Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field

This report is devoted to the investigation of dispersion properties and spatial attenuation coefficient of the dipolar
 high-frequency electromagnetic wave that propagates along the coaxial magnetized waveguide structure with nonuniform
 azimuthal magnetic field, partially filled by...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вопросы атомной науки и техники
Datum:2009
Hauptverfasser: Azarenkov, N.A., Olefir, V.P., Sporov, A.E.
Format: Artikel
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2009
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88229
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field / N.A. Azarenkov, V.P. Olefir, A.E. Sporov // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 77-79. — Бібліогр.: 7 назв. — англ.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860245199514501120
author Azarenkov, N.A.
Olefir, V.P.
Sporov, A.E.
author_facet Azarenkov, N.A.
Olefir, V.P.
Sporov, A.E.
citation_txt Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field / N.A. Azarenkov, V.P. Olefir, A.E. Sporov // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 77-79. — Бібліогр.: 7 назв. — англ.
collection DSpace DC
container_title Вопросы атомной науки и техники
description This report is devoted to the investigation of dispersion properties and spatial attenuation coefficient of the dipolar
 high-frequency electromagnetic wave that propagates along the coaxial magnetized waveguide structure with nonuniform
 azimuthal magnetic field, partially filled by uniform collisional plasma. The influence of effective collision
 frequency and the value of the direct current on the phase characteristics and the spatial attenuation coefficient of the
 considered wave is studied. It was shown that it is possible to control effectively the dispersion properties and the
 spatial attenuation of the considered wave by varying the value of the direct current. Розглянуто дисперсійні властивості та коефіцієнт просторового загасання дипольної високочастотної хвилі,
 що поширюється в коаксіальній магнітоактивній хвилеводній структурі з радіально неоднорідним
 азимутальним магнітним полем, яка частково заповнена радіально однорідною плазмою з зіткненнями.
 Досліджено вплив ефективної частоти зіткнень електронів та величини зовнішнього аксіального постійного
 струму на фазові характеристики та коефіцієнт просторового загасання дипольної хвилі. Показана можливість
 ефективного керування фазовими характеристиками та просторовим загасанням дипольної хвилі за допомогою
 зовнішнього постійного струму. Исследуются дисперсионные свойства и коэффициент пространственного затухания дипольной
 высокочастотной электромагнитной волны, распространяющейся в коаксиальной магнитоактивной
 волноводной структуре с радиально неоднородным азимутальным магнитным полем, частично заполненной
 радиально однородной столкновительной плазмой. Изучено влияние эффективной частоты столкновений
 электронов и величины внешнего аксиального постоянного тока на фазовые характеристики и коэффициент
 пространственного затухания дипольной волны. Показана возможность эффективного управления фазовыми
 характеристиками и коэффициентом пространственного затухания дипольной волны с помощью внешнего
 постоянного тока.
first_indexed 2025-12-07T18:35:49Z
format Article
fulltext DIPOLAR ELECTROMAGNETIC WAVES IN COAXIAL STRUCTURE FILLED BY DISSIPATIVE PLASMA WITH AZIMUTH MAGNETIC FIELD N.A. Azarenkov, V.P. Olefir, A.E. Sporov V.N. Karazin Kharkov National University, Institute of High Technologies, Department of Physics and Technology, Kharkov, Ukraine, E-mail: vpolefir@gmail.com This report is devoted to the investigation of dispersion properties and spatial attenuation coefficient of the dipolar high-frequency electromagnetic wave that propagates along the coaxial magnetized waveguide structure with non- uniform azimuthal magnetic field, partially filled by uniform collisional plasma. The influence of effective collision frequency and the value of the direct current on the phase characteristics and the spatial attenuation coefficient of the considered wave is studied. It was shown that it is possible to control effectively the dispersion properties and the spatial attenuation of the considered wave by varying the value of the direct current. PACS: 52.35g, 52.50.Dg 1. INTRODUCTION Electrodynamic properties of coaxial plasma-metal structures are the subject of intensive theoretical and experimental studies at present time. Such structures are widely used as the waveguide structures in the devices of plasma electronics [1] and also as the discharge chambers for gas discharge sustaining [2, 3]. The realized experimental study of the coaxial waveguide structures with a central metallic rod have shown that properties of electromagnetic waves and gas discharge plasma maintained by these waves, differ considerably from the corresponding properties of cylindrical plasma – metal waveguide structures without the central conductor [1, 4]. It is necessary to note that in spite of good plasma parameters obtained in experimental devices with coaxial structures, theoretical study of eigen waves properties of coaxial waveguide structures and efficiency of such structure usage in various applications is insufficient. This especially relates to the theoretical study of propagation and spatial attenuation of the electromagnetic eigen waves with complex azimuthal wave field structure that propagate along the coaxial structure with central metallic conductor partially filled by dissipative plasma. These circumstances greatly determine the urgency of presented work. 2. PROBLEM FORMULATION Let’s consider a high–frequency electromagnetic wave with azimuthal wavenumber 1=m that propagates in cylindrical the coaxial magnetized waveguide structure, partially filled by dissipative plasma. The waveguide structure consists of the metallic rod of radius 1R , which is placed at the axis of plasma column. The direct current zJ flows along this rod, creating radially non–uniform azimuthal magnetic field )(0 rH . This rod is surrounded by the cylindrical plasma layer of radius 2R . The vacuum region ( 32 RrR << ) separates the cylindrical plasma layer from waveguide metallic wall with radius 3R . It was assumed, that plasma density is radially uniform (averaged over the plasma column cross-section) and varies slightly along the plasma column. Such approach is widely used for theoretical description of a gas discharge sustained by the travelling surface waves [5, 6]. Plasma was considered in the hydrodynamic approach as a cold dissipative medium. The collisions were characterized by the effective electron collisional frequency ν that is constant in the whole volume of the cylindrical plasma layer and is supposed to be small ( 1/ <ων , where ω is wave frequency). The permittivity tensor of magnetized plasma ε can be written in the form [7]:           − = 12 3 21 0 00 0 εε ε εε i i ε , (1) where )]()[( 1 22 2 1 rc p ωωω ωω ε −′ ′ −= , )]()[( )( 22 2 2 r r c pc ωωω ωω ε −′ = , ωω ω ε ′ −= 2 3 1 p , νωω i+=′ , pω and )(rcω are electron plasma and cyclotron frequencies, respectively. Propagation of electromagnetic wave in the waveguide structure is governed by the system of Maxwell’s equations. In the case considered the solution of the system of Maxwell’s equation in cylindrical coordinate system ( r , ϕ , z ) (let assume that z – axis is directed along the axis of waveguide structure) can be found in the form: ( )][exp)(),(, 3 tmzkirHrEHE ωϕ −+= , (2) where 3k is the complex axial wavevector, real part of it determines the wavenumber and imaginary part determines the wave spatial attenuation coefficient. Taking into account (2) from the system of Maxwell’s equations one can find, that in the region of cylindrical plasma layer the ordinary differential equations that govern the dipolar wave components can be written in the following form:            +−= −−−= −++−= +−+−= z z zz z zz zz ECEC dr dH HCEkHC dr dE HCECHCEC dr dH HCECHC r E dr dE 718 7 1 2 36 25411 321 ε ε ε ε ϕ ϕ ϕϕ ϕ ϕ ϕϕ , (3) PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2009. № 1. 77 Series: Plasma Physics (15), p. 77-79. where 1 3 1 εk k r miC = , 1 2 2 ε ε r mC = ,     −= 1 2 2 3 1 εkr mkiC , r kC 1 1 2 34 −= ε ε ,     −+= 1 2 1 2 22 2 2 5 ε εεk r m k iC , 1 3 7 εk k r miC = , ( )1 22 3 1 6 ε ε kk k iC −= , ( )3 22 38 εkk k iC −= and ck /ω= is the vacuum wavenumber. In the case considered this system for arbitrary external parameters can be solved only with the help of numerical methods. In the cylindrical vacuum region the system of Maxwell equations possesses the analytical solutions expressed in the terms of modified Bessel functions. These solutions contains the wave field constants, that can be obtained with the help of boundary conditions consisting in continuity of the tangential wave field components at the plasma – vacuum interface. From such conditions these constants can be written in the form:        ++−= −−= −+= +−−= )()()( )()()( )()()( )()()( 2 4 2 6 2 5 4 2 1 2 3 2 2 3 2 6 2 5 2 4 2 2 3 2 2 2 1 1 RHAREAREAA RHAREAREiAA RHARHAREAA RHARHAREAA p z pp z p z pp z pp z p z pp z p z ϕ ϕ ϕ ϕ , (4) where )( 2 ' 2 1 RKRA vmv κκ= , k RKmkiA vm )( 232 κ= , k RKRiA vmv )( 22 2 3 κκ= , k RImkiA vm )( 235 κ= , )( 2 ' 2 4 RIRA vmv κκ= , k RIRiA vmv )( 22 2 6 κκ= , 22 3 2 kkv −=κ , prime denotes the derivative with respect to argument and )( 2RE p z , )( 2RH p z , )( 2RE p ϕ , )( 2RH p ϕ are the wave fields at the plasma – vacuum interface, obtained by the numerical integration of the system of ordinary differential equations (3). The boundary conditions for )(rEz and )(rEϕ wave field components at the waveguide metallic wall 3Rr = gives the dispersion equation that can be written in the following form:    =+ =+ 0)()( 0)()( 3 ' 43 ' 3 3231 RKARIA RKARIA vmvm vmvm κκ κκ , (5) 3. RESULTS AND DISCUSSION It is necessary to mention that, in the case when the external current flows along the propagation direction of the wave considered the dispersion equation (5) possesses two solutions with different frequency values for the fixed value of the dimensionless wavenumber 13)Re( Rk . One of them with comparatively higher frequency will be called further high frequency (HF) wave, and other – low frequency (LF) wave. Properties of these waves are substantially determined by the direct current value. The influence of the direct current value on the LF and HF dispersion properties is shown on the Fig. 1. The dimensionless parameters pωωµ /= and 13)Re( Rkx = were used to represent the obtained results. The increase of the direct current value leads to the decrease of the HF wave frequency and to the increase of the LF wave frequency. So, for rather high dimensionless direct current value ( 5.1)2/( 3 >= mceJj z ) the frequencies of HF and LF waves for rather high 13)Re( Rk values are close. In the limiting case, when the azimuthal magnetic field )(0 rH trends to zero the LF wave vanishes. Fig. 1. The dependence of the wave frequency µ on the wavenumber x for the LF and HF waves. Numbers on the curve corresponds to different j values: 1 – 1.0=j , 2 – 3.0=j , 3 – 5.0=j , 4 – 0.1=j , 5 – 5.1=j . Other parameters are equal: 0.4/1 =cR pω , 0.5/2 =cR pω , 0.6/3 =cR pω , 001.0/ =ων The influence of the effective electron collisional frequency ν on the LF and HF spatial attenuation is shown on the Fig. 2. The dimensionless parameter 13)Im( Rk=α was used to represent the obtained results. It was obtained that the increase of j value leads to the increase of attenuation coefficient α of HF wave and to the decrease of attenuation coefficient of LF wave. For rather low direct current values ( 1.0<j ) the LF wave strongly damps and therefore cannot propagate. It is necessary to mention that the attenuation coefficient α for the HF and LW waves has different behaviour in the areas of rather high and rather low wavenumbers 13)Re( Rk . When 13)Re( Rk is rather low ( 3.0)Re( 13 <Rk for HF wave and 5.0)Re( 13 <Rk for LF wave) the attenuation coefficient decrease with the increase of 13)Re( Rk . In the next region the attenuation coefficient increases with the increase of 13)Re( Rk value. Such complicated behaviour may be very important for the determination of the frequency range, where the considered wave can maintain the stable discharge [6]. The influence of the effective collisional frequency value on the dispersion and attenuation properties of the HF and LW waves was also studied. Dispersion of the HF and LF waves depends on ων / parameter rather weakly. The increase of ων / value leads to the increase of the 78 attenuation coefficient α for the HF and LF waves. It is necessary to note that the value of the attenuation coefficient of the LF wave for the small ων / values ( 001.0/ <ων ) is approximately of one order greater than the value of attenuation coefficient of the HF wave. For rather high ων / values ( 01.0/ ≈ων ) the attenuation coefficients for the LF and HF waves are of one order. It was obtained that the HF and LF waves in the region of moderate ( ) 13Re Rk values ( ( ) 4Re5.0 13 << Rk ) have rather small attenuation coefficient value. In other region the value of the attenuation coefficient for both waves are rather large. Fig. 2. The dependence of the attenuation coefficient α on the wavenumber x for the LF and HF waves. Problem parameters are the same as for the Fig. 1 4. CONCLUSIONS It was studied the influence of the effective collision frequency and the value of the direct current on the phase characteristics and the attenuation coefficient of the electromagnetic dipolar wave that propagates along the coaxial waveguide structure. It was shown that it is possible to control effectively the dispersion properties and the spatial attenuation of the dipolar wave by varying the value of the direct current. The influence of the dimensionless collision frequency on the dispersion and attenuation properties of the HF and LF waves was study as well. It was shown that the LF dipolar wave attenuates more effectively than the HF wave. REFERENCES 1.P.I. Markov, I.N. Onishchenko, G.V. Sotnikov // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Plasma Physics” (8). 2002, v. 5, p. 86. 2.A. Schulz, M. Walter, J. Feichtinger, E. Räuchle and U. Schumacher // International Workshop on Microwave Discharges: Fundamentals and Applications, Greifswald, Germany, 2003, p. 231. 3.O. Leroy, P. Leprince, C. Boisse-Laporte // International Workshop on Microwave Discharges: Fundamentals and Applications, Zvenigorod, Russia. 2006, p.137. 4.A.N. Kondratenko, V.M.Kuklin. Osnovy Plasmennoy Elektroniki. Moscow: “Energoatomizdat”, 1988. 5.I. Zhelyazkov, V. Atanassov // Physics Reports. 1995, v. 255, p. 79. 6.Z. Zakrzewski // Journal of Physics D: Applied Physics. 1983, v. 16, p. 171. 7.V.P. Olefir, A.E. Sporov // Problems of Atomic Science and Technology. Series “Plasma Phisics” (13) 2007, N1, p. 69. Article received 22.09.08 Revised version 1.10.08 ДИПОЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В КОАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ, ЗАПОЛНЕННОЙ ДИССИПАТИВНОЙ ПЛАЗМОЙ С АЗИМУТАЛЬНЫМ МАГНИТЫМ ПОЛЕМ Н.А. Азаренков, В.П. Олефир, А.Е. Споров Исследуются дисперсионные свойства и коэффициент пространственного затухания дипольной высокочастотной электромагнитной волны, распространяющейся в коаксиальной магнитоактивной волноводной структуре с радиально неоднородным азимутальным магнитным полем, частично заполненной радиально однородной столкновительной плазмой. Изучено влияние эффективной частоты столкновений электронов и величины внешнего аксиального постоянного тока на фазовые характеристики и коэффициент пространственного затухания дипольной волны. Показана возможность эффективного управления фазовыми характеристиками и коэффициентом пространственного затухания дипольной волны с помощью внешнего постоянного тока. ДИПОЛЬНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ В КОАКСІАЛЬНІЙ СТРУКТУРІ, ЩО ЗАПОВНЕНА ДИСИПАТИВНОЮ ПЛАЗМОЮ З АЗИМУТАЛЬНИМ МАГНІТНИМ ПОЛЕМ М.О. Азарєнков, В.П. Олефір, О.Є. Споров Розглянуто дисперсійні властивості та коефіцієнт просторового загасання дипольної високочастотної хвилі, що поширюється в коаксіальній магнітоактивній хвилеводній структурі з радіально неоднорідним азимутальним магнітним полем, яка частково заповнена радіально однорідною плазмою з зіткненнями. Досліджено вплив ефективної частоти зіткнень електронів та величини зовнішнього аксіального постійного струму на фазові характеристики та коефіцієнт просторового загасання дипольної хвилі. Показана можливість ефективного керування фазовими характеристиками та просторовим загасанням дипольної хвилі за допомогою зовнішнього постійного струму. 79 REFERENCES
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-88229
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1562-6016
language English
last_indexed 2025-12-07T18:35:49Z
publishDate 2009
publisher Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
record_format dspace
spelling Azarenkov, N.A.
Olefir, V.P.
Sporov, A.E.
2015-11-10T21:06:57Z
2015-11-10T21:06:57Z
2009
Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field / N.A. Azarenkov, V.P. Olefir, A.E. Sporov // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 1. — С. 77-79. — Бібліогр.: 7 назв. — англ.
1562-6016
PACS: 52.35g, 52.50.Dg
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88229
This report is devoted to the investigation of dispersion properties and spatial attenuation coefficient of the dipolar&#xd; high-frequency electromagnetic wave that propagates along the coaxial magnetized waveguide structure with nonuniform&#xd; azimuthal magnetic field, partially filled by uniform collisional plasma. The influence of effective collision&#xd; frequency and the value of the direct current on the phase characteristics and the spatial attenuation coefficient of the&#xd; considered wave is studied. It was shown that it is possible to control effectively the dispersion properties and the&#xd; spatial attenuation of the considered wave by varying the value of the direct current.
Розглянуто дисперсійні властивості та коефіцієнт просторового загасання дипольної високочастотної хвилі,&#xd; що поширюється в коаксіальній магнітоактивній хвилеводній структурі з радіально неоднорідним&#xd; азимутальним магнітним полем, яка частково заповнена радіально однорідною плазмою з зіткненнями.&#xd; Досліджено вплив ефективної частоти зіткнень електронів та величини зовнішнього аксіального постійного&#xd; струму на фазові характеристики та коефіцієнт просторового загасання дипольної хвилі. Показана можливість&#xd; ефективного керування фазовими характеристиками та просторовим загасанням дипольної хвилі за допомогою&#xd; зовнішнього постійного струму.
Исследуются дисперсионные свойства и коэффициент пространственного затухания дипольной&#xd; высокочастотной электромагнитной волны, распространяющейся в коаксиальной магнитоактивной&#xd; волноводной структуре с радиально неоднородным азимутальным магнитным полем, частично заполненной&#xd; радиально однородной столкновительной плазмой. Изучено влияние эффективной частоты столкновений&#xd; электронов и величины внешнего аксиального постоянного тока на фазовые характеристики и коэффициент&#xd; пространственного затухания дипольной волны. Показана возможность эффективного управления фазовыми&#xd; характеристиками и коэффициентом пространственного затухания дипольной волны с помощью внешнего&#xd; постоянного тока.
en
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
Вопросы атомной науки и техники
Фундаментальная физика плазмы
Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
Дипольні електромагнітні хвилі в коаксіальній структурі, що заповнена дисипативною плазмою з азимутальним магнітним полем
Дипольные электромагнитные волны в коаксиальной структуре, заполненной диссипативной плазмой с азимутальным магнитым полем
Article
published earlier
spellingShingle Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
Azarenkov, N.A.
Olefir, V.P.
Sporov, A.E.
Фундаментальная физика плазмы
title Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
title_alt Дипольні електромагнітні хвилі в коаксіальній структурі, що заповнена дисипативною плазмою з азимутальним магнітним полем
Дипольные электромагнитные волны в коаксиальной структуре, заполненной диссипативной плазмой с азимутальным магнитым полем
title_full Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
title_fullStr Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
title_full_unstemmed Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
title_short Dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
title_sort dipolar electromagnetic waves in coaxial structure filled by dissipative plasma with azimuth magnetic field
topic Фундаментальная физика плазмы
topic_facet Фундаментальная физика плазмы
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/88229
work_keys_str_mv AT azarenkovna dipolarelectromagneticwavesincoaxialstructurefilledbydissipativeplasmawithazimuthmagneticfield
AT olefirvp dipolarelectromagneticwavesincoaxialstructurefilledbydissipativeplasmawithazimuthmagneticfield
AT sporovae dipolarelectromagneticwavesincoaxialstructurefilledbydissipativeplasmawithazimuthmagneticfield
AT azarenkovna dipolʹníelektromagnítníhvilívkoaksíalʹníistrukturíŝozapovnenadisipativnoûplazmoûzazimutalʹnimmagnítnimpolem
AT olefirvp dipolʹníelektromagnítníhvilívkoaksíalʹníistrukturíŝozapovnenadisipativnoûplazmoûzazimutalʹnimmagnítnimpolem
AT sporovae dipolʹníelektromagnítníhvilívkoaksíalʹníistrukturíŝozapovnenadisipativnoûplazmoûzazimutalʹnimmagnítnimpolem
AT azarenkovna dipolʹnyeélektromagnitnyevolnyvkoaksialʹnoistrukturezapolnennoidissipativnoiplazmoisazimutalʹnymmagnitympolem
AT olefirvp dipolʹnyeélektromagnitnyevolnyvkoaksialʹnoistrukturezapolnennoidissipativnoiplazmoisazimutalʹnymmagnitympolem
AT sporovae dipolʹnyeélektromagnitnyevolnyvkoaksialʹnoistrukturezapolnennoidissipativnoiplazmoisazimutalʹnymmagnitympolem