подвержены его влия- нию. Электрическое поле E является поляризацион- ным и имеет сложную трехмерную топографию. mailto:intdep@mai.ru Если выбрать декартовы координаты таким об- разом, что плазменный поток направлен вдоль оси X и линии индукции однородного поперечного маг- нитного поля B направлены вдоль оси Z, то дрейф электронов обусловлен наличием поперечной со- ставляющей поля электрической индукции EY, воз- никающей вследствие поляризации плазменного по- тока. Не останавливаясь подробно на структуре по- ляризационного электрического поля E, что будет подробно проанализировано в 3 разделе работы, от- метим лишь, что оно имеет все три составляющие E = Ex + EY + EZ. Основная идея создания ПЭМГ состоит в том, что в этом СВЧ-преобразователе энергии, с одной стороны, протекают процессы, схожие с рабочими процессами в МГД-преобразователях энергии, в ко- торых при замыкании электродов магнитогидроди- намического канала на нагрузку, во внешней цепи МГД-генератора и по плазменному потоку проте- кает поперечный постоянный или переменный ток JY, взаимодействие которого с магнитным полем B порождает продольную тормозящую сила Ампера FX = [JY⋅B]. В ПЭМГ рабочий процесс должен быть организован протеканием по плазме СВЧ-токов, вза- имодействующих с поперечным магнитным полем, и вследствие этого тормозящим плазменный поток. Это так называемая плазменная аналогия. С другой стороны, несомненно, что в ПЭМГ должны быть ре- ализованы основные механизмы СВЧ-электроники, как принцип синхронизма и группировки вращаю- щихся электронов в тормозящей фазе электрическо- го поля волны. Что касается электронного СВЧ-про- тотипа ПЭМГ, то можно назвать такой преобразова- тель, как магнетрон на циклотронном резонансе. В этом случае роль катода играет отрицательный по- ляризационный заряд плазменного потока, а роль анода – положительный поляризационный заряд. 3. ВХОД ПЛАЗМЫ В ПОПЕРЕЧНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ Описание процессов входа и движения плазмы в поперечном магнитном поле необходимо проводить в рамках двужидкостной модели, с учетом того, что в большинстве рассматриваемых задач электроны замагничены, и их движение естественно описывать дрейфовым приближением, в то время как ионы не- замагничены и влиянием поперечного магнитного поля на их движение в первом приближении можно пренебречь. Как показывают результаты многочис- ленных теоретических и экспериментальных иссле- дований, движение плазменного потока поперек магнитного поля происходит практически с посто- янной скоростью, равной скорости плазменного по- тока до взаимодействия с магнитным полем. Этот вывод вытекает из анализа баланса энергии при дви- жении плазмы поперек магнитного поля [ 4 ]. Рассмотрим следующую расчетную схему дви- жения плазмы поперек магнитного: движение плаз- мы происходит вдоль оси X, поперечное магнитное поле направлено вдоль оси Z, т.е. B = Bz. При взаимодействии замагниченных электронов с поперечным магнитным поле на входе в него за время порядка периода циклотронного вращения электроны преобразуют свою поступательную ско- рость во вращательную, тем самым как бы останав- ливаясь в направлении оси X. При этом тяжелые не- замагниченные ионы продолжают свое движение вдоль оси X, опережая электроны плазменного пото- ка. Это ведет к возникновению продольной поляри- зации плазменного потока с образованием продоль- ного электрического поля Ex, направленного против движения потока. Возникшая продольная поляриза- ция вместе с поперечным магнитным полем создает электрический дрейф электронов плазменного пото- ка в положительном направлении оси Y со скоро- стью Vy = Ex/Bz, в результате чего создается поляри- зация плазменного потока в направлении оси Y и со- ответствующее электрическое поле Ey > 0. Сов- местное действие электрического поляризационного поля Ey и магнитного поля Bz вызывает дрейф элек- тронов в положительном направлении оси X со ско- ростью Vx = Ey/Bz, что, собственно говоря, и позво- ляет электронам плазмы и всей плазме в целом про- должать двигаться с постоянной скоростью в направлении оси X поперек магнитного поля. Напряженность электрического поля поляризации Ex < 0 в процессе входа плазмы в поперечное маг- нитное поле возрастает по модулю, что приводит к возникновению поляризационного дрейфа электро- нов в положительном направлении оси X. Возраста- ющее во времени электрическое поле Ey вызывает ускорение электронов вдоль оси X. Вследствие это- го электроны догоняют ушедшие вперед по потоку ионы. В ходе этого процесса происходит уменьше- ние по абсолютной величине поля продольной поля- ризации плазменного потока Ex. Расчеты показыва- ют, что в момент, когда электроны догоняют ионы, электрическое поле продольной поляризации Ex = 0 и поступательная скорость электронов Vx в 2 раза превышает скорость ионов. В результате электроны начинают опережать ионы, создавая электрическое поле продольной поляризации Ex > 0, т. е. направ- ленной по потоку. При этом направление электриче- ского дрейфа электронов в направлении оси Y меня- ется на противоположное, и происходит снижение электрического поля поперечной поляризации плаз- менного потока Ey. Как следствие, происходит уменьшение продольной скорости движения элек- тронов Vx = Ey/Bz, и их начинают догонять ионы. В момент, когда ионы догонят тормозимые электроны, поступательная скорость последних Vx=0. Далее описанный динамический процесс электронов и ионов плазменного потока повторяется, имея коле- бательный характер. Характерная круговая частота равна [5]: ω2 = ωoi 2[1 + ωoe 2/ωвe 2] , где ωoi – ионная плазменная частота; ωoe – электрон- ная плазменная частота; ωвe – электронная цикло- тронная частота. 4. МЕХАНИЗМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА В СВЧ ИЗЛУЧЕНИЕ Как видно из предыдущего раздела, движение плазменного потока поперек магнитного поля происходит с практически постоянной скоростью в режиме дрейфового течения. Процесс дрейфа плаз- мы в данном случае представляет собой комплекс- ный процесс, состоящий из электрического, поляри- зационного и инерционного дрейфов, которые обу- словлены взаимосвязанными электрическими поля- ми продольной и поперечной поляризации плазмен- ного потока в поперечном магнитном поле. Ско- рость плазменного потока в поперечном магнитном поле сохраняет свое постоянное значение все то вре- мя, пока отсутствует какое-либо внешнее воздей- ствие на плазменный поток. Однако скорость плаз- мы может быть увеличена, если величина напряжен- ности электрического поля поперечной поляризации потока увеличена в результате подвода электриче- ской энергии к плазменному потоку от внешнего ис- точника электрической энергии. Ситуация карди- нально меняется, если подвод энергии от внешнего источника заменить отводом энергии от плазменно- го потока, как это наблюдается в случае МГДГ. В этом случае общая разность потенциалов в попереч- ном направлении относительно плазменного потока замыкается на внешнюю нагрузку, и скорость плаз- менного потока снижается, а энергия плазмы преоб- разуется в электрическую энергию. Этот процесс может быть осуществлен или в режиме постоянного тока, или в режиме переменного тока. Очевидно, что этот процесс преобразования энергии плазменного потока может быть реализован также и в режиме протекания по плазменному потоку СВЧ-токов с це- лью получения СВЧ-излучения при соблюдении со- ответствующих условий. Как показано в работе [3], условием возникнове- ния отрицательной СВЧ-проводимости плазменного потока в поперечном магнитном поле, позволяющем генерировать СВЧ-энергию, является достаточно интенсивное уменьшение скорости плазменного по- тока. Более детальное исследование типа возникаю- щей неустойчивости было проведено авторами дан- ной работы с использованием метода Стэррока на основе анализа кинематики волновых пакетов в плазме [5]. Анализ типа неустойчивости для поперечных электромагнитных волн, распространяющихся вдоль магнитного поля в ПЭМГ, показал, что возникаю- щая неустойчивость носит конвективный характер при выполнении условия ∂Vx/∂x + νei < 0 ( νei - ча- стота электрон-ион соударений ). Анализ диспер- сионного соотношения был проведен по методике кинематики волновых пакетов Стэррока. Условие ∂ Vx/∂x + νei < 0 означает, что темп торможения плаз- менного потока, определяемый параметром ∂Vx/∂x и определяющий темп преобразования энергии пото- ка, должен быть больше по абсолютной величине уровня диссипативных потерь, определяемых пара- метром νei. При этом СВЧ проводимость плазменного пото- ка отрицательна, что позволяет генерировать СВЧ- излучение. Однако вопрос об эффективности ПЭМГ не может быть решен в рамках линейной модели, основанной на дисперсионном соотношении. Проблема эффективности требует более детального изучения. Сначала необходимо рассмотреть пробле- му группировки электронов. Как известно, при цик- лотронном резонансе электроны группируются под действием различных физических механизмов. 1. На первой стадии группировки одна часть электронов плазменного потока замедляется и дви- гается из замедляющей фазы СВЧ-поля в ускоряю- щую фазу. В результате замедленные электроны со- единяются с ускоряющимися электронами, образуя электронный сгусток. Этот процесс интенсифициру- ется под действием тех электронов, которые меняют свою фазу под действием нормальной компоненты электрической напряженности СВЧ поля. 2. На второй стадии электронный сгусток двига- ется из ускоряющей фазы в замедляющую под дей- ствием релятивистского эффекта. Этот эффект ис- пользуется во всех СВЧ-генераторах на циклотрон- ном резонансе. Очевидно, что эффективность ПЭМГ как СВЧ-преобразователя является функцией степе- ни группировки электронов, которая, в свою оче- редь, является функцией СВЧ электрического поля. Корректное решение данной задачи затруднительно в силу нелинейности задачи. Тормозящиеся электроны плазменного потока образуют ток намагничивания, который взаимодей- ствует с поперечным магнитным полем и, как ре- зультат, тормозятся. По этой причине ионы плаз- менного потока опережают электроны и образуют продольную поляризацию плазменного потока. Это продольное электрическое поле обеспечивает преоб- разование кинетической энергии ионов в энергию вращения электронов и, как следствие, подпитывает энергией излучение электронов. Таким образом, ки- нетическая энергия плазменного потока преобразу- ется в СВЧ-излучение. Результаты, полученные в итоге анализа пере- численных выше задач, положены в основу оценок возможных рабочих параметров технических устройств, создаваемых на основе прямого преоб- разования энергии плазменного потока в СВЧ-излу- чение и прежде всего оценки возможной эффектив- ности преобразования энергии в ПЭМГ. В первом приближении эффективность преобразования энер- гии можно оценить величиной 40…50%. ЛИТЕРАТУРА 1. И.Ю. Адамов, В.М. Залкинд, В.Г. Зыков, И.А. Степаненко. Микроволновое излучение плазмы при взаимодействии сталкивающихся плазменных потоков в поперечном магнитном поле // Физика плазмы и проблемы управляемого термоядерного синтеза. Киев: Наукова Думка, 1971. Вып. 1, с.187- 193. 2. К.Б. Карташев, В.И. Пистунович, В.В. Платонов, В.Д. Рютов, Е.А. Филимонова.. Обнаружение бы- стрых электронов при инжекции плазменного сгустка в поперечное магнитное // Письма в ЖЭТФ, 1972. Т. 15, вып. 1, с. 7-9. 3. A.A. Temeev. Negative Conductance Becoming Ex- cited in Magnetized Plasma at Heavy Gradient of Di- rected Electron Velocity // Proc. XXIII ICPIG. 1997. V.5, p.84-85. 4. И.И. Демиденко, И.С. Ломино и др. Плазменный переходной слой в неоднородном поперечном маг- нитном поле // ЖТФ. 1969. Т.39, вып. 1, с. 27-36. 5. В.В. Рыбаков, А.П. Смахтин. Динамика переход- ного слоя при взаимодействии плазменного потока с поперечным магнитным полем // Тезисы докладов XXVII Звенигородской конференции по физике плаз- мы и УТС, 2000, с. 219. 6. А.А. Балмашнов, К.С. Голованивский. К цикло- тронному нагреву электронов плазмы // ЖТФ, 1975, Т. XLV, вып. 4, с. 766-775. 7. А.А. Балмашнов. Циклотронный резонанс // Учеб- ное пособие УДН. М. 1985, 15 стр.

Прямое преобразование энергии плазменного потока в СВЧ излучение

Репозитарії

Схожі ресурси