ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕОРИИ КОЛЕБАНИЙ И ВОЛН

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

Н. С. Гинзбург^a, В. Ю. Заславский^a, И. В. Зотова^a, А. А. Ростунцова^abc, Н. М. Рыскин^bc, А. С. Сергеев^a, Л. A. Юровский<sup>a

a</sup> ФИЦ Институт прикладной физики им. А. В. Гапонова-Грехова РАН, Нижний Новгород, Россия
^b Саратовский филиал Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, Россия
^c Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, Россия

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.  

Ключевые слова: модуляционная неустойчивость, самоиндуцированная прозрачность, микроволновые солитоны, циклотронный резонанс.

УДК: 530.182

Поступила в редакцию: 14.05.2025
Исправленный вариант: 28.11.2025
Принята в печать: 10.06.2025

DOI: 10.18500/0869-6632-003187