name: Численное моделирование движения заряженной частицы в неоднородной электромагнитной волне
keyword_list: инжекция заряженных частиц гиромагнитное излучение тормозное излучение необыкновенная волна обыкновенная волна траектория заряженной частицы Неоднородная электромагнитная волна
abstract: При разработке новых технологий в навигации, локации, радиосвязи и в ряде других приложений необходимо учитывать микрофизические процессы взаимодействия электромагнитного излучения со средой распространения, в том числе, с ионосферной плазмой. Исходя из того, что ионосферную плазму для многих явлений можно считать низкотемпературной и бесстолкновительной, особое значение приобретает исследование поведения электронов как наиболее динамичной компоненты ионосферной плазмы при взаимодействии с радиоволнами. Электронная концентрация играет определяющую роль в процессах отражения, поглощения, дисперсии и рефракции радиоволн. В реальной ионосфере радиоволны, взаимодействуя с неоднородностями электронной концентрации, в той или иной степени становятся неоднородными. Неоднородная электромагнитная волна имеет переменную амплитуду электрических и магнитных полей на поверхности фазового фронта. В связи с вышеизложенным, в работе основное внимание уделено исследованию взаимодействия электронов с неоднородными электромагнитными волнами. С этой целью разработан программный комплекс, позволяющий моделировать широкий спектр неоднородных электромагнитных волн и их взаимодействие с электронами. Взаимодействие электронов с неоднородной электромагнитной волной в присутствии внешнего постоянного магнитного поля (для ионосферы -- геомагнитного поля) является микрофизическим аналогом взаимодействия обыкновенной и необыкновенной волны с ионосферной плазмой. Полученные в работе результаты могут быть использованы при параметризации микрофизических процессов в ионосфере для разработки современных численных моделей ионосферы, при оценке мощности тормозного и гиромагнитного излучения электрона в поле неоднородной электромагнитной волны, а также процессов инжекции электронов из радиационных поясов в ионосферную плазму(для обыкновенной и необыкновенной волны, с учетом геомагнитного поля).
  Основной целью работы является исследование взаимодействия электронов как наиболее динамичной компоненты низкотемпературной бесстолкновительной ионосферной плазмы с неоднородными электромагнитными волнами на основе численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами. В том числе, исследовать спектральный состав тормозного и гиромагнитного излучения электрона в присутствии геомагнитного поля для обыкновенной и необыкновенной неоднородной электромагнитной волны. Для достижения поставленных целей в работе были поставлены и решены следующие задачи:
  	Численное решение системы нелинейных уравнений движения частицы в поле неоднородной электромагнитной волны с помощью адаптации метода Дормана-Принца посредством программы, написанной на языке Matlab. 
  	Используя разработанную модель, на основе серии численных экспериментов изучить особенности траектории электрона в поле неоднородной электромагнитной волны, в том числе, с учетом постоянного магнитного поля (для обыкновенной и необыкновенной волны), в зависимости от амплитуды, фазы и частоты неоднородной электромагнитной волны, волновых векторов плоских волн, образующих неоднородную волну, а также от начальных координат и скорости электрона. 
  	Исследование распределения электронов, инжектированных в неоднородную электромагнитную волну, в том числе, в случае обыкновенной и необыкновенной волны. Определение зависимости распределения инжектированных электронов от амплитуды электрического поля и несущей частоты неоднородной электромагнитной волны, а также от начальных скоростей электронов. 
  	Исследование спектра излучения электрона в поле неоднородной волны на основе численных экспериментов, в том числе, с учетом геомагнитного поля (для обыкновенной и необыкновенной волны), при различных параметрах неоднородной электромагнитной волны и электрона.
  	Проведение серии численных экспериментов по исследованию тормозного и гиромагнитного излучения электрона в поле обыкновенной и необыкновенной неоднородной электромагнитной волны с учетом постоянного магнитного поля Земли.
  
  Положения, выносимые на защиту:
  	Метод построения 3d-траектории электрона ионосферной плазмы в поле неоднородной электромагнитной волны на основе численного решения системы нелинейных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, при заданных характеристиках волны и электрона.
  	Установлена зависимость пространственного распределения электронов при последовательной инжекции в неоднородную электромагнитную волну, в том числе, обыкновенную и необыкновенную, от амплитуды электрического поля и несущей частоты волны, а также от начальных скоростей электронов.
  	Для обыкновенной неоднородной электромагнитной волны установлено, что мощность тормозного излучения превосходит мощность гиромагнитного при амплитуде электрического поля E_0≥15 В/м. Для необыкновенной волны мощность гиромагнитного излучения всегда превышает мощность тормозного (расчеты выполнены в присутствии постоянного магнитного поля, характерного для зоны высоких широт).
  	Взаимодействие электронов ионосферной плазмы с неоднородной электромагнитной волной сопровождается модуляцией волны с частотой Ω, определяемой колебательным движением электрона внутри интерференционной ячейки. Установлена возможность управления боковыми частотами несущей частоты ω_0±Ω и модулирующей частотой Ω с помощью направляющих углов и амплитуды электрического поля неоднородной электромагнитной волны.
  Научная новизна исследования заключается в том, что впервые на основе численного решения нелинейной системы уравнений с переменными коэффициентами построена трехмерная траектория заряженной частицы в поле неоднородной электромагнитной волны, а также исследована зависимость построенных траекторий от параметров волны и частицы, в том числе, для обыкновенной и необыкновенной электромагнитных волн. Впервые проведено сравнение тормозного и гиромагнитного излучения электрона в поле неоднородной электромагнитной волны, в том числе, в обыкновенной и необыкновенной волне, с учетом геомагнитного поля. Также выполнены расчеты инжекции электронов в обыкновенную и необыкновенную электромагнитную волну.
  Достоверность полученных данных определяется верификацией результатов численного моделирования движения частицы в неоднородной электромагнитной волне с помощью сравнения с точными аналитическими и приближенными решениями, опубликованными ранее. Для проверки надежности алгоритмов и программ, разработанных при создании численной модели на основе метода Дормана-Принса, использовался также численный метод PIC. Сопоставление расчетов, выполненных по данным моделям, показало хорошее совпадение.
chairman_dissertation_council.name: Владимир
chairman_dissertation_council.surname: Лапшин
chairman_dissertation_council.patronymic: Борисович
chairman_dissertation_council.position: профессор
chairman_dissertation_council.degree: Доктор физико-математических наук
chairman_dissertation_council.rank: Профессор
chairman_dissertation_council.wos_research_id: 0
chairman_dissertation_council.scopus_author_id: 7102261557
chairman_dissertation_council.rinc_id: 58307
chairman_dissertation_council.territory: РОССИЯ
organization_supervisor.name: Андрей
organization_supervisor.surname: Репин
organization_supervisor.position: директор
organization_supervisor.territory: РОССИЯ
rubrics.code: 27.41.19
rubrics.name: Численные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений
rubrics.code: 37.15.29
rubrics.name: Ионосфера
rubrics.code: 29.35.19
rubrics.name: Распространение электромагнитных волн
oecds.code: 01.05.QQ
oecds.name: METEOROLOGY & ATMOSPHERIC SCIENCES
speciality_codes.name: Физика атмосферы и гидросферы
speciality_codes.code: 25.00.29
supervisors.fio: Петров И.Б.
supervisors.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
supervisors.speciality_code: Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
supervisors.responsible_type: Научный руководитель
opponents.fio: Кутуза Б.Г.
opponents.scientific_degree: Доктор физико-математических наук
opponents.speciality_code: Радиофизика
opponents.responsible_type: Оппонент
opponents.fio: Волокитин А.С.
opponents.scientific_degree: Кандидат физико-математических наук
opponents.speciality_code: Теоретическая физика
opponents.responsible_type: Оппонент
protection_organization.short_name: ФГБУ "ИПГ"
protection_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ "ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.К.ФЕДОРОВА"
protection_organization.ogrn: 1037739073536
protection_organization.supervisor_name: АНДРЕЙ
protection_organization.supervisor_surname: РЕПИН
protection_organization.supervisor_patronymic: ЮРЬЕВИЧ
protection_organization.organization_type: Организация
protection_organization.okogu: Федеральная служба по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды
protection_organization.okopf: Федеральные государственные бюджетные учреждения
author_organization.short_name: МФТИ, ФИЗТЕХ
author_organization.name: ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)"
author_organization.ogrn: 1027739386135
author_organization.supervisor_name: ДМИТРИЙ
author_organization.supervisor_surname: ЛИВАНОВ
author_organization.supervisor_patronymic: ВИКТОРОВИЧ
author_organization.organization_type: Организация
author_organization.okogu: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
author_organization.okopf: Федеральные государственные автономные учреждения