Модуляционная неустойчивость и формирование солитонов при взаимодействии электромагнитной волны с потоком невозбужденных неизохронных электронов–осцилляторов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В работе развивается теория модуляционной неустойчивости (МН) при взаимодействии электромагнитной волны со встречным потоком невозбужденных электронов-осцилляторов в условиях циклотронного резонанса. Цель настоящего исследования состоит в установлении картины возможных режимов распространения волны в такой системе. Методы. Теоретический анализ проводится на основе нелинейного уравнения Шрёдингера, которое позволяет установить условия возникновения МН и получить простое аналитическое выражение для границы перехода МН от абсолютной к конвективной на плоскости параметров частота – амплитуда волны. Теоретические выводы о возможных режимах распространения волны верифицируются прямым 3-D моделированием электронно-волнового взаимодействия методом «частиц в ячейке» (particle-in-cell, PIC). Результаты. Показано, что выше границы полосы циклотронного поглощения имеют место нестационарные режимы автомодуляции, связанные с развитием МН абсолютного характера, которые могут приводить к формированию последовательностей солитоноподобных импульсов. При повышении частоты входного сигнала автомодуляция сменяется стационарным одночастотным прохождением сигнала, что обусловлено сменой характера МН с абсолютного на конвективный. Результаты прямого 3-D PIC моделирования согласуются с выводами, полученными на основе анализа системы усредненных уравнений. При увеличении частоты входного сигнала наблюдается одна и та же последовательность переходов между различными динамическими режимами. Заключение. Проведённое 3-D PIC моделирование позволило исследовать ситуацию, близкую к условиям возможного эксперимента. Продемонстрирована возможность преобразования сигнала с частотой 241.3 ГГц в последовательность наносекундных импульсов, которая близка к периодической. Такой эффект представляет интерес для генерации частотных гребёнок в микроволновом диапазоне.  

Об авторах

Наум Самуилович Гинзбург

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

ORCID iD: 0000-0001-7729-1035
SPIN-код: 9068-8220
Scopus Author ID: 35482026700
ResearcherId: A-8231-2014
603950, г. Нижний Новгород. ГСП - 120, ул. Ульянова, 46

Владислав Юрьевич Заславский

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

ORCID iD: 0000-0003-2417-645X
Scopus Author ID: 8324908700
ResearcherId: F-9504-2017
603950, г. Нижний Новгород. ГСП - 120, ул. Ульянова, 46

Ирина Валерьевна Зотова

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

ORCID iD: 0000-0003-0350-2615
SPIN-код: 7248-2454
Scopus Author ID: 7004728013
ResearcherId: A-8169-2014
603950, г. Нижний Новгород. ГСП - 120, ул. Ульянова, 46

Алёна Александровна Ростунцова

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ); Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН); Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)

ORCID iD: 0000-0002-6795-2108
SPIN-код: 2544-8724
Scopus Author ID: 57204902473
ResearcherId: AAA-4540-2022
410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Никита Михайлович Рыскин

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ); Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)

ORCID iD: 0000-0001-8501-6658
SPIN-код: 6789-9002
Scopus Author ID: 7003373306
ResearcherId: K-2549-2012
410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Александр Сергеевич Сергеев

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

603950, г. Нижний Новгород. ГСП - 120, ул. Ульянова, 46

Лев Александрович Юровский

Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН)

ORCID iD: 0000-0002-9522-6242
SPIN-код: 9610-3300
Scopus Author ID: 57205021030
ResearcherId: AAG-3357-2021
603950, г. Нижний Новгород. ГСП - 120, ул. Ульянова, 46

Список литературы

  1. Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Сергеев А. С., Кочаровская Е. Р., Яландин М. И., Шунайлов С. А., Шарыпов К. А., Рыскин Н. М. Эффекты усиления, компрессии и самоиндуцированной прозрачности при распространении ультракоротких электромагнитных импульсов вдоль квазистационарных электронных потоков // Изв. вузов. Радиофизика. 2011. Т. 54, № 8-9. С. 599-606.
  2. Ginzburg N. S., Zotova I. V., Cross A. W., Phelps A. D.,R, Yalandin M. I., Rostov V. V. Generation, amplification, and nonlinear self-compression of powerful superradiance pulses // IEEE Trans. Plasma Sci. 2013. Vol. 41, no. 4. P. 646-660 doi: 10.1109/TPS.2013.2252369.
  3. McCall S. L., Hahn E. L. Self-induced transparency by pulsed coherent light // Phys. Rev. Lett. 1967. Vol. 18, no. 21. P. 908-911 doi: 10.1103/PhysRevLett.18.908.
  4. Рыскин Н. М., Трубецков Д. И. Нелинейные волны. М.: URSS, 2021. 312 с.
  5. Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Сергеев А. С. Самоиндуцированная прозрачность, компрессия и остановка электромагнитных импульсов при взаимодействии с пучками невозбужденных классических осцилляторов // ЖЭТФ. 2011. Т. 140, № 5(11). С. 890-899.
  6. Зотова И. В., Гинзбург Н. С., Железнов И. В., Сергеев А. С. Модуляция интенсивного СВЧ излучения при резонансном взаимодействии со встречным потоком невозбужденных циклотронных осцилляторов // Письма в ЖТФ. 2014. Т. 40, № 12. С. 1-10.
  7. Zotova I. V., Ginzburg N. S., Sergeev A. S., Kocharovskaya E. R., Zaslavsky V.,Y u. Conversion of an electromagnetic wave into a periodic train of solitons under cyclotron resonance interaction with a backward beam of unexcited electron-oscillators // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, no. 14. P. 143901 doi: 10.1103/PhysRevLett.113.143901.
  8. Гинзбург Н. С., Зотова И. В., Кочаровская Е. Р., Сергеев А. С., Железнов И. В., Заславский В. Ю. Солитоны самоиндуцированной прозрачности и диссипативные солитоны в системах микроволновой электроники // Изв. вузов. Радиофизика. 2020. Т. 63, № 9-10. С. 796-824.
  9. Гапонов А. В., Петелин М. И., Юлпатов В. К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике // Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10, № 9-10. С. 1414-1453.
  10. Benirschke D. J., Han N., Burghoff D. Frequency comb ptychoscopy // Nat. Commun. 2021. Vol. 12, no. 1. P. 4244 doi: 10.1038/s41467-021-24471-4.
  11. Hagmann M. J. Scanning frequency comb microscopy—A new method in scanning probe microscopy // AIP Advances. 2018. Vol. 8, no. 12. P. 125203 doi: 10.1063/1.5047440.
  12. Rostuntsova A. A., Ryskin N. M., Zotova I. V., Ginzburg N. S. Modulation instability of an electro-magnetic wave interacting with a counterpropagating electron beam under condition of cyclotron resonance absorption // Phys. Rev. E. 2022. Vol. 106, no. 1. P. 014214. 10.1103/PhysRevE.106.01421410.1103/PhysRevE.106.014214.
  13. Ростунцова А. А., Рыскин Н. М. Исследование характера модуляционной неустойчивости при циклотронном резонансном взаимодействии излучения со встречным прямолинейным пучком электронов // Известия вузов. ПНД. 2023. Т. 31, № 5. С. 597-609 doi: 10.18500/0869-6632-003067.
  14. Benjamin T. B. Instability of periodic wavetrains in nonlinear dispersive systems // Proc. R. Soc. Lond. A. 1967. Vol. 299, no. 1456. P. 59-76 doi: 10.1098/rspa.1967.0123.
  15. Островский Л. А., Потапов А. И. Введение в теорию модулированных волн. М.: Физматлит, 2003. 400 с. 1.03.
  16. Zakharov V. E., Ostrovsky L. A. Modulation instability: The beginning // Physica D. 2009. Vol. 238, no. 5. P. 540-548 doi: 10.1016/j.physd.2008.12.002.
  17. CST Studio Suite Electromagnetic Field Simulation Software , Dassault Systèmes, Vélizy Villa-coublay, France, 2020. [Electronic resource] // Available from: https://www.3ds.com/products/simulia/cst-studio-suite.
  18. Nusinovich G. S., Korol M., Jerby E. Theory of the anomalous Doppler cyclotron-resonance maser amplifier with tapered parameters // Phys. Rev. E. 1999. Vol. 59, no. 2. P. 2311-2321 doi: 10.1103/PhysRevE.59.2311.
  19. Балякин А. А., Рыскин Н. М. Смена характера модуляционной неустойчивости вблизи критической частоты // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 5. С. 6-13.
  20. Balyakin A. A., Ryskin N. M. Modulation instability in a nonlinear dispersive medium near cut-off frequency // Nonlinear Phenomena in Complex Systems. 2004. Vol. 7, no. 1. P. 34-42.
  21. Захаров В. Е., Кузнецов Е. А. Оптические солитоны и квазисолитоны // ЖЭТФ. 1998. Т. 113, № 5. С. 1892-1914.
  22. Глявин М. Ю., Денисов Г. Г., Запевалов В. Е., Куфтин А. Н., Лучинин А. Г., Мануилов В. Н., Морозкин М. В., Седов А. С., Чирков А. В. Терагерцевые гиротроны: состояние и перспективы // Радиотехника и электроника. 2014. Т. 59, № 8. С. 745-751 doi: 10.7868/S0033849414080075.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».