Введение к работе
Актуальность темы. Диссертация посвящена проблемам взаимодействия интенсивных электромагнитных волн с неоднородной плазмой. Развиваемое в ней направление связано, правде всего, с исследованиями влияния неоднородности плазмы на протекающие в ней параметрические распадные неустойчивости, главное внимание уделяется развитию теории конвективных и абсолютнім параметрических неустойчивостей в случае двумерно неоднородной плазмы; развитию нелинейной теории абсолютных параметрических неустойчивостей; экспериментальному пыязлению некоторых общих закономерностей, присущих параметрическим процессам в неоднородной плазме.
Эти направления исследований взаимодействия электромагнитного- излучения с плазмой, представляющие значительный общефизический интерес, интенсивно развиваются в настоящее время в связи с проблемами сверхвыеокочастотного и лазерного нагрева плазмы в установках управляемого термоядерного синтеза.
При плотностях потока энергии излучения, достигаемых в современных экспериментах по нагреву, плагма ведет себя как нелинейная электродинамическая среда. Это, в частности, проявляется в параметрической раскачке п ней собственных колебаний, частоти и волновые вектори которых связан:! мезду собой условиями пространственного и временного синхронизма. При превышении полем электромагнитной волны (волны накачки) некоторого порогового значения в плазме развиваются параметрические, в частности, распадные неустойчивости, что может приводить к .возбуждению высокочастотной плазменной турбулентности и, в конечном счете, к аномальному поглощению греющего излучения. Отметим, что при мощностях излучения и температурах плазмы, достигаемых в опытах по лазерному нагреву, аномальное поглощение энергии комет превосходить классическое столкновительноо, определяя как локализацию области поглощения, так и вид функции распределения частки, по скоростям. К сходным еффектаы параметрические-.процессы приводят и при СВЧ нагрев о плазмы в токамаюог ь диапазоне
нижнегибридных частот, вызывая сильное периферийное поглощение энергии и генерацию быстрцх частиц, а также, приводя к поглощению энергии при отсутствии нижнего гибридного резонанса.В то же время параметрические неустойчивости рассеяния волны накачки, в результате которых наряду с плазменными возбуждаются и электромагнитные волны, приводят к аномальному отражению греющего излучения плазмой. Согласно современным представлениям, именно параметрические неустойчивости рассеяния на ионно-эвуковых колебаниях приводят к тем значительным уровням отражения лазерного излучения плазмой, которые наблюдаются в экспериментах. Значительную опасность параметрическое отражение представляет и для планирующихся экспериментов по электронному циклотронному нагреву плазмы токомаков микроволновым излучением лазера на свободных электронах. Величина аномального отражения.и поглощения Е.ерпш плазмой определяется уровнем насыщен' ч параметрической неустойчивости и зависит от её поведения на начальной, линейной, по амплитудам раскачиваемых волн, стадии развития (от её характера, порога, инкремента).
Важнейшим обстоятельством, оказывающим на развитие распад-ной неустойчивости стабилизирующее воздействие, является пространственная неоднородность плазмы. ( A.D.Piliya// Proc.of 10th conference on phenomena in ionised gases.Oxford.,1971, p.320 ). Она значительно повышает порог развития параметрических процессов и существенно изменяет их характер. Причиной этого повышения является конвективн-й вынос энергии параметрически раскачиваемых еолй из узких областей взаимодействия, локализованных в окрестностях точек, в которых выполнены условия пространственного синхронизма
Кок С*Ы) = К1К (Хы) +Кг* (**)
К їх (х) Кщ Ы) и Ксх А/ г проекции волновых векторов .раскачиваемых волн и накачки на направление неоднородности . Вынос энергии подавляет неустойчивость в окрестности точки Xd при условии, что характерный размер области резонанса
1-&[UMj*)-kM ^
существенно меньше характерной длины усиления
где Оо - инкремент соответствующей неустойчивости однородной плазмы, рассчитанный без учета затухания волн для параметров плазгы в точко X => /_/ ; и* и иг - проекции групповых скоростей на направление ноодноропно.стн.
При выполнении обратного условия ь>|—чг^\ в плалме в окрестности слоя X - Х(/ происходит параметрическая раскачка плазменных колебаний, однако экспоненциальный рост их амплитуд Q(с/ во ъремепи насыщается ужо в линейном приближении на уровне
ск+о~)~е*/х1а(о),
Плазма в этом случае, строго говоря, иг является неустойчивой, и распадное взаимодействие сводится к пространственному (конвективному) усилению широкого частотного спектра ш^мок, падап-цтос на область трехволноиого резонанса. [Хараиетрические процессы при отом протекают сравнительно вапо, а возбуждавшиеся і<оліш яе когерентны.
В'неоднородной плазме возможно возбуждение и "настоящей", абсолютной распадноЗ неустойчивости, насыщающейся за счет не-пшейних эффектов на более высоком уровне. Как правило, она возбуждается на базе конвективного, пространственного усиления, вели существуют условия для возвращения хотя бы части коннок-гивн". вынесенное энергии назад в область распада. Разып'ке теории параметрических неустопчквостей неоднородной шіал:*и позвонило выявить многочисленные возможности возяишювенип таких іетель обратно» связи. Простейшая из них реализуется, если условия пространственного синхронизма выполнены не в одной, я а ;вух точках, а направления групповых скоростей дочерти йслн
_ 6 -
противоположны. (M.N.Hosenbluth// Fhys.Rev.Lett; 1972, v.29, H9. p.^65-568).
Порог возбуждения абсолютной параметрической неустойчивости определяется условием баланса усилении и потерь при распро етранении волн її петле обратной связи. Инкремент неустойчивости имеет порядок обратного времени обращения энергии волн в петле. Существенным обстоятельством является то, что при абсолютной неустойчивости, во всяком случае на начальной её стадии, раскачивается лишь дискретный спектр колебаний плазмы. В силу чего можно ожидать, что она представляет собой когерентный волновой процесс.
Отметим, что теория параметрических неустойчивостей неоднородной плазмы, развитая к началу работы над диссертацией весьма детально, тем не менее, не была лишена ряда пробелов. Она, как правило, строилась в модели плоскослоистой п-.азми в приближении плоской волны накачки. В реальньк же экспериментах плазма часто имеет сложную конфигурацию, а волна накачки-развитую когерентную пространственную структуру. Особенно существенна неодномерность неоднородности для магнитоактивной плазмы, при воЭ' буждении в ней волн промежуточного частотного диапазона №м < li)<<-d/f.' В этом случае е плазме возможно возбуждение (в том числе и параметрическое) локализованных электромагнитных полей, трансформирующихся в плазменные и резонансно взаимодействующих с частицами.
Кроме того, существовавшая теория абсолютных параметрических неустойчивостей неоднородной плазмы фактически представляла линейную модель, позволявшуи определять пороги и инкременты возбуждавшихся неустойчивостей, но не дававшую предсказаний о её насыщении. Такая ограниченность теории была связана со значительными математическими трудностями, возникающими при попьгт-. ке поеледоватачьного учета как неоднородности, так и нелинейно-,сти плазмы. Существенным обстоятельством, сдерживающим развитие нелинейной теории, являлось отсутствие аналитических выражений, описывающих влияние различных нелинейных эффектов на процесс конвективного усиления,на базе которого развивается абсолютная неустойчивость.
Отметим, что описанная выше картина развития парнметричес-{их неустойчивостей неоднородной плазми до последнего времени но Зила подкреплена прямими экспериментальными наблюдениями. Среди экспериментальных фактов, подтверждавших её косвенно, можно тзвать, пожалуй, лишь наблюдающееся do многих экспериментах іревишсние порога возбуждения параметрических процессов над ' значениями , предсказываемыми теорией однородной плазмы.
До начала работы над диссертацией не были известны наблюдения параметрических явлений, которые однозначно бы интерпретировались как возникшие в результате развития конвективной параметрической неустойчивости неоднородной плазмы. В частности, ів било сведений об измерениях характерной структуры плазменных it/mod в области конвективного пространственного усиления. Отсутствовали также сведения об экспериментальном наблюдении абсолют-юй параметрической неустойчивости неоднородной плазмы, раэви-зающейся на базе пространственного усиления при наличии петли эбратной связи какого-либо типа. Не наблюдались также когерент-1ЫО параметрические явления, предсказываемые в теории абсолют-шх параметрических неустойчивостей неоднородной плазмы.
Цолі>ю диссертационной работы являлось подтверждение рвэра-JoTtiHHUX представлений о параметрических иеуотойчпиоетях ІІЄ-эднородной планмы путем тооротического и экспериментального исследования распадной неустойчивости ^-^^^,^ , протекающей і двумерно неоднородной магнитоактивной плазме в окрестности гочки трансформации косой ленгмюроиской волны. Решение отой за-(ачи потребовало создания теории конвективной и абсолютной параметрических неустойчивостей развивающихся в окрестности точки іинейной трансформации двумерно неоднородной плазмі, а также зешения задачи о іелинойной стадии трехволнового взаимодействия і неоднородной среде и развития нелинейной теории абсолютных !ар;и.іетрических неустойчивостей неоднородной плазмы.
Научная новизна и практическое значение работы элклу:-ччкт-:я, прежде всего в следующих новых результатах:
Проведенные в диссертации теоретическ,.е и экспериментальные
-8.-
исследования распадной неустойчивости позволили
подтвердить основные положения теории параметрических кеустой-чивостей неоднородной плазмы.
Показана центральная роль конвективного, пространственного усиления» происходящего в окрестности точки трехволнового резонанса в параметрическом возбуждении волн. Значения коэффициента конвективного усиления измерены и оценены несколькими независимыми способами, включаючими зондирование пространственней структуры ионно-эвукоЕьх шумов.
Продемонстрировано, что при наличии петли обратной связи на базе достаточно большого пространственного усиления происходит возбуждение абсолютной параметрической неустойчивости, инкремент которой определяется временем распространения раскачиваемых волн в петле.
Обнарукено, что в соответствии с теоретическими предсказаниями абсолютная неустойчивость представляет собой когерентный волновой процесс, в котором возбуждается дискретный спектр .плазменных колебаний.
Найдено точное аналитическое решение задачи о нелинейной стадии трехволнового вэе"Содействия в неоднородной среде, что позволяет продвинуться вперед в построении натанейной теории абсолютных параметрических неустоГнивостей неоднородной плазмы
Построега теория параметрической неустойчивости ^^С^Л развивающейся в двумерно неоднородной магнитоактивной плазме в окрестности точки лине?*ной трансформации многомодовой волны накачки.
'Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитных волн с плазмой (Алма-Ата, 1955, Ташкент 1985, 1989), Всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы (Ленинг;.:т 1983, Ташкент, 1987), Всесоюзных семинарах по параметрической турбулентности к нелинейным явлениям в плазме (Москва, 1932, 1983, 1954, 1935, 1987; Алма-Ата,1986), Всесоюзной конференции по теории плазмы (Звенигород,1968); Международных конференциях по физике плазмы (Лозанна, 1904, Киев, 1987); Советско-амерккан-
ской рабочей группе но нелинейным явлениям в плазме (Санта-Фе, 1988), а также опубликованы d 22 печатных работах, список которых приведен ниже.
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, содержит263 страниц текста, 59 рисунков, список цитированной литературы включает 166 названий. Полный объем диссертации 333 страницы.
