Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Исследованию нелинейного взаимодействия сильного электромагнитного поля свистового диапазона частот оуш < ю < (Оин (l# и <х>ин - частоты нижнегибридного и верхнегибридного резонансов соответственно) с магнитоактивной плазмой уделяется большое внимание [1 -3 ]. При определенных условиях такие взаимодействия могут привести к образованию вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменно-волноводных каналов (дактов плотности) с повышенной или пониженной плотностью плазмы [4*,5*]. Поддерживаемые такими структурами свистовые волны (вистлеры) играют важную роль во многих фундаментальных физических процессах в ионосфере и магнитосфере Земли. Вызывают интерес работы, использующие такие структуры в ряде приложений, включающих, в частности, активную волновую диагностику околоземного пространства [6*-8*], создание высокочастотных источников плотной низкотемпературной плазмы [9*-11*], устройств для генерации тока и нагрева плазмы в токамаках [12*, 13*], устройств для формирования активных плазменных антенн в ионосфере Земли [14*,15*]. Поэтому исследования электродинамики плазменных волноводов в магнитном поле являются актуальной задачей (см. обзоры [16*-18*]). Важно, что экспериментальные исследования дополнялись соответствующими теоретическими моделями, поясняющими физику наблюдаемых явлений.
Общепринятым является представление плазменно-волноводного канала в виде однородного кругового цилиндра [16*, 17*], либо однородной цилиндрической трубки [18*], что существенно упрощает определение дисперсионных характеристик таких волноводов и структуры полей их собственных мод. Однако у реальных дактов плотности всегда размыты боковые стенки и часто имеются фоновые оболочки [3]. В неоднородной области волновода возможно появление резонансных поверхностей, в окрестности которых диагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости близки к нулю, наблюдаются максимумы в распределении амплитуды волновых полей [1*] и сравнительно велико поглощение. Учет распределения плазмы в переходной области принципиально необходим для правильного определения структуры полей собственных мод неоднородных волноводов, их дисперсионных характеристик и масштабов затухания поля.
Цели диссертационной работы
Указанные выше обстоятельства позволяют сформулировать следующие
цели диссертационной работы:
1. Лабораторное исследование самофокусировки и каналирования плазменных волн в свистовом диапазоне частот в магнитоактивной плазме. Опре-
деление основных физических закономерностей многопучкового самока-налирования плазменных волн и построение теоретической модели, описывающей экспериментальные результаты.
Лабораторное исследование самоканалирования волн в свистовом диапазоне частот в условиях ионизационной нелинейности при наличии фоновой плазменной оболочки. Построение теоретической модели неоднородного волновода в плазменной оболочке.
Теоретическое исследование влияния неоднородности плазмы на дисперсионные свойства и структуру полей осесимметричных собственных мод, направляемых плазменными каналами, расположенными в свободном пространстве.
Теоретическое обоснование самосжатия геликонного разряда в нарастающем продольном магнитном поле.
Научная новизна
Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:
Экспериментально обнаружены стационарные многосолитонные плазмен-но-волновые структуры ВЧ разряда в продольном магнитном поле. Разработана математическая модель, позволяющая объяснить и исследовать особенности многопучкового самоканалирования квазипотенциальных (плазменных) волн в условиях ионизационной нелинейности.
Экспериментально показана возможность ионизационного самоканалирования волновых мод свистового диапазона частот в фоновой плазме. Установлено, что образующаяся плазменная неоднородность локализует излучение короткого ВЧ источника внутри разрядного канала, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля. Построена численная модель неоднородного волновода в плазменной оболочке, объясняющая особенности наблюдаемого явления.
Исследовано влияние неоднородности плазменно-волноводного канала на дисперсионные свойства и структуру полей волн свистового диапазона частот, направляемых плазменными каналами в магнитоактивнои плазме.
Научная и практическая ценность результатов работы
В научном плане результаты, полученные в работе, дают основу для более глубокого понимания особенностей динамики нелинейного взаимодействия мощного электромагнитного излучения с магнитоактивнои плазмой, условий и механизмов формирования вытянутых вдоль магнитного поля неоднородностей - дактов плотности. Полученные результаты могут быть использованы для объяснения результатов лабораторных и ионосферных экспериментов по возбуждению и распространению свистовых волн при наличии замагниченных неоднородных плазменных каналов.
Теоретический анализ дисперсионных кривых, полученных с учетом неоднородности концентрации плазмы, позволил определить диагностические признаки, наиболее легко регистрируемые в эксперименте, что позволяет их использовать для диагностики плазмы.
Результаты диссертации могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: ИКИ РАН, ИПФ РАН, ИЗМИР АН, НИРФИ.
Публикации и апробация результатов
Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях «XV International Conference on Phenomena in Ionized Gases» (Минск, 1981), 3-ей Международной научной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (Казань. 2005), IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Болдино, 2005).
Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях международных и российских научных журналах из списка ВАК [1-4], 3 работах в трудах международных и российских конференций [5-7], 1 тезисах докладов научных конференций [8], авторское свидетельство [9].
Результаты проведенных исследований использовались при выполнении проектов РФФИ (№ 04~02~16506-а, № 07-02-00436-а), программ «Ведущие научные школы» (№ НШ--1637.2003.2, №НШ-6043.2006.2), «Университеты России» (проект № УР. 01.01.176), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»(Государственный контракт №П1072), Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы », а также для объяснения результатов натурного ионосферного эксперимента «Активный шнур».
Личный вклад автора
Все эксперименты по лабораторному исследованию динамики нелинейных процессов в плазме, представленные в диссертации, были выполнены при непосредственном участии автора. Личный вклад его в этом направлении являлся определяющим при проведении численных расчетов и построении теоретических моделей наблюдаемых явлений.
Основные положения, выносимые на защиту
1. В однородном продольном магнитном поле самофокусировка ионизирующего излучения приводит к совместному каналированию квазиэлектростатического поля и плазмы, в результате чего возможно формирование стационарных многосолитонных плазменно-волновых структур ВЧ разряда, изолированных от стенок камеры и вытянутых вдоль внешнего магнитного поля.
В результате ионизационного каналирования волновых мод свистового диапазона частот в фоновой плазме образуется плазменная неоднородность, локализующая излучение ВЧ источника малых электрических размеров внутри дакта, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля.
Учет поперечной неоднородности дакта с повышенной плотностью приводит к существенным изменениям дисперсионных характеристик и структуры полей направляемых им собственных волн. Структура формируемых каналов и дисперсионные свойства направляемых волн определяются величиной неоднородности дакта и соотношениями между плазменной частотой электронов на оси и границе дакта и гирочастотой электронов.
При формировании дактов в нарастающем продольном магнитном поле наблюдается самосжатие разряда и увеличение концентрации плазмы на его оси.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 47 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 126 наименований.
