Введение к работе
Актуальность работы
Интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов генерации электромагнитного излучения плазмой, удерживаемой в магнитных ловушках, в результате взаимодействия волн и частиц в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) связан, с одной стороны, с определяющей ролью, которую эти процессы играют в образовании электромагнитного излучения Земли и планет, формировании их радиационных поясов, а с другой стороны - с целым рядом возможных практических приложений такой плазмы.
Активные исследования электромагнитного излучения, генерируемого в магнитосфере Земли [1] и планет-гигантов [2], привели к созданию концепции циклотронных мазеров [3-6]. Наиболее изученный тип циклотронных мазеров, свистовые (электронные) и альфвеновские (ионные) мазеры, реализуется в магнитных силовых трубках ловушечной конфигурации, заполненных плотной холодной плазмой с малой добавкой энергичных частиц с анизотропной функцией распределения [4]. Например, во внутренней магнитосфере Земли в таких системах в результате развития электронно-циклотронных неустойчивостей возможна генерация волн свистового диапазона частот: крайне-низкочастотного излучения (КНЧ) в диапазоне от 3 Гц до 3 кГц и очень-низкочастотного излучения (ОНЧ) в диапазоне от 3 до 30 кГц [7]. В магнитосфере Земли наблюдается большое разнообразие типов КНЧ-ОНЧ излучений. Хорошо известны квазипериодические КНЧ излучения QP-1 и QP-2 с периодом 10-150 с [3] и хоровые КНЧ излучения с характерными периодами 0.1-1 с [4]. Появляется все больше работ, в которых обсуждаются новые экспериментальные данные по исследованию различных типов импульсных квазипериодических излучений с околоземных спутников [8, 9]. В этих работах большое внимание уделяется объяснению, как временных особенностей регистрируемого излучения, так и анализу его частотного спектра. Успешный анализ тонкой структуры спектров КНЧ-ОНЧ излучения на основе теории циклотронных мазеров [3, 10] позволяет диагностировать недоступные для прямого измерения глобальные свойства магнитосфер-ной плазмы [11]: степень анизотропии функции распределения захваченных частиц, концентрацию фоновой плазмы, мощность источника энергичных частиц, время жизни энергичных частиц в магнитной ловушке, резким питч-угловой диффузии при конкретных геофизических условиях, частотную зависимость добротности магнитосферного резонатора и некоторые другие.
Другой тип циклотронных неустойчивостей реализуется в достаточно разреженной плазме при плотности энергичной компоненты сравнимой или превышающей плотность холодных электронов [5]. Именно в таких условиях генерируются всплески аврорального километрового радиоизлучения (АКР) Земли в диапазоне частот от 50 до 600 кГц, которое является самым мощным естественным нетепловым излучением магнитосферы планеты [12, 13]. Предложенная в [14] электронно-циклотронная мазерная неустойчивость в настоящее время является общепризнанным механизмом, позволившим с единых позиций объяснить природу и основные свойства АКР, а также генерацию аврорального радиоизлучения в магнитосферах Юпитера [15-17], Сатурна [18, 19], Урана [20, 21] и Нептуна [22]. С функционированием данного типа циклотронного мазера связывают происхождение солнечных радио всплесков [23] и некоторых типов всплесков излучения звезд [24-26].
За последнее время теоретические и экспериментальные (спутниковые) исследования позволили, используя механизм циклотронной мазер-ной неустойчивости, объяснить многие свойства АКР, такие как: генерацию излучения в областях пониженной плотности на локальной гироча-стоте электронов, высокую интенсивность излучения и ее связь с магни-тосферными суббурями, поляризацию излучения. Однако, несмотря на значительные успехи теории, все еще остаются открытыми вопросы как количественного, так и качественного характера в понимании свойств электромагнитного излучения в космических циклотронных мазерах и его взаимосвязи с глобальными процессами в магнитосфере Земли. Одним из актуальных вопросов в изучении АКР является проблема понимания природы и уточнения свойств тонкой структуры в спектре излучения [27].
Среди возможных практических приложений плазмы удерживаемой в магнитных ловушках отметим, прежде всего, разработку энергетических установок на основе термоядерного синтеза, в которых для нагрева плазмы и формировании тока увлечения используют методы электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы. В последнее время наблюдается быстрое развитие плазменных технологий современной микроэлектроники, связанных с использованием неравновесной плазмы разряда, поддерживаемого в магнитных ловушках мощным электромагнитным излучением в условиях ЭЦР, для обработки и модификации поверхностей полупроводниковых материалов [28], ионно-лучевой эпитаксии [29] и имплантации [30, 31], проекционной литографии высокого разрешения [32] и т.д. Широко используются такие разряды и в научных исследованиях, например, для создания источников интенсивных пучков многозарядных
ионов для ускорителей тяжелых частиц [33], для разработки интенсивных источников электромагнитного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Во всех этих приложениях неустойчивости плазмы (в том числе и циклотронные) негативно влияют на работу плазменных установок. Например, в недавней работе [34] показано, что развитие электронно-циклотронной неустойчивости в плазме ЭЦР источника многозарядных ионов приводит к уменьшению заряда и тока экстрагируемых ионов.
Таким образом, можно утверждать, что исследование механизмов циклотронных неустойчивостей магнитоактивной плазмы является важной и актуальной задачей, имеющей как фундаментальное, так и практическое значение.
Как уже отмечалось, экспериментальные исследования циклотронных неустойчивостей плазмы проводились как в природных магнитных ловушках - в магнитосфере Земли и планет, так и в лабораторных условиях. Причем, несмотря на различия в масштабах и параметрах плазмы эти исследования дополняют друг друга, поскольку физические механизмы, определяющие развитие неустойчивостей, похожи. Отметим, что натурные эксперименты, прежде всего спутниковые измерения, подвержены существенным ограничениям в силу локального характера измерений и сложности разделения пространственных и временных зависимостей, особенно существенных для нестационарных процессов. В связи с этим, особую актуальность приобретает моделирование подобных процессов и механизмов вспышечной активности плазмы в лабораторных магнитных ловушках. Ценность лабораторного моделирования обусловлена тем, что, во-первых, в лаборатории есть возможность управлять параметрами плазмы, а во-вторых, обеспечить многократную повторяемость результатов.
Первые исследования по изучению электронно-циклотронных неустой чивостей неравновесной плазмы в лабораторных открытых магнитных ловушках были проведены в [35-37], объяснения которых даны в [38, 39]. В настоящее время активно ведутся работы по лабораторному моделированию процессов, протекающих в магнитосфере Земли, планет и солнечных корональных петель. Можно отметить успехи научных групп, занимающихся исследованием образования токовых структур в магнитосфере Земли при обтекании ее потоками солнечного ветра [40-42], проводящих лабораторное моделирование нестационарной динамики токовых слоев и генерации радиовсплесков [43, 44], моделирующих процессы в ионосферно-магнитосферных дактах плотности [45]. Уже более десяти лет ведутся активные эксперименты по лабораторному моделированию явлений, протекающих во внутренней магнитосфере Земли [46-48].
Наиболее близкими к данной работе являются исследования по целенаправленному моделированию аврорального излучения [49]. В используемом подходе моноэнергетический пучок электронов распространяется в увеличивающемся аксиально-симметричном магнитном поле, тем самым создается "подковообразная" функция распределения электронов по скоростям [50]. В результате возникает генерация импульсов микроволнового излучения, которую авторы отождествляют с процессом генерации аврорального излучения потоками энергичных электронов. Отметим, что в новой работе этих авторов [51] электронный пучок распространяется в фоновой плазме, которая создается с помощью разряда Пеннинга.
Фоновая плазма играет важную, порой даже определяющую, роль в процессе развития циклотронных неустойчивостей. В частности, для циклотронных неустойчивостей волн свистового диапазона частот фоновая плазма определяет дисперсионные характеристики волн, а ее границы могут служить зеркалами плазменного резонатора [3]. В случае разреженной плазмы фоновая плазма по-прежнему определяет дисперсию волн, а также потери энергии волн и, следовательно, порог возбуждения и динамические режимы неустойчивости [52-54].
Представленная диссертационная работа посвящена исследованию резонансного взаимодействия электромагнитных волн и частиц в сильнонеравновесной плазме ЭЦР разряда на начальной его стадии и в распадающейся плазме, когда плотности горячей и холодной компоненты сравнимы. Основное внимание в диссертационной работе уделено изучению импульсных процессов циклотронной неустойчивости. Данная работа является продолжением исследований, результаты которых опубликованы в [52, 53, 55]. В этих работах использовался импульсный разряд, поддерживаемый в открытой магнитной ловушке в условиях электронно-циклотронного резонанса. Впервые одиночные всплески тока электронов и электромагнитное излучение в распадающейся плазме были зарегистрированы в [36]. Квазипериодические всплески импульсных высыпаний электронов на стадии распада плазмы впервые были обнаружены в работе [53]. Они были проинтерпретированы как результат резонансного взаимодействия энергичных электронов с необыкновенной волной, распространяющейся в разреженной плазме поперек магнитного поля. Механизм генерации последовательностей импульсных высыпаний частиц на нелинейной стадии развития неустойчивости удалось объяснить, рассмотрев новый режим работы циклотронного мазера, в котором превышение порога неустойчивости происходит за счет характерного для распада плазмы быстрого уменьшения потерь электромагнитной энергии [52]. Однако исчерпывающие исследования электромагнитной активности плазмы, в
частности измерения спектрального состава и абсолютной интенсивности электромагнитных вспышек плазмы, проведены не были. Именно этим вопросам посвящена данная работа.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование импульсных режимов электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной разреженной плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого в открытых магнитных ловушках мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн, включая
-
исследование пространственно-временных и спектральных характеристик собственного электромагнитного излучения разреженной плазмы, сопровождающего развитие электронно-циклотронных неустойчивостей на начальной стадии его развития и после окончания действия импульса поддерживающего разряд микроволнового излучения:
-
определение энергетических характеристик вспышечной активности плазмы на основании измерений абсолютного значения интенсивности электромагнитного излучения и плотности энергии, выносимой из ловушки потоком энергичных электронов:
-
разработку теоретических моделей импульсных режимов развития электронно-циклотронных неустойчивостей плазмы на основе балансных уравнений для концентрации частиц и плотности энергии электромагнитного излучения.
Научная новизна
-
Впервые проведены экспериментальные исследования абсолютной интенсивности, спектрального состава и временных характеристик собственного электромагнитного излучения неравновесной разреженной плазмы в магнитной ловушке.
-
На начальной стадии ЭЦР разряда при постоянно действующей накачке энергии в горячую анизотропную фракцию электронов впервые исследованы электронно-циклотронные неустойчивости плазмы, обнаружены два качественно различных режима генерации: квазипериодические вспышки широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой и режим квазинепрерывной генерации излучения с широким (до 20% от центральной частоты) спектром.
-
Предложена теоретическая модель, учитывающая когерентное взаимодействие двух волн, распространяющихся навстречу друг другу, в нелинейном режиме, которая позволяет воспроизводить различные временные характеристики вспышек электромагнитного излучения и высыпающихся энергичных электронов.
-
Исследованы энергетические характеристики импульсного режима
электронно-циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда, измерены абсолютные значения энергии электромагнитного излучения плазмы и поток энергии выносимой энергичными электронами, показано, что энергичные электроны, вылетающие из плазмы, выносят до 65%, а излучение выносит около 1% энергии, запасенной в энергичных компоненте плазмы.
Практическая значимость
Исследования циклотронных неустойчивостей неравновесной плазмы проводятся также применительно к установкам по созданию управляемого термоядерного синтеза с целью улучшения параметров удержания плазмы и увеличения эффективности ее нагрева. В частности, ионно-циклотронное излучение дейтерий-тритиевой плазмы в токамаках имеет много общего с аналогичными процессами в описанных ранее космических циклотронных мазерах [56, 57]. В последнее время исследуется влияние ионно-циклотронных неустойчивостей при инжекции пучков нейтральных атомов в стеллараторах [58].
Необходимо также отметить интенсивные, в последние несколько лет, исследования влияния электронно-циклотронных неустойчивостей на качество пучков многозарядных ионов в источниках на основе ЭЦР нагрева, которые имеют большое количество приложений, например, в медицине [59] и физике высоких энергий [60, 61]. Так, в [34, 62] периодическое падение тока экстрагируемых из плазмы многозарядных ионов, сопровождающееся мощными всплесками тормозного рентгеновского излучения, удалось связать именно с развитием электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной разреженной плазмы.
Одной из интересных особенностей нагрева электронов микроволновым излучением в открытых магнитных ловушках в условиях ЭЦР является возможность получения электронов с релятивистскими и даже ультрарелятивистскими энергиями [37, 63-66]. В данной работе обсуждаются собственные неустойчивости такой плазмы и экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании более эффективного механизма потерь энергичных электронов на начальном этапе возникновения ЭЦР разряда, связанного с рассеянием электронов в конус потерь, но не за счет взаимодействия с волной накачки, а за счет развития собственных циклотронных неустойчивостей сильнонеравновесной плазмы. Таким образом, обсуждается новый механизм потерь энергичных электронов, который может играть важную роль и в лабораторных, и в космических магнитных ловушках.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Генерация импульсов электромагнитного излучения и синхронные с ними выбросы энергичных электронов в неравновесной разреженной
плазме, удерживаемой в магнитной ловушке, вызвана возникновением электронно-циклотронной неустойчивости быстрой необыкновенной волны, распространяющейся поперек магнитного поля ловушки.
-
Переход от генерации квазипериодических вспышек широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой к режиму квазинепрерывной генерации излучения с широким (до 20% от центральной частоты) спектром на начальной стадии ЭЦР разряда при постоянно действующей накачке энергии в горячую анизотропную фракцию электронов обусловлен плавным увеличением потерь быстрой необыкновенной волны с ростом концентрации плазмы.
-
Обнаруженные в экспериментах сложные временные структуры стимулированного электромагнитного излучения плазмы ЭЦР разряда - квазипериодические последовательности импульсов, последовательности парных импульсов, случайное следование импульсов - объясняются в рамках теоретической модели, учитывающей когерентного взаимодействия двух волн распространяющихся навстречу друг другу в нелинейном режиме.
-
Высыпания электронов из-за циклотронной неустойчивости разреженной плазмы обеспечивают быструю (по сравнению с потерями за счет кулоновских столкновений) релаксацию запасенной в горячей компоненте плазмы энергии. Энергичные электроны, вылетающие из плазмы, выносят до 65%, а электромагнитное циклотронное излучение около 1% энергии, запасенной в энергичной компоненте плазмы.
Достоверность
Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого служит хорошее качественное и количественное совпадение расчетов и экспериментально полученных различными методами результатов. Экспериментальные исследования проводились как с использованием апробированных методик, так и оригинальными методами, частично дублирующими друг друга. В исследованиях применялись надежные и хорошо апробированные методы численного расчета, позволяющие производить проверку правильности их работы на хорошо известных моделях. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих мировых и российских журналах, докладывались на российских и международных конференциях, обсуждались на семинарах ИПФ РАН.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, XIV и XV Конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН, а также на 13
международных и российских научных конференциях (в том числе лично автором - на 9): 12th International Workshop on the Interrelationship between Plasma Experiments in Laboratory and Space (Hakuba, Japan, 2013), European Planetary Science Congress (London, United Kingdom, 2013), 40th European Physical Society Conference on Plasma Physics (Espoo, Finland, 2013), 22nd International Crimean Conference "Microwave and Telecommunication Technology" (Sevastopol, Ukraine, 2012), International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Ukraine, 2012), 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications" (Нижний Новгород, 2011), VI, VII и VIII конференциях "Физика плазмы в солнечной системе" (Москва, 2011, 2012, 2013), XVI Научной школе "Нелинейные волны - 2012" (Нижний Новгород, 2012), Международной байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Физические процессы в космосе и околоземной среде" (Иркутск, 2011), 16-й и 17-й Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2011, 2012).
Проведенные исследования были поддержаны стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики в 2013-2015 гг., грантами для целевых аспирантов ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (Рос. контракт 14.740.11.1333, Гос. соглашение 14.132.21.1438), грантом для аспирантов и молодых ученых без степени Фонда некоммерческих программ "Династия" в 2013 г., стипендией Правительства Нижегородской области им. академика Г.А. Разуваева в 2011 г., отмечены дипломами I степени на 16-й Нижегородской сессии молодых ученых и XII Конференции молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом" (Иркутск, 2011), поощрительным дипломом XV Конкурса работ молодых ученых ИПФ РАН.
Результаты исследований также использовались при выполнении работ по грантам РФФИ (09-02-00822 а, 10-02-00441 а, 10-02-00646а, 12-02-31206мол_а, 13-02-00951 а), по гранту Президента РФ МК-7563.2010.2.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах [А1-А5], 8 статей в сборниках трудов конференций и 7 тезисов докладов.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задач и определении направле-
ний исследований. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все результаты оригинальных исследований, представленные в главах 1-3, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором проведена обработка и физическая интерпретация всех представленных в работе экспериментальных измерений, а также их сопоставление с теоретическими результатами.
Структура и объем диссертации
