Константин Николаевич Степанов
 (к 75-летию со дня рождения)



24 марта 2005 года исполнилось 75 лет ведущему ученому в области физики плазмы и управляемого термоядерного синтеза на Украине, одному из создателей электродинамики плазмы член-корреспонденту Национальной академии наук Украины заслуженному деятелю науки и техники Украины доктору физико-математических наук, профессору Харьковского национального университета имени В.Н. Каразина, заведующему отдела теории плазмы Института Физики плазмы Национального Научного Центра «Харьковский физико-технический институт» Степанову Константину Николаевичу.
К.Н. Степанов представитель блистательной группы физиков, начинавших в начале пятидесятых годов после окончания Харьковского государственного университета свою работу под руководством академика АН УССР А.И. Ахиезера в теоретическом отделе Харьковского физико-технического института. В 1954 г. А.И. Ахиезер предложил К.Н. Степанову исследовать на основе кинетической теории спектры и затухание электромагнитных волн и взаимодействие пучков заряженных частиц с электромагнитными волнами в плазме в магнитном поле. Первым результатом этих исследований стала работа, выполненная совместно с А.Г. Ситенко «О колебаниях электронной плазмы в магнитном поле» (ЖЭТФ, 1956, т.31, с.642-651), в которой был разработан метод исследования колебаний плазмы, основанный на введении тензора диэлектрической проницаемости плазмы, зависящего при учете теплового движения частиц от частоты и волнового вектора, и получении дисперсионного уравнения для плоской электромагнитной волны, распространяющейся в плазме в магнитном поле.
Метод, предложенный в этой работе, стал в последствии стандартным методом изучения волн в плазме в магнитном поле. На его основе К.Н. Степановым были детально изучены спектры колебаний плазмы в магнитном поле и их затухание. Он нашел ряд новых ветвей колебаний горячей бесстолкновительной плазмы в магнитном поле – «быстрый» и «медленный» ионный звук, электронный звук, коротковолновую часть спектра альфвеновской (ионной циклотронной) ветви колебаний, в частности, «модифицированную альфвеновскую волну». Совместно с А.Б. Киценко и Д.Г. Ломинадзе им представлена (1964 г.) полная картина спектров электронных и ионных циклотронных колебаний плазмы, существование которых обусловлено эффектами конечности ларморовского радиуса частиц плазмы. Им найдены коэффициенты бесстолкновительного черенковского и циклотронного затухания практически всех ветвей колебаний высокотемпературной плазмы в магнитном поле.
Впоследствии циклотронное и черенковское затухание волн в магнитоактивной плазме было исследовано К.Н. Степановым совместно с В.Л. Сизоненко (1965 г.) и в квазилинейном приближении с учетом эффектов деформации функции распределения резонансных частиц под действием ВЧ поля волны и кулоновских столкновений. Проведенные исследования были обобщены на случай анизотропного распределения частиц плазмы по скоростям и наличия неоднородности плазмы. К.Н. Степанов предложил использовать для исследования локальных плазменных резонансов в неоднородной плазме эффективный метод узкого слоя, с помощью которого им были изучены затухание и конверсия поверхностных волн в области локального ленгмюровского и верхнего гибридного резонансов (1965 г.). Этот метод позднее был использован К.Н. Степановым и другими авторами для решения ряда задач ВЧ нагрева плазмы. Особо важными оказались исследования конверсии альфвеновской волны с частотой, меньшей ионной циклотронной частоты, в мелкомасштабную сильно затухающую «кинетическую» моду (В.В. Долгополов и К.Н. Степанов, 1965 г.), заложившие основы «альфвеновского» метода нагрева плазмы.
Проведенные К.Н. Степановым исследования высокочастотных свойств плазмы в магнитном поле были связаны с начинавшимися в ХФТИ экспериментами по высокочастотному нагреву плазмы. К.Н. Степановым и его коллегами были предложены методы нагрева плазмы при помощи быстрых магнитозвуковых волн с частотами порядка ионной циклотронной частоты, использующие поглощение волн за счет различных процессов - резонанса на основной или на второй гармониках циклотронной частоты ионов основного газа и электронного черенковского затухания (1959 г.) -эффекта конверсии в коротковолновую волну в плазме с ионами двух сортов в неоднородном магнитном поле токамака, поглощаемую либо за счет электронного черенковского затухания (Р. Клима, А.В. Лонгинов, К.Н. Степанов, 1974 г.), либо за счет резонанса на второй гармонике циклотронной частоты тяжелых ионов специальной добавки, вводимой в плазму, либо за счет циклотронного резонанса на малой добавке ионов гелия-3. В настоящее время эти методы нагрева плазмы являются основными на многих крупных токамаках и рассматриваются как перспективные для токамака-реактора.
Наличие неоднородности магнитного поля вдоль магнитной силовой линии в токамаке или стеллараторе делает связь между ВЧ током и полем волны нелокальной. В цикле работ К.Н. Степанова и его учеников (Т.Д. Каладзе, А.И. Пятака и С.В. Касилова) разработана нелокальная линейная и квазилинейная теория ионного циклотронного резонанса для быстрых магнитозвуковых волн. Постановка и решение этих задач составила содержание монографии С.В. Касилова, А.И. Пятака и К.Н. Степанова “Nonlocal theory of cyclotron and Cherenkov absorption in nonuniformly magnitized plasma” (Reviews of Plasma Physics. Edited by B.B. Kadomtsev. Vol. 20 Consultants Bureau/ New York – London, 1997, P. 61-300).
К.Н. Степанову принадлежат важные результаты по теории взаимодействия потоков заряженных частиц с плазмой в магнитном поле. Им, совместно с А.Б. Киценко (1961 г.), определены инкременты нарастания различных типов медленных волн, возбуждаемых электронными и ионными пучками, инжектированными в плазму параллельно магнитному полю, и спиральными пучками. Исследована нелинейная стадия пучковых неустойчивостей плазмы в магнитном поле (А.Б. Киценко, И.М. Панкратов, К.Н. Степанов, 1974 г.), определены амплитуды колебаний в сильно нелинейном режиме для частиц пучка и условия оптимальной передачи энергии пучков плазмы.
К.Н. Степановым и его сотрудниками были изучены явления неустойчивости и турбулентности плазмы с электрическим током, текущим перпендикулярно магнитному полю. Показано, что развитие нижнегибридных неустойчивостей (К.Н. Степанов, 1964 г.; В.И. Сизоненко, К.Н. Степанов, 1967 г.) приводит к образованию сильной мелкомасштабной турбулентности плазмы, появлению быстрого турбулентного нагрева электронов и ионов и аномального сопротивления, приводящего к затуханию поля, создающего поперечный ток. Выполнен цикл исследований ионной циклотронной турбулентности плазмы с поперечным током (В.С. Михайленко и К.Н. Степанов, 1980-1984 г.), которые позволили установить механизмы и уровни насыщения различных кинетических ионных циклотронных неустойчивостей, возникающих в однородной и неоднородной плазме, плазме с ионами одного и двух сортов.
Теории устойчивости плазмы в ловушках посвящены работы В.Д. Егоренкова и К.Н. Степанова (1970-1976 г), в которых были изучены электромагнитные конусная и дрейфово-конусная неустойчивости и высокочастотные «шланговая» и «диамагнитная» неустойчивости плазмы в адиабатических ловушках, давление плазмы в которых равно по порядку величины магнитному давлению. Рассмотрена разновидность высокочастотной «шланговой» неустойчивости во взаимопроникающих плазменных потоках на волнах типа вистлеров и на основе квазилинейной теории показано, что обратное действие неустойчивых колебаний приводит к почти полному торможению электронных потоков.
Большой цикл исследований К.Н. Степанова и его учеников посвящен теории параметрических неустойчивостей и параметрической турбулентности, возникающих при взаимодействии волн, используемых при высокочастотном нагреве плазмы, с частицами плазмы. При нагреве плазмы быстрой магнитозвуковой волной или альфвеновской волной большой амплитуды скорости относительного колебательного движения компонентов плазмы могут быть сравнимыми или даже большими тепловой скорости ионов. А.Б. Киценко, В.И. Панченко и К.Н. Степановым (1972-1975 г.) были рассмотрены неустойчивости с участием нижнегибридных, потенциальных ионных и электронных циклотронных, дрейфовых, дрейфово-циклотронных, электронно-звуковых волн. Для этих неустойчивостей смещение частиц в электрическом поле накачки пoрядка поперечной длины волны неустойчивых колебаний.
Возбуждение в плазме различных параметрических неустойчивостей приводит к аномально быстрому нагреву плазмы. Теория такого нагрева была разработана В.С. Михайленко и К.Н. Степановым (1980-1989 г.). Ими разработан аппарат теории параметрической турбулентности плазмы, который является обобщением теории слабой турбулентности и квазилинейной теории на случай конечных смещений частиц в электрическом поле волны накачки. На этой основе была построена теория кинетических параметрических ионных циклотронных неустойчивостей плазмы, которые возникают при частоте поля накачки порядка ионной циклотронной частоты и обусловленных взаимодействием резонансных электронов с биениями, образованными неустойчивыми колебаниями и гармониками волны накачки. Проведенный анализ нелинейной эволюции неустойчивостей показал, что насыщение неустойчивостей происходит вследствие нелинейного уширения ионного циклотронного резонанса. Использование разработанной теории дало возможность определить вклад турбулентного нагрева ионов и электронов в торсатроне «Ураган-3М».
ВЧ турбулентный нагрев возникает также в геликонных источниках плазмы, которые используются в плазменных технологиях и научных исследованиях. К.Н. Степановым и В.С. Михайленко было показано (1997 г.), что аномально сильный нагрев электронов и поглощение ВЧ поля геликона и само поддержание разряда может быть обусловлено коротковолновой кинетической ионно-звуковой параметрической неустойчивостью.
Активная и чрезвычайно продуктивная научная деятельность К.Н. Степанова привела к созданию целого ряда новых научных направлений в физике плазмы и управляемого термоядерного синтеза, научной школы, богатой как числом учеников, так и их научными достижениями. Им подготовлено 25 кандидатов наук, 14 докторов наук. Он является автором более 600 статей, 5 монографий широко известных во всем мире. Работу по подготовке научных кадров К.Н. Степанов проводит на физико-техническом факультете ХНУ имени vvvvВ.Н. Каразина вот уже 40 лет, начиная с 1965 года. Он читает лекции по физике плазмы, являясь одновременно заведующим филиалом кафедры физики плазмы в ННЦ «ХФТИ».
Желаем Вам, дорогой Константин Николаевич, крепкого здоровья, дальнейших творческих успехов, счастья в Вашей семье и долгих лет жизни!

Азаренков Н.А., Бережной Ю.А., Власов В.В., Гирка И.А., Егоренков В.Д., Залюбовский И.И.,
Кирочкин Ю.А., Лапшин В.И., Михайленко В.С., Муратов В.И., Пелетминский С.В.,
Фареник В.И., Ходусов В.Д., Шишкин А.А., Шульга Н.Ф.