Содержание к диссертации
Введение
1. Взаимодействие плазменных потоков с магнитным полем и фоновой плазмой 13
2. Модельные эксперименты 33
2.1. Лабораторное моделирование 33
2.2. Активный геофизический эксперимент NORTH STAR 44
2.3. Активный геофизический эксперимент FLUXUS 46
2.4. Методики измерений 47
3. Динамика доальфвеновского импульсного плазменного потока 59
3.1. Диамагнитная стадия движения плазменного потока 60
3.1.1. Диамагнитная полость 61
3.1.2. Диссипация кинетической энергии 80
3.1.3. Аномальная диффузия магнитного поля 83
3.2. Генерация продольных токов 87
3.3. Торможение плазменного потока, генерирующего продольные токи 91
3.4. Деполяризация 111
3.5. Отклонение плазменного потока от направления инжекции 122
3.6. Импульсный плазменный поток в хвосте магнитосферы 132
Заключение 134
Литература.. 137
- Лабораторное моделирование
- Методики измерений
- Диамагнитная полость
- Торможение плазменного потока, генерирующего продольные токи
Лабораторное моделирование
Комплексное исследование взаимодействия плазменной струи с магнитосферой и ионосферой Земли в активных геофизических экспериментах представляет собой сложную экспериментальную задачу, так как требует размещения большого количества космических аппаратов и проведения синхронных измерений на различных высотах и участках траектории струи. На современном уровне удается обеспечить не более трех точек измерений (эксперимент NORTH STAR). Этих недостатков лишен лабораторный модельный эксперимент, позволяющий проводить серии экспериментов в контролируемых условиях, гибко менять задачи исследований и состав диагностического оборудования, проводить многоточечные измерения.
Схема лабораторного эксперимента
Лабораторный эксперимент ФАКЕЛ разработан для изучения динамики плазменной струи, распространяющейся поперек геомагнитного поля и генерирующей цепь продольных токов в ионосферной плазме. Схема эксперимента представлена на рис. 2.1. Исследования проводятся в вакуумной камере (1), представляющей собой цилиндр диаметром 0.8 м и длиной 1.5 м, изготовленный из нержавеющей стали. На стенках вакуумной камеры установлены иллюминаторы из кварцевого стекла. Камера снабжена фланцами с герморазъемами для электрического соединения аппаратуры и датчиков, размещенных внутри камеры, с осциллографами и автоматикой управления экспериментами.
Эксперименты проводятся при давлении в камере 0.14-0.01 Па. Разряжение в камере создается системой вакуумной откачки (2). Она включает в себя вакуумный пластинчато-роторный насос НВПР-40 (скорость откачки до 40 л/с), вакуумный пластинчато-роторный насос 2НВР-5Д (скорость откачки до 5 л/с) и турбомолекулярный насос ТМН-500 (скорость откачки до 500 л/с). Предварительная откачка до давления 10ч-20 Па проводится с помощью насоса НВПР-40, затем камера откачивается до рабочего давления насосом ТМН-500. Вспомогательный насос 2НВР-5Д служит для откачки воздуха с выхода насоса ТМН-500. Давление в вакуумной камере контролируется с помощью вакуумметров ВТ-6 с лампой ПМТ-2 и ВИТ-3 с лампами ПМТ-3 и ПМИ-2. Насосы и измерители давления подключаются к вакуумной камере через вакуумные вводы. Для напуска воздуха в камеру на торцевой стенке был установлен специальный вентиль.
В вакуумной камере расположен высоковольтный коаксиальный разрядник (5), служащий источником плазменной струи (б). В качестве накопителя энергии используется батарея конденсаторов емкостью 100- 400 мкФ (3), соединенная с электродами разрядника (5) через коммутирующий разрядник (4). Напряжение зарядки изменялось в пределах 2- 5 кВ.
В вакуумной камере также располагается источник квазипостоянного магнитного поля, состоящий из двух соленоидов, соединенных магнитопроводом (7). Вектор магнитного поля перпендикулярен направлению инжекции струи.
Сверху и снизу от плазменной струи установлены медные пластины (8), обеспечивающие замыкание продольных токов, возбуждаемых в плазме, поперек магнитного поля. В экспериментах без замыкания продольных токов вместо медных пластин устанавливались пластины из стекла или фторопласта. Эти пластины также обеспечивали изоляцию конструкций магнитной системы от плазменной струи.
В плазменном потоке устанавливаются различные датчики (9) на специальных изолирующих штангах. Сигналы с датчиков через герморазъемы выводятся из вакуумной камеры на цифровые запоминающие осциллографы С9-8 (11), а затем обрабатываются на компьютере. Запуск осциллографов осуществляется по сигналу пояса Роговского, регистрирующего ток в цепи высоковольтного разрядника. Различие во времени запуска осциллографов не превышает 0.1 мкс.
Для исследования внешней картины распространения плазменной струи используется высокоскоростная фотокамера (10), разработанная специально для экспериментального стенда ФАКЕЛ. Эта камера позволяет получать до 16 кадров высокого разрешения с частотой 1 МГц и выдержкой каждого кадра не более 1 мкс. Запуск камеры осуществляется по команде системы автоматики стенда ФАКЕЛ.
Источник магнитного поля
В лабораторных экспериментах плазменная струя распространяется поперек магнитного поля, создаваемого двумя соленоидами, соединенными магнитопроводом, который обеспечивает равномерность магнитного поля в зазоре. Расстояние между катушками магнитной системы составило 220 мм, а характерный размер магнитного поля в направлении распространения струи равен 150 мм. В качестве накопителя энергии для магнитной системы используется батарея конденсаторов, заряжаемая до напряжения 0.2-И кВ. По команде системы автоматики стенда ФАКЕЛ начинался апериодический разряд батареи конденсаторов. В момент достижения максимального тока в цепи соленоидов выдается команда на срабатывание источника плазменной струи. Время существования плазмы в вакуумной камере ( 400 мкс) существенно меньше характерного времени ( 7 мс), за которое магнитное поле изменяется на 10%. С большой точностью можно считать, что струя распространяется в постоянном магнитном поле. Диапазон реализуемых магнитной системой полей составляет 0.02-Ю.2 Тл.
Для измерения квазипостоянного магнитного поля на установке ФАКЕЛ применялся датчик Холла. Специальная серия экспериментов показала, что соленоиды магнитной системы имеют очень близкие характеристики. Профиль магнитного поля можно с большой точностью считать радиально симметричным. Продольная асимметрия магнитного поля не превышает 12%. Радиальное изменение магнитного поля не превышает 25%. Угол между направлением инжекции плазменной струи и вектором магнитного поля составляет 85-н90.
Источник плазменной струи
Источником плазменной струи в лабораторном эксперименте служит коаксиальный разрядник эрозионного типа, состоящий из центрального электрода диаметром 10 мм и внешнего кольцевого электрода диаметром 50 мм (рис. 2.2). Электроды изготовлены из латуни. Между ними расположена диэлектрическая вставка. В качестве накопителя энергии используется батарея конденсаторов емкостью 100-н400 мкФ, соединенная с электродами разрядника через коммутирующий разрядник. Напряжение зарядки изменялось в пределах 2- 5 кВ. Энергия разряда составляла 0.5ч-5 кДж. Максимальный ток разряда равен 20 60 кА.
При срабатывании коммутирующего разрядника напряжение батареи конденсаторов передается на коаксиальные электроды. Происходит пробой между электродами по поверхности диэлектрика и образуется токопроводящая область в виде тонкого пристеночного слоя. Высокая плотность тока приводит к интенсивному нагреву и испарению диэлектрика. Происходит заполнение плазмой коаксиального ускорителя. Ток разряда создает магнитное поле, при этом возникает сила Ампера, разгоняющая плазменный сгусток по направлению к открытому концу коаксиальной системы. В результате образуется плазменный поток со скоростями до 50 км/с. При движении плазменного потока происходит частичное сгребание фонового газа, и масса инжектируемой плазмы увеличивается [Гавршов, 1994 6]. Многочисленные экспериментальные исследования показали, что плазма, вылетающая из плазменного генератора, имеет сложную структуру [Скворцов, 1964]. Плазменный фронт соединяется с центральным штыревым электродом через плазменный шнур и замыкается на кольцевой электрод по внешнему плазменному коаксиалу (рис. 2.2). В работе [Васильев, 1960] показано, что основная часть разрядного тока уходит от шнура к плазменному коаксиалу на расстоянии до 10 см, тогда как плазменный сгусток распространяется на расстояние до 1 м.
Электрическую цепь разряда в первом приближении можно рассматривать как простой R-L-C контур [Ащимович, 1957; Комельков, 1970]. В общем случае С - емкость батареи конденсаторов, L - индуктивность плазменной струи и подводящих проводов, R - омическое сопротивление разрядной цепи. В условиях нашего эксперимента индуктивность L=const определяется индуктивностью проводов, соединяющих батарею конденсаторов с разрядником, и индуктивностью самих конденсаторов. Изменение тока разряда по времени описывается затухающей синусоидой [Гавршов, 1994 б]. Каждый полупериод разрядного тока формирует новый сгусток плазмы, ускоряемый вдоль оси коаксиальных электродов. Экспоненциальное затухание тока приводит к уменьшению скорости и плотности последующих сгустков плазмы. Для дополнительного ускорения плазменной струи на системе коаксиальных электродов установлена насадка длиной 80 мм из диэлектрика (рис. 2.2). В этих условиях отсутствует боковое расширение, и вся энергия идет на продольное ускорение и рост плотности плазмы [Комельков, 1963]. Высокоскоростная фотосъемка в предварительных экспериментах на стенде ФАКЕЛ показала, что насадка позволяет сформировать струю плазмы, имеющую малый угол расхождения, и увеличить скорость движения в 1.5-Т-2 раза. Насадка также позволяет замкнуть большую часть разрядного тока внутри плазменного генератора.
Ионный состав эрозионной плазмы исследовался в ряде работ. Массовый состав сгустка плазмы, инжектированного коаксиальным генератором с энергией заряда до 15 кДж, определялся в работе [Лукьянов, 1961] методом парабол Томпсона. Данные масс-спектрометра показали, что в струе содержится ионы углерода (из-за эрозии диэлектрической втулки), частицы фонового газа (ионы азота и кислорода), и в небольшом количестве ионы меди (частичная эрозия материала электродов). Обнаружены также двукратные ионы азота, углерода и меди. В работе [Макаров, 1965] оптические измерения также показали наличие ионов углерода и фонового газа на фронте плазменной струи. Масс-спектрометрические измерения ионного состава струи при энергии разряда 400 Дж проводились в работе [Демиденко, 1964]. Было показано, что в отсутствие внешнего магнитного поля доля однократных ионов углерода достигает 42% ионного состава. Доля ионов кислорода достигает 13%, а на ионы водорода приходится 11%. Обнаружены ионы железа (11.5%), появляющиеся из-за эрозии электродов.
Оценки температуры плазмы для эрозионных генераторов плазмы проводились преимущественно по результатам оптических измерений и по времени проникновения плазмы в магнитное поле. В работе [Аретов, 1964] для коаксиального инжектора с напуском рабочего газа получено значение электронной температуры 6 эВ при энергии разряда 625 Дж. В работе [Васильев, 1960] зарегистрированы ионные температуры 10 эВ для источника струи с энергией разряда до 200 кДж. В спектроскопических исследованиях эрозионного источника плазмы с энергией разряда 16 кДж [Минько, 1970] получена оценка температуры плазмы 4 эВ.
Методики измерений
В этом разделе мы рассмотрим методики измерений параметров плазменных потоков, применяемых в лабораторном эксперименте на стенде ФАКЕЛ и в космических экспериментах NORTH STAR и FLUXUS.
Зонды Ленгмюра
В лабораторном эксперименте для измерения концентрации ионов, скоростей плазменного потока и исследования профилей плотности использовались двойные и одиночные цилиндрические зонды Ленгмюра. Электроды изготавливались из стальной и посеребренной бронзовой проволоки радиусом гр=0.035-Ю.1 мм и длиной 1Р=5 мм. Сигнал с датчика передавался по субминиатюрному кабелю РК75-1-22 длиной 1 м в блок электроники, расположенный вне вакуумной камеры. Регистрация сигналов производилась цифровыми запоминающими осциллографами С9-8.
Одиночный зонд представляет собой цилиндрический электрод, погруженный в плазму. Для регистрации ионов на зонде поддерживается отрицательный потенциал относительно потенциала плазмы. Смещение зонда Vp=10-r-30 В производится относительно металлической стенки вакуумной бочки. Зондовый ток 1р регистрируется на малом сопротивлении Rp=T-b2 Ом. Величина Rp выбирается таким образом, чтобы падение напряжения на сопротивлении незначительно уменьшало потенциал зондового электрода IpRp«Vp.
Для исследования профилей плотности плазменного потока, движущегося в магнитном поле, предпочтительнее использовать методику двойных зондов. В этом случае разность потенциалов Vp создается между двумя электродами, погруженными в плазму. Эта система «плавает» вместе с плазмой, следуя за изменением потенциала плазмы. Такая методика позволяет сравнивать результаты измерения плотности ионов зондами, имеющими одинаковое смещение Vp, но расположенными в областях потока с разным потенциалом плазмы. Более того, в этой схеме отсутствует опорный электрод (стенка вакуумной камеры), состояние поверхности которого сильно влияет на зондовые измерения [Горелов, 1985]. Для того чтобы зондовая схема находилась под плавающим потенциалом, измерение тока на сопротивлении Rp проводится с помощью разделительного трансформатора. Параметры трансформатора выбираются таким образом, чтобы схема могла передать сигнал длительностью до 40 мкс без искажений и при этом обеспечить передачу фронта сигнала длительностью 1 мкс. Далее сигнал поступает на усилитель и выводится на осциллограф.
Рассмотрим условия работы зондов Ленгмюра в лабораторном эксперименте. Плазменный генератор, используемый в экспериментах, инжектирует плазму с концентрацией 1014-1015 см" Средняя скорость потока V=20 км/с. Магнитное полеВ=10 Гс. Предполагаем, что основным ионом является ион углерода. Основные параметры плазмы представлены в таблице 2.3.
Измерение концентрации ионов проводилось при Vp= 15-20 В. В этом случае безразмерный потенциал (pp=eVp/kTe l, и зонды работали в режиме сбора ионного тока насыщения. Магнитное поле не должно влиять на ионную ветвь вольтамперной характеристики зонда, так как рі»гр и Qci/vei«l. Согласно данным работы [Sugawara, 1965] влиянием магнитного поля можно пренебречь уже при Qci/vei 0.5.
Данные таблицы 2.3 показывают, что в лабораторном эксперименте зонды работают в условиях бесстолкновительного режима (Kn= ie/rp 10) при ПІ=1014 см"3 и в условиях переходного режима (Кп=0.1- 10) при ПІ=1015 СМ"3. В обоих случаях Гр/го»1- Для расчета плотности ионов в условиях свободномолекулярного режима работы зондов можно использовать результаты Лафрамбуаза для одиночного зонда [Laframboise, 1966], который рассчитал безразмерный зондовый ток jj в широком диапазоне отношения е=1УТе и параметра г0=Гр/го. При этом предполагается максвелловское распределение скоростей. На основе расчетов Лафрамбуаза в работе Кайла [Kiel, 1968] была получена удобная аппроксимационная формула, позволяющая определить концентрацию ионов методом итераций. Отличие результатов расчета по формуле от данных Лафрамбуаза не превышает 1%. Расчет плотности по данным двойного зонда, имеющего смещение Vp можно проводить по формуле Кайла для одиночного зонда, имеющего смещение -Vp+Vf, где Vf 0 - плавающий потенциал [Peterson, 1970].
Направленная скорость потока может привести к существенному росту ионного тока, если она существенно больше тепловой скорости иона. Согласно данным [Алексеев, 1988] с погрешностью около 30% можно пользоваться цилиндрическим зондом, расположенным вдоль направления скорости потока при условии, что го 100. В лабораторных экспериментах мы устанавливаем зонды вдоль направления инжекции, так что далее будем пренебрегать влиянием скорости потока на зондовый ток.
В переходном режиме (Кп=0.1-ь10) расчет концентрации плазмы проводился по формуле, предложенной в работе [Горелов, 1985]
В космических экспериментах зонды Ленгмюра использовались для измерения концентрации ионов в плазменной струе и фоновой плазме, а так же для определения скорости распространения плазменного образования. В эксперименте NORTH STAR бортовой комплекс должен был обеспечить измерение концентрации ионов с динамическим диапазоном в 7 декад (lOVlO11 см"3) в полосе частот 0+50 кГц. Была принята двухканальная схема измерения. На измерительном модуле располагались два цилиндрических зонда Ленгмюра, каждый из которых работал в своем диапазоне концентраций. В качестве электрода первого зонда (гр=0.5 мм, 1р=30+50 мм) используется проволока из нержавеющей стали. Электродом второго зонда (гр=Зн-5 мм, 1Р= 100 мм) служит полая трубка, изготовленная также из нержавеющей стали. Каждый из электродов соединен с блоком электроники индивидуальным коаксиальным кабелем длиной 1.5 м. При концентрации ионов, превышающей рабочий диапазон толстого зонда, его электрод служил охранным кольцом для тонкого зонда. Такое конструктивное решение обеспечивает сбор ионов тонким зондом только из призондового слоя.
Датчики располагались на откидывающихся неметаллических штангах на передней плате модуля PDP и ETG-2. В рабочем положении зонды направлены вдоль оси модуля, и, следовательно, вдоль направления инжекции. При этом датчики располагаются на расстоянии 35 см от поверхности модуля.
В ракетном геофизическом эксперименте FLUXUS также использовались цилиндрические зонды Ленгмюра, предназначенные для измерения концентраций ионов в диапазоне 104-н1010 см"3 [Барышев, 1998]. Электроды датчиков длиной 1Р= 150 мм и радиусом гр=0.5-г5 мм были изготовлены из нержавеющей стали. Зонды размещались на откидывающихся штангах длиной 1 м и на передней плате головной части ракеты. В рабочем положении зонды располагались параллельно оси ракеты и предполагаемому направлению инжекции струи. Сигнал с датчиков передавался в блок электроники, сохранялся в запоминающем устройстве, и после инжекции передавался по телеметрии на Землю.
Рассмотрим условия работы зондов в фоновой плазме и в плазменной струе. В таблице 2.3 приведены основные параметры плазмы фона и струи. Предполагается, что основным ионом плазменной струи является ион алюминия. Скорость струи не превышает 40 км/с. Магнитное поле равно 0.5 Гс.
Диамагнитная полость
Рассмотрим картину распространения плазменной струи в лабораторном эксперименте поперек магнитного поля по данным высокоскоростной фоторегистрации (рис. 3.1-к3.2). На рис. 3.1 плазменный поток распространяется без магнитного поля. На рисунке 3.1(a) вектор скорости плазменного потока направлен на наблюдателя. Кадры идут слева направо. Длительность экспозиции каждого снимка составляет 1 мкс, промежуток времени между кадрами равен 1 мкс. Темный кружок по центру каждого снимка представляет собой маску, перекрывающую наиболее яркую часть струи для уменьшения перегрузки фотокатода электронно-оптического преобразователя фотокамеры. Светлые полоски, ограничивающие каждый снимок сверху и снизу, являются изображениями диэлектрических пластин, защищающих элементы конструкции магнитной системы от разрушения при контакте с плазменной струей. Расстояние между пластинами равно 22 см. Светлые полоски, расположенные ближе к центру струи, представляют собой измерительные штанги с магнитометрами и зондами Ленгмюра.
В отсутствие магнитного поля плазменный поток равномерно расширяется во все стороны. Максимальный диаметр струи достигает 18 см. Фотографии на рис.3.1(6) получены при съемке перпендикулярно вектору скорости струи. Здесь струя движется слева направо. Поле зрения фоторегистратора захватывает часть полупрозрачной насадки из диэлектрика, расположенной на выходе коаксиального инжектора. Фотокамера регистрирует свечение плазмы, движущейся в насадке, поэтому в левой части каждого снимка изображение струи имеет резкие границы вдоль направления инжекции. При выходе из насадки плазменный поток расширяется, при этом полный угол раствора не превышает 60. Максимальный размер струи вдоль магнитного поля достигает 15 см. Отметим, что струя довольно однородна.
На рис.3.2 плазменная струя распространяется поперек магнитного поля В=1 кГс, которое направлено вниз. Здесь наблюдается уменьшение размера струи поперек магнитного поля вплоть до 10 см (рис. 3.2(a)). При этом плазма вытягивается вдоль магнитного поля и на поздних временах (4-н8 кадр) достигает ограничительных пластин из диэлектрика. Отметим, что в экспериментах с магнитным полем максимальный поперечный размер струи достигается уже на 4- 5 мкс. Следовательно, можно предполагать, что к этому моменту времени на боковой поверхности плазменного сгустка устанавливается баланс магнитного и газокинетического давления. Вытягивание плазменного потока вдоль магнитного поля наблюдается также на фотографиях, полученных при съемке перпендикулярно вектору скорости струи (рис. 3.2(6)).
На рис. 3.3 показаны данные измерений магнитного поля и концентрации ионов в плазменной струе на расстоянии 60 мм от среза инжектора. Регистрируются два сгустка плазмы, что обусловлено периодической работой инжектора (Глава 2). Максимальная плотность ионов первого сгустка достигает величины 2-Ю15 см"3. Концентрация ионов во втором сгустке не превышает 8-Ю14 см"3. Магнитные датчики регистрируют существенное вытеснение магнитного поля (до 50%) и первым и вторым сгустком. Границы диамагнитной полости совпадают с областями максимальной плотности плазмы.Данные оптических наблюдений показывают, что в магнитном поле поперечный размер плазменного потока к 4- 5 мкс достигает предельного значения.
С увеличением расстояния от источника плотность плазменной струи уменьшается, и магнитное поле эффективно проникает в струю. На рис. 3.4 представлены данные измерений концентрации и магнитного поля на расстоянии 185 мм от среза сопла инжектора. Концентрация плазмы составляет 5-1013-И014 см"3. Средняя скорость первого сгустка на дистанции 125 мм достигает 25 км/с, второй сгусток движется со скоростью 12 км/с. Диамагнитный эффект не превышает 10%. Отметим, что второй сгусток движется в остаточной фоновой плазме первого сгустка. На сигналах зондов Ленгмюра хорошо видно, что перед фронтом второго сгустка плотность плазмы достигает величины п;=2-10 см" на расстоянии 60 мм от инжектора и nj=1013 см"3 на расстоянии 185 мм от инжектора.
Таким образом, на расстоянии 185 мм от инжектора регистрируется движение промагниченной плазменной струи поперек магнитного поля. В этой области проводились исследования динамики плазменного потока, генерирующего продольные токи, и измерялись параметры токовой цепи.
Эксперимент NORTH STAR (Инжешия-1)
Рассмотрим вытеснение геомагнитного поля при инжекции плазменного потока поперек геомагнитного поля по данным геофизического эксперимента NORTH STAR (Инжекция-1). Уникальная схема этого эксперимента позволила провести измерения диамагнитной полости в трех точках на пути распространения инжектированной плазмы с применением широкого спектра средств плазменной диагностики.
В начальный момент инжекции был зарегистрирован резкий пик тока на зонды Ленгмюра, обусловленный вспышкой ультрафиолетового излучения. В дальнейшем начальный пик зондового сигнала принимался за время срабатывания плазменного генератора, и отсчет времени для всех сигналов измерительных датчиков проводился от этой метки.
Плазменный поток по данным зондов Ленгмюра
Результаты измерения концентрации плазмы на расстояниях 170 м, 468 м и 1020 м от плазменного генератора представлены на рис. 3.5. Плотность фоновой плазмы до инжекции составила 7-10 см"3. Значительный рост концентрации плазмы на расстоянии 170 м от источника струи регистрируется через 4 мс после детонации взрывного генератора, что соответствует скорости прихода плазмы 42 км/с (рис. 3.5, верхняя панель). Это значение скорости согласуется с данными измерений в наземных испытаниях плазменного генератора. На фронте отмечены высокочастотные колебания зондового тока. Максимум плотности плазмы 3-10 см" достигается на 7мс.
Резкое увеличение концентрации плазмы на расстоянии 468 м от плазменного генератора зарегистрировано на 13.7 мс, что соответствует средней скорости 34 км/с (рис. 3.5, средняя панель). На фронте (11- 14 мс) наблюдаются высокочастотные колебания зондового тока. Максимум плотности 3-109см"3 зарегистрирован на 17.7 мс. Характерный масштаб неоднородности плотности плазмы на фронте струи равен 1,п=\81пп;/дх\ 1=15 м. Далее плотность плазмы слегка уменьшается, и на 29 мс регистрируется второй пик п;=109 см"3. Далее концентрация ионов постепенно уменьшается. Измерения п, на расстоянии 468 м от плазменного генератора проводились также сферическим зондом Ленгмюра, установленным GSFC NASA. В пределах ошибки измерений результаты согласуются с данными цилиндрических зондов.
Фронт плазменного сгустка на расстоянии 1020 м от плазменного генератора регистрируется на 50.9 мс, что соответствует средней скорости 20 км/с (рис. 3.5, нижняя панель). Максимум плотности ПІ=4-Ю8 СМ"3 достигается на 57.3 мс. Плотная плазма с концентрацией п; 106см"3 наблюдается в течение 400 мс.
Магнитное поле
Рассмотрим результаты измерения магнитного поля в эксперименте NORTH STAR (Инжекция-1). На расстоянии 170 м от взрывного генератора зарегистрирована только вариация Y-компоненты магнитного поля, которая была практически перпендикулярна направлению невозмущенного магнитного поля в момент инжекции. На рис. 3.5 (верхняя панель) представлены данные измерения 8ВУ в сравнении с результатами измерения концентрации ионов. Практически сразу после начала инжекции наблюдается плавное увеличение магнитного поля, обусловленное распространением в фоновой плазме магнитозвукового возмущения, движущегося с альфвеновской скоростью (VA«10 км/с) перед фронтом плазменного потока. Максимальное поджатие магнитного поля более чем на 18% достигается на 4.8 мс на переднем фронте диамагнитной каверны. Далее магнитное поле резко уменьшается. Длительность фронта диамагнитной полости не превышает 0.15 мс, а скорость фронта равна 35 км/с. В этом случае толщина фронта равна 5 м. Это значение близко к толщине слоя Чепмена-Феррарорь=3.2 м.
Торможение плазменного потока, генерирующего продольные токи
Генерация продольных токов приводит к диссипации кинетической энергии плазменного потока, распространяющегося поперек магнитного поля. В этом разделе представлены данные по торможению плазменной струи, полученные в лабораторном эксперименте на стенде ФАКЕЛ и в ракетном геофизическом эксперименте NORTH STAR (Инжекция-2).
На рис. 3.17 показаны фотографии струи, полученные в лабораторном эксперименте, когда продольные токи замыкались на медных пластинах. Съемка проводилась сбоку, в направлении перпендикулярно вектору скорости струи и магнитного поля. На правой части кадров хорошо видно вытягивание плазмы вдоль магнитного поля. В этой области плазма практически полностью промагничена, и именно здесь возбуждаются продольные токи, замыкающиеся на медных пластинах, расположенных сверху и снизу от струи. Возникающая сила Ампера приводит к торможению потока и захвату плазмы магнитным полем. В результате плазма быстрее уходит вдоль магнитного поля, чем в случае движения струи без возбуждения токов (рис.3.2).
На рис. 3.18 показана экспериментальная зависимость 8V от Р. Для сравнения показана расчетная кривая, построенная по уравнению движения. Данные рисунка показывают, что генерация продольных токов приводит к торможению плазменного потока. Однако уменьшение скорости плазмы оказалось заметно ниже, чем ожидалось по данным оценок. Мы полагаем, что это связано с наличием нейтралов, движущихся вместе с плазменной струей. В общем случае торможение струи в лабораторном эксперименте может также определяться эффектом сгребания фонового газа (эффект снежного плуга) [Гаврилов, 1994 б]. Эксперименты проводились при давлении 0.05 Па в вакуумной камере, что соответствует концентрации фоновых частиц 1013 см"3. Максимальная масса фонового газа, которая может увлечься в движение в плазменном потоке, не превышает 3-Ю3 мг. Плазменная струя массой 0.13 мг практически не будет тормозиться фоновым газом. Следовательно, эффект снежного плуга можно не учитывать.
Эксперимент NORTH STAR (Инжекция-2). Результаты ракетного эксперимента NORTH STAR (Инжекция-2) позволяют нам рассмотреть эффект торможения плазменного потока, распространяющегося поперек геомагнитного поля в ионосфере на высоте 280 км и генерирующего продольные токи. В начальный момент инжекции был зарегистрирован резкий пик тока на зонды Ленгмюра, обусловленный вспышкой ультрафиолетового излучения. В дальнейшем этот пик зондового тока принимался за время срабатывания плазменного генератора, и отсчет времени для всех сигналов датчиков проводился от этой метки.
Плазменный поток по данным зондов Ленгмюра. Результат измерений концентрации ионов на расстоянии 537 м от плазменного генератора представлен на рис. 3.19(1). Концентрация фоновой плазмы до инжекции составила 2-Ю5 см"3. Плавный рост зондового тока от фонового значения начинается с 10 мс. Не исключено, что этот сигнал обусловлен фотоэлектронным током эмиссии с поверхности зонда, возрастающим при приближении источника излучения, движущегося со скоростью потока. На 15.8 мс появляется резкий фронт зондового тока, что соответствует средней скорости 34 км/с. На фронте наблюдаются локальные максимумы концентрации ионов. Характерный масштаб неоднородности плотности плазмы на фронте струи равен Ln= \д1пщ1дх\л=2Ъ м. Пиковое значение П;=4-107см"3 регистрируется на 19.7 мс. Скорость максимума плотности плазмы равна 27 км/с. За фронтом величина п; постепенно уменьшается до фонового значения. Измерения п; на расстоянии 537 м от плазменного генератора проводились также сферическим зондом Ленгмюра, установленным GSFC NASA. В пределах ошибки измерений результаты согласуются с данными цилиндрических зондов.
Отметим, что скорости плазменного потока в Инжекции-1 и Инжекции-2 на дистанции 500 м оказались равны, несмотря на то, что концентрация плазмы в Инжекции-2 на два порядка ниже.
Данные измерений п; зондом Ленгмюра, расположенном на расстоянии 1595 м от плазменного генератора, представлены на рис. 3.20 (1). Плавный рост зондового тока начинается на 32.4 мс. Максимальная концентрация п;=1.5-10 см регистрируется на 60 мс, что соответствует скорости 26 км/с. Далее наблюдается постепенное уменьшение концентрации ионов вплоть до фонового значения. Длительность регистрации инжектированной плазмы достигает 400 мс.
В Инжекции-2 масса плазменной струи на единицу поперечного сечения, определенная на расстоянии 537 м от генератора, оказалась на порядок ниже, чем значение nis на расстоянии 468 м от генератора в Инжекции-1. Будем считать, что в этих экспериментах плазменные генераторы работали одинаково. Скорости струи на расстоянии 500 м в инжекциях практически равны. В этом случае уменьшение массы плазмы ms во втором эксперименте может быть связано с тем, что Инжекция-2 проводилась в фоновой ионосфере, а не в более плотном воздушном облаке.
Данные зондов Ленгмюра позволяют оценить массу и кинетическую энергию плазменного потока. Согласно данным наземных испытаний плазменных генераторов, струя распространяется в угле 30 [Киселев, 1998; Erlandson, 2002]. Будем считать, что на расстоянии 537 м от источника плазмы характерный поперечный размер струи не превышает диаметра основания конуса с углом при вершине 30. В этом случае полная масса плазменной струи равна Mms(t)7iD /4=0.05 г. Магнитное поле
Данные измерений магнитного поля показывают, что в Инжекции-2 плазменная струя практически полностью промагничена. На рис. 3.19(2) показано относительное изменение магнитного поля в плазменной струе на расстоянии 537 м от плазменного генератора. Практически сразу после начала инжекции регистрируется плавный рост магнитного поля, связанный с распространением с альфвеновской скоростью магнитозвукового возмущения в фоновой плазме. Максимальное поджатие магнитного поля достигает 0.5% на 17 мс, что соответствует средней скорости 32 км/с на дистанции 537 м. Эта величина практически равна скорости плазменной струи по данным зонда Ленгмюра. За поджатием на фронте следует небольшое ослабление магнитного поля в струе (слабый диамагнитный эффект). С 32 мс величина магнитного поля постепенно восстанавливается.
Отметим, что причиной уменьшения магнитного поля может быть не только собственный диамагнетизм плазмы струи. В Инжекции-2 промагниченный плазменный сгусток с (3«1 движется поперек магнитного поля в фоновой плазме. Очевидно, что если скорость вещества в струе уменьшается с удалением от переднего фронта, то по мере движения сгусток будет растягиваться в направлении вектора скорости. Если магнитное поле вморожено в струю (Rem : l), то со временем появляется слабый диамагнитный эффект. При этом степень ослабления магнитного поля уменьшается по мере прихода более медленной плазмы.
