PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES
Subject and Purpose. The effects considered concern phase synchronization of electrons in an ideal plasma subjected to the action of an external uniform, d. c. magnetic field. Two modes of the synchronization are discussed, specifically one by an external electromagnetic field and the other by the c...
Збережено в:
| Дата: | 2024 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | English |
| Опубліковано: |
Видавничий дім «Академперіодика»
2024
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1450 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Radio physics and radio astronomy |
Репозитарії
Radio physics and radio astronomy| id |
oai:ri.kharkov.ua:article-1450 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Radio physics and radio astronomy |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2024-09-19T14:37:24Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
cyclotron radiation; cyclotron resonance; particle dynamics; plasma synchronization циклотронне випромінювання циклотронні резонанси динаміка частинок плазма синхронізація |
| spellingShingle |
cyclotron radiation; cyclotron resonance; particle dynamics; plasma synchronization циклотронне випромінювання циклотронні резонанси динаміка частинок плазма синхронізація Buts, V. A. Vavriv, D. M. PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES |
| topic_facet |
cyclotron radiation; cyclotron resonance; particle dynamics; plasma synchronization циклотронне випромінювання циклотронні резонанси динаміка частинок плазма синхронізація |
| format |
Article |
| author |
Buts, V. A. Vavriv, D. M. |
| author_facet |
Buts, V. A. Vavriv, D. M. |
| author_sort |
Buts, V. A. |
| title |
PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES |
| title_short |
PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES |
| title_full |
PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES |
| title_fullStr |
PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES |
| title_full_unstemmed |
PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES |
| title_sort |
phase synchronization of particles at cyclotron resonances |
| title_alt |
ФАЗОВА СИНХРОНІЗАЦІЯ ЧАСТИНОК ПРИ ЦИКЛОТРОННИХ РЕЗОНАНСАХ |
| description |
Subject and Purpose. The effects considered concern phase synchronization of electrons in an ideal plasma subjected to the action of an external uniform, d. c. magnetic field. Two modes of the synchronization are discussed, specifically one by an external electromagnetic field and the other by the cyclotron radiation emitted by the electrons. The purpose is to compare these forms of synchronization and their effects on plasma stability.Methods and Methodology. The plasma is represented as a set of coupled oscillators whose dynamics is described via coupled differential equations. Assuming the coupling between the oscillators to be weak we find analytical solutions to the equation, further performing a stability analysis which exploits standard approaches of the dynamical systems theory. The solutions found are validated through corresponding numerical simulations.Results. As has been found, an external electromagnetic wave may be capable of guiding the particles toward phase synchronization, which can lead to formation of phased bunches. This mechanism of particle grouping may prove to be more efficient, in terms of scale times of synchronization, if compared with known mechanisms exploiting relativistic effects. Additionally, we show that the cyclotron radiation emitted by the charged particles (which is often disregarded because of its smallness) can lead to self-phase synchronization of the electrons. Moreover, should the density of charged particles in the ensemble be sufficiently high, an instability can arise, potentially disrupting the ensemble. Estimates have been provided of the level of random fluctuations capable of undermining the synchronization process and plasma dynamics stabilization.Conclusions. The most significant finding of this analysis is the emergence of low-frequency oscillations in the charged oscillators set, followed by an onset of the plasma instability when the plasma density exceeds a certain critical value. Within that scenario, the ensemble of oscillators sitting in the external magnetic field is no longer held together by the field. The effect should be taken into account in applications related to plasmas of a relatively high density.Key words: cyclotron radiation; cyclotron resonance; particle dynamics; plasma, synchronizationManuscript submitted 25.12.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(3): 236-244REFERENCES 1. Buts, V.A., and Zagorodny, A.G., 2021. New cyclotron resonances and features of charged-particle dynamics in the presence of an intense electromagnetic wave. Phys. Pasma, 28, 022311. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0037808 2. Buts, V.A. and Zagorodny, A.G., 2023. New resonances in wave–particle interactions. Phys. Pasma, 30, 082301. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0143202 3. Nusinovich, G. S., 2004. Introduction to the Physics of Gyrotron. USA, Maryland: JHU. DOI: https://doi.org/10.1353/book.62236 4. Sprangle, P., Granatstein, V., Drobot, A., 1977. The electron cyclotron maser instability. J. Phys. Colloq., 38(C6), pp. 135–152. DOI: https://doi.org/10.1051/jphyscol:1977613 5. Landau, L.D., and Lifshitz, E.M., 1990. Classical Theory of Fields. Buttreworth and Heinemann Publishers, Oxford, UK. ISBN 98075062789. 6. Landau, L.D., and Lifshitz, E.M., 1976. Mechanics. 3rd ed. Elsevier Publ. Co, Amsterdam, the Netherlands. ISBN-10 0750628960. 7. Magnus, K., 1965. Vibrations. London: Blackie and Son. 8. Buts, V.A., Kuzmin, V.V., Tolstoluzhsky, A.P., 2017. Features of the dynamics of particles and fields at cyclotron resonances. J. Exp. Theor. Phys., 125, pp. 651–662. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063776117090126 |
| publisher |
Видавничий дім «Академперіодика» |
| publishDate |
2024 |
| url |
http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1450 |
| work_keys_str_mv |
AT butsva phasesynchronizationofparticlesatcyclotronresonances AT vavrivdm phasesynchronizationofparticlesatcyclotronresonances AT butsva fazovasinhronízacíâčastinokpriciklotronnihrezonansah AT vavrivdm fazovasinhronízacíâčastinokpriciklotronnihrezonansah |
| first_indexed |
2024-09-18T04:05:51Z |
| last_indexed |
2024-09-21T04:07:22Z |
| _version_ |
1811501839039856640 |
| spelling |
oai:ri.kharkov.ua:article-14502024-09-19T14:37:24Z PHASE SYNCHRONIZATION OF PARTICLES AT CYCLOTRON RESONANCES ФАЗОВА СИНХРОНІЗАЦІЯ ЧАСТИНОК ПРИ ЦИКЛОТРОННИХ РЕЗОНАНСАХ Buts, V. A. Vavriv, D. M. cyclotron radiation; cyclotron resonance; particle dynamics; plasma, synchronization циклотронне випромінювання; циклотронні резонанси; динаміка частинок; плазма; синхронізація Subject and Purpose. The effects considered concern phase synchronization of electrons in an ideal plasma subjected to the action of an external uniform, d. c. magnetic field. Two modes of the synchronization are discussed, specifically one by an external electromagnetic field and the other by the cyclotron radiation emitted by the electrons. The purpose is to compare these forms of synchronization and their effects on plasma stability.Methods and Methodology. The plasma is represented as a set of coupled oscillators whose dynamics is described via coupled differential equations. Assuming the coupling between the oscillators to be weak we find analytical solutions to the equation, further performing a stability analysis which exploits standard approaches of the dynamical systems theory. The solutions found are validated through corresponding numerical simulations.Results. As has been found, an external electromagnetic wave may be capable of guiding the particles toward phase synchronization, which can lead to formation of phased bunches. This mechanism of particle grouping may prove to be more efficient, in terms of scale times of synchronization, if compared with known mechanisms exploiting relativistic effects. Additionally, we show that the cyclotron radiation emitted by the charged particles (which is often disregarded because of its smallness) can lead to self-phase synchronization of the electrons. Moreover, should the density of charged particles in the ensemble be sufficiently high, an instability can arise, potentially disrupting the ensemble. Estimates have been provided of the level of random fluctuations capable of undermining the synchronization process and plasma dynamics stabilization.Conclusions. The most significant finding of this analysis is the emergence of low-frequency oscillations in the charged oscillators set, followed by an onset of the plasma instability when the plasma density exceeds a certain critical value. Within that scenario, the ensemble of oscillators sitting in the external magnetic field is no longer held together by the field. The effect should be taken into account in applications related to plasmas of a relatively high density.Key words: cyclotron radiation; cyclotron resonance; particle dynamics; plasma, synchronizationManuscript submitted 25.12.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(3): 236-244REFERENCES 1. Buts, V.A., and Zagorodny, A.G., 2021. New cyclotron resonances and features of charged-particle dynamics in the presence of an intense electromagnetic wave. Phys. Pasma, 28, 022311. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0037808 2. Buts, V.A. and Zagorodny, A.G., 2023. New resonances in wave–particle interactions. Phys. Pasma, 30, 082301. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0143202 3. Nusinovich, G. S., 2004. Introduction to the Physics of Gyrotron. USA, Maryland: JHU. DOI: https://doi.org/10.1353/book.62236 4. Sprangle, P., Granatstein, V., Drobot, A., 1977. The electron cyclotron maser instability. J. Phys. Colloq., 38(C6), pp. 135–152. DOI: https://doi.org/10.1051/jphyscol:1977613 5. Landau, L.D., and Lifshitz, E.M., 1990. Classical Theory of Fields. Buttreworth and Heinemann Publishers, Oxford, UK. ISBN 98075062789. 6. Landau, L.D., and Lifshitz, E.M., 1976. Mechanics. 3rd ed. Elsevier Publ. Co, Amsterdam, the Netherlands. ISBN-10 0750628960. 7. Magnus, K., 1965. Vibrations. London: Blackie and Son. 8. Buts, V.A., Kuzmin, V.V., Tolstoluzhsky, A.P., 2017. Features of the dynamics of particles and fields at cyclotron resonances. J. Exp. Theor. Phys., 125, pp. 651–662. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063776117090126 Предмет і мета роботи. Досліджено фазову синхронізацію електронів в ідеальній плазмі в постійному однорідному зовнішньому магнітному полі. Ми розглядаємо дві форми синхронізації: синхронізацію за допомогою зовнішнього електромагнітного поля та синхронізацію за допомогою циклотронного випромінювання, що випускається електронами. Наша мета — порівняти ці форми синхронізації та їхній вплив на стабільність плазми.Методи та методологія. Плазму показано як сукупність пов’язаних осциляторів, динаміка яких описується набором пов’язаних диференціальних рівнянь. Враховуючи невеликий зв’язок між осциляторами, ми знаходимо аналітичний розв’язок рівняння та виконуємо аналіз стійкості, використовуючи стандартні підходи теорії динамічних систем. Ці розв’язки підтверджено відповідним чисельним моделюванням.Результати. Mи демонструємо, що зовнішня електромагнітна хвиля може направляти частинки до фазової синхронізації, що призводить до утворення фазових згустків. Цей механізм групування частинок може бути більш ефективним з точки зору часу синхронізації порівняно з відомими механізмами, заснованими на теорії відносності. Крім того, ми показуємо, що циклотронне випромінювання, випущене зарядженими частинками, яке часто не враховується через його малість, призводить до самофазової синхронізації електронів. До того ж, якщо щільність заряджених частинок в ансамблі досить висока, може виникнути нестабільність, що потенційно може порушити ансамбль. Ми надаємо оцінку випадкових флуктуацій, необхідних для зриву процесу синхронізації та стабілізації динаміки плазми.Висновки. Hайбільш значущим результатом є виникнення низькочастотних коливань у сукупності заряджених осциляторів, що супроводжується появою нестабільності плазми, коли густина плазми перевищує критичне значення. У такому сценарії ансамбль осциляторів у зовнішньому магнітному полі більше не утримується разом полем. Цей ефект слід враховувати в розробках, пов’язаних з використанням плазми відносно високої щільності.Ключові слова: циклотронне випромінювання, циклотронні резонанси, динаміка частинок, плазма, синхронізаціяСтаття надійшла до редакції 25.12.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(3): 236-244БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 1. Buts, V.A., and Zagorodny, A.G., 2021. New cyclotron resonances and features of charged-particle dynamics in the presence of an intense electromagnetic wave. Phys. Pasma, 28, 022311. DOI: 10.1063/5.0037808 2. Buts, V.A. and Zagorodny, A.G., 2023. New resonances in wave–particle interactions. Phys. Pasma, 30, 082301. DOI: 10.1063/ 5.0143202 3. Nusinovich, G. S., 2004. Introduction to the Physics of Gyrotron. USA, Maryland: JHU. 4. Sprangle, P., Granatstein, V., Drobot, A., 1977. The electron cyclotron maser instability. J. Phys. Colloq., 38(C6), pp. 135–152. DOI:10.1051/jphyscol:1977613 5. Landau, L.D., and Lifshitz, E.M., 1990. Classical Theory of Fields. Buttreworth and Heinemann Publishers, Oxford, UK. ISBN 98075062789. 6. Landau, L.D., and Lifshitz, E.M., 1976. Mechanics. 3rd ed. Elsevier Publ. Co, Amsterdam, the Netherlands. ISBN-10 0750628960. 7. Magnus, K., 1965. Vibrations. London: Blackie and Son. 8. Buts, V.A., Kuzmin, V.V., Tolstoluzhsky, A.P., 2017. Features of the dynamics of particles and fields at cyclotron resonances. J. Exp. Theor. Phys., 125, pp. 651–662. DOI: 10.1134/S1063776117090126 Видавничий дім «Академперіодика» 2024-09-17 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1450 10.15407/rpra29.03.236 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 29, No 3 (2024); 236 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 29, No 3 (2024); 236 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 29, No 3 (2024); 236 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra29.03 en http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1450/pdf Copyright (c) 2024 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY |