Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Несмотря на более чем полувековую историю, исследования взаимодействия электромагнитных волн и частиц в магнитоактивной плазме в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) остаются актуальными и в настоящее время. Одним из наиболее интересных проявлений ЭЦР является генерация вспышек электромагнитного излучения, связанных с развитием циклотронных неустойчивостей магнитоактивной плазмы, удерживаемой в различного рода магнитных ловушках, и сопровождающихся высыпанием частиц из ловушки. Подобные явления наблюдаются в широком диапазоне параметров плазмы в самых разнообразных условиях: в магнитосферах Земли и планет [1,2], в солнечных корональных петлях [3], в лабораторных магнитных ловушках [4-6] вплоть до крупномасштабных высокотемпературных тороидальных систем, используемых в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу [7]. Высыпания энергичных частиц, связанные с циклотронной неустойчивостью, во многом определяют динамику плазмы в лабораторных и космических магнитных ловушках. Кроме того, указанная неустойчивость обусловливает генерацию электромагнитного излучения, которое представляет и самостоятельный интерес как важный компонент электромагнитной обстановки в естественных условиях (в частности, в магнитосфере Земли).
В лабораторных экспериментах по ЭЦР нагреву исследования циклотронной неустойчивости интересны, прежде всего, с точки зрения того влияния, которое она оказывает на функцию распределения электронов, а также на динамику энергообмена между холодной и горячей компонентами плазмы. Эти исследования особенно актуальны в связи с созданием ЭЦР источников многозарядных ионов, в которых использование гиротронов для поддержания разряда позволяет существенно увеличить «энергетику» запасаемых в ловушке неравновесных частиц [8].
В данной работе объект исследований - плазма ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, создаваемая и поддерживаемая мощным миллиметровым излучением гиротрона. Нагрев в условиях ЭЦР позволяет создавать двухкомпонентную плазму с уникальными параметрами, содержащую плотную холодную компоненту с изотропным распределением по скоростям, и менее плотную компоненту «горячих» электронов с анизотропной функцией распределения [9]. Это дает возможность исследовать процессы резонансного взаимодействия волн и частиц в лабораторных условиях. Особенностью исследований является использование мощного СВЧ излучения для создания и нагрева плазмы, что позволяет исследовать процессы при больших концентрациях (~ю13 -1014см"3) и больших удельных энерговкладах (~і_ю кВтсм"3)- В обсуждаемых в диссерта-
ции экспериментах, циклотронная неустойчивость исследуется при квазигазодинамическом режиме удержания, характеризующимся небольшим временем жизни, не зависящим от концентрации плазмы. Такой режим был продемонстрирован в ряде работ и является наиболее эффективным при создании сильноточных источников многозарядных ионов [10].
Цель работы
Целью диссертационной работы является исследование вспышечных процессов, связанных с развитием циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке во время и после окончания действия ЭЦР нагрева. В плотной плазме, поддерживаемой мощным излучением гиротрона, исследовалась циклотронная неустойчивость, связанная с возбуждением электромагнитных волн с направлением распространения близким к оси ловушки. В разреженной плазме, распадающейся после выключения нагрева, исследовалась циклотронная неустойчивость волн, распространяющихся поперек магнитного поля.
Научная новизна
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами. В плотной плазме, исследована вспышечная активность плазмы, реализующаяся на развитой стадии ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке. Во время действия ЭЦР нагрева обнаружены и исследованы нестационарные режимы высыпаний энергичных электронов из ловушки, сопровождающиеся всплесками импульсного СВЧ излучения на частотах ниже электронной гирочастоты, распространяющегося в направлениях, близких к направлению оси системы. В эксперименте обнаружено неоднородное пространственное распределение электронных высыпаний, связанное с модовой структурой волнового поля, что показывает возможность лабораторного моделирования циклотронной неустойчивости в космических плазменных волноводах. С помощью диамагнитных измерений показано, что наблюдаемая в эксперименте циклотронная неустойчивость оказывает существенное влияние на функцию распределения электронов - энергичные электроны, высыпающиеся из ловушки в результате развития неустойчивости, уносят значительную (до 40 %) долю энергии «горячей» фракции.
В экспериментах была показана возможность изменения скорости распада плазмы и условий распространения волн за счет регулирования темпа напуска газа. Это позволило изучать циклотронную неустойчивость волн в разреженной плазме, распространяющихся поперек магнитного поля. В распадающейся плазме ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке впервые зарегистрированы квазипериодические всплески СВЧ излучения плазмы, сопровождаемые импульсными высыпаниями
энергичных электронов. Показано, что даже в отсутствии постоянно действующего источника неравновесных частиц в системе возможна генерация квазимонохроматического или импульсного излучения за счет характерного для распада плазмы быстрого уменьшения потерь электромагнитной энергии. Построена самосогласованная нелинейная модель, которая объясняет основные наблюдаемые в эксперименте особенности генерации квазипериодических всплесков СВЧ излучения и импульсных высыпаний энергичных электронов на стадии распада плазмы ЭЦР разряда.
Научная и практическая значимость
Результаты экспериментов по изучению циклотронной неустойчивости электромагнитных волн в плазменной магнитной ловушке, а также их сопоставления с теорией, позволяют исследовать в лабораторных условиях физические механизмы аналогичных явлений в космических циклотронных мазерах, играющих важную роль в динамике околоземной, околопланетной и солнечной плазмы [ЗА, 10А].
Результаты экспериментов по регистрации квазипериодических импульсных высыпаний энергичных электронов и синхронных с ними импульсов электромагнитного излучения при распаде неравновесной плазмы ЭЦР разряда, послужили стимулом для исследований возможности создания источников излучения терагерцового диапазона частот с использованием магнитного сжатия плазмы [11].
Положения, выносимые на защиту
Обнаруженные в плазме ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным излучением гиротрона, высыпания энергичных электронов, сопровождающиеся генерацией вспышек электромагнитного излучения, связаны с развитием циклотронной неустойчивости свистовых волн.
В результате развития циклотронной неустойчивости свистовых волн из ловушки уносится значительная доля энергии горячей фракции электронов.
Обнаруженные квазипериодические всплески СВЧ излучения, распространяющегося поперек магнитного поля, сопровождаемые импульсными высыпаниями энергичных электронов на стадии распада плазмы ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, связаны с развитием циклотронной неустойчивости медленной необыкновенной волны, распространяющейся поперек магнитного поля.
Использование результатов работы
Результаты проведенных исследований использовались: при выполнении проектов РФФИ № 02-02-17092, № 03-02-17100, № 05-02-16459, № 06-02-16438, международных проектов МНТЦ № 1496 и № 2753, а также при выполнении программы Отделения физических наук РАН (программа фундаментальных исследований «Плазменные процессы в солнечной системе»).
Публикации и апробация результатов
Материалы докладывались соискателем на научных семинарах Институте прикладной физики РАН, на 10-й (2005 г.) и 11-й (2006 г.) Нижегородских сессиях молодых ученых, на 7-ом (2005 г.) и 9-ом (2007 г.) конкурсах работ молодых ученых в ИПФ РАН, на российских и международных конференциях, в том числе: на 7-ой международной конференции молодых ученых "Астрофизика и физика околоземного космического пространства" (Иркутск, 2005 г.), на 1-ой летней научной школе фонда «Династия» (2004 г), на 7-ой научной конференции по радиофизике (ННГУ, 2003 г), на международном совещании по ЭЦР источникам ионов ECRIS (Финляндия, 2002 г.). Кроме того, результаты диссертации докладывались соавторами соискателя на международных конференциях: на 34-ом (США, 2002 г.) и 36-ом (Китай, 2006 г.) международных совещаниях COSPAR, на 27-й (Франция, 2002) и 32-й (Австрия, 2007) генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (EGS), на 12-ом международном совещании по электронно-циклотронному излучению и ЭЦР нагреву (Франция, 2002) и др.
Материалы диссертации представлены в 13 опубликованных работах. Из них 3 статьи в реферируемых изданиях, 6 трудов конференций, 4 тезиса докладов.
Личный вклад автора
Представляемая диссертация посвящена экспериментальным исследованием, проведенным на сложных экспериментальных стендах и, как следствие, основные результаты работы получены в соавторстве. При выполнении работ диссертант принимал непосредственное участие на всех этапах исследования - от обсуждения тематики и постановки задач до обработки результатов и написания статей.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 145 страниц, включая 93 страниц основного текста, 52 рисунков, размещенных на 46 страницах, 1 таблицу и
список литературы, приведенный на 5 страницах и состоящий из 87 наименований.
