Содержание к диссертации
Введение
1 Описание экспериментальной установки и методов диагностики 16
1.1. Проблемы лабораторного моделирования волновых процессов в околоземной плазме 16
1.2. Экспериментальная установка «Крот» 19
1.3. Системы диагностики параметров плазмы и магнитного поля ; 22
1.4. Системы для возбуждения и регистрации высокочастотных полей 24
2 Исследование волн свистового диапазона в плазме с нестационарным магнитным полем 28
2.1. Описание волн свистового 'диапазона частот в плазме с нестационарным магнитным полем 29
2.1.1. Общая характеристика волн свистового диапазона 29
2.1.2. Преобразование частоты волн свистового диапазона в плазме с нестационарным магнитным полем 32
2.2. Описание эксперимента 37
2.2.1. Источник возмущения магнитного поля 38
2.2.2. Дакт с пониженной плотностью плазмы 40
2.3. Экспериментальные результаты 42
2.3.1. Структура возбуждаемых волновых полей 42
2.3.2. Квазистатическое периодическое изменение магнитного поля во времени 44
2.3.3. Импульсное зондирование плазмы с нестационарным магнитным полем 51
2.3.4. Возмущение магнитного поля низкочастотными свистовыми волнами 51
2.3.5. Влияние дакта с пониженной плотностью плазмы на процессы параметрического преобразования частоты свистовых волн 54
2.3.6. Распространение частотно-модулированных вистлеров в плазме с невозмущенным магнитным полем 57
2.3.7. Механизмы затухания свистовых волн 59
2.3.8. Апериодические возмущения магнитного поля 64
3 Возбуждение и распространение волн свистового диапазона в плазме с пространственно-неоднородными возмущениями магнитного полл 70
3.1. Рассеяние вистлеров пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля 71
3.1.1. Описание экспериментов 71
3.1.2. Экспериментальные результаты 73
3.1.2.1. Локальное возмущение магнитного поля одиночным витком с током: «магнитная линза» 73
3.1.2.2. Распространение волн свистового диапазона в плазме с вытянутой неоднородностью (дактом) магнитного поля 77
3.1.2.3. Параметрическое преобразование частоты вистлеров в дактах с нестационарным магнитным полем 82
3.2. Электродинамический способ управления излучением рамочной антенны в свистовом диапазоне частот 84
3.2.1 Принцип управления работой рамочной антенны 84
3.2.2. Описание экспериментов 85
3.2.3. Результаты экспериментов 87
3.2.3.1. Режим «излучение» 87
3.3.3.1. Режим «прием» 92
3.3.4. Обсуждение результатов эксперимента 95
3.3.4.1. Импедансные характеристики рамочной антенны в магнитоактивной плазме. 95
3.3.4.2. Ближнее поле рамочной антенны в магнитоактивной плазме 96
3.3.4.3. Качественный анализ полей рамочной антенны при локальном возмущении магнитного поля 97
4 Модуляция свистовых волн нестационарными и неоднородными возмущениями магнитного поля в магнитосфере земли 103
4.1. УНЧ волны и проблема формирования структурированных пульсаций Pel («жемчужин») 103
4.2. Модуляция ОНЧ волн неоднородными и нестационарными вариациями магнитного поля 109
Заключение 114
- Экспериментальная установка «Крот»
- Экспериментальные результаты
- Апериодические возмущения магнитного поля
- Принцип управления работой рамочной антенны
Введение к работе
Низкочастотные волны, возбуждаемые в околоземной плазме наземными и спутниковыми передатчиками, а также естественные низкочастотные излучения, формирующиеся в ионосфере и магнитосфере Земли, представляют большой интерес в связи с разнообразными научными и техническими приложениями [1-8]. Значительная часть сигналов очень низкочастотного (ОНЧ) диапазона распространяется в магнитоактивной плазме ближнего космоса в виде вистлеров или свистов -правополяризованных мод с частотами ниже циклотронной частоты электронов. Как естественные, так и искусственные волны свистового диапазона, возбуждаемые с поверхности Земли и борта космических аппаратов, могут использоваться для диагностики и мониторинга плазменного окружения Земли [4], исследования структуры магнитосферы [5,6], при проведении экспериментов по контролируемым высьшаниям частиц [7]. В настоящее время интенсивно разрабатываются программы спутниковых экспериментов по активному волновому воздействию на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [8].
Исследования свистовых волн не ограничиваются околоземной плазмой, где они были изучены первоначально [9]. К настоящему времени вистлеры обнаружены практически во всех планетарных магнитосферах Солнечной системы [10-14]. Волны свистового диапазона регистрируются в экспериментах по магнитному перезамыканию [15-17], в горячей плазме токамаков [18] и в прямых магнитных ловушках [19]. В последние десятилетия активно обсуждается генерация плотной плазмы волнами свистового диапазона в так называемых «геликонных» источниках [20]. Вистлеры участвуют в быстром недиффузионном переносе магнитных полей и токов, описываемом в приближении электронной магнитной гидродинамики [21,22], который важен, в частности, для задач инерциального термоядерного синтеза. Таким образом, исследование свистовых волн не только необходимо для понимания процессов в ближнем космосе, но и представляет большой общефизический интерес.
Космические исследования, как правило, сопряжены с проведением трудных и дорогостоящих экспериментов. Это обстоятельство оправдывает изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории [112]. Требования адекватного моделирования космических явлений накладывают на лабораторные эксперименты ряд ограничений, связанных, в частности, с размерами установок, которые должны быть достаточно велики. Исследования, результаты которых
представлены в диссертации, выполнялись на стенде «Крот» [23], созданном в ИПФ РАН для моделирования космической плазмы, который, являясь одной из самых больших установок своего класса, удовлетворяет большинству критериев качественного моделирования плазменно-волновых процессов. Масштабы стенда допускают изучение вистлеров в приближении безграничной плазмы, а используемый диагностический комплекс позволяет получать исчерпывающую информацию о плазме и возбуждаемых в ней электромагнитных полях.
При анализе влияния возмущений магнитосферы на ОНЧ волны традиционно рассматриваются пространственные или временные вариации плотности околоземной плазмы. Однако важнейшей особенностью вистлеров является сильная зависимость их дисперсионных свойств от величины внешнего магнитного поля, которое, с одной стороны, определяет резонансные направления, резонансные частоты и структуру поверхности волновых векторов в свистовом диапазоне, а с другой - постоянно возмущается низкочастотными волнами и корпускулярными потоками. Диссертация посвящена исследованию процессов возбуждения и распространения вистлеров в плазме при наличии пространственно-неоднородных и нестационарных вариаций магнитного поля, не сопровождаемых модуляцией электронной концентрации.
В космических условиях амплитудно-частотные характеристики вистлеров часто искажаются из-за нестационарных возмущений параметров околоземной плазмы. Ранее предлагались разнообразные резонансные механизмы обогащения частотного спектра вистлеров при их параметрическом взаимодействии с ионосферными и магнитосферными колебаниями [26,27,105,106]. Между тем, большой интерес представляют нерезонансные параметрические явления, которые, по-видимому, более распространены в природе, и обычно не приводят к накоплению электромагнитной энергии на фиксированных частотах, но, напротив, могут сопровождаться преобразованием спектра в широкой полосе частот [28]. В диссертации экспериментально исследована нерезонансная параметрическая модуляция частоты вистлеров в плазме с нестационарными возмущениями магнитного поля, а также комплекс дисперсионных явлений, приводящих к компрессии частотно-модулированных свистовых волн.
По сложившимся к настоящему времени представлениям, неоднородности магнитосферы и ионосферы играют ключевую роль в процессе распространения ОНЧ сигналов, формируя для вистлеров специфические волноводные структуры. Чаще всего транспортировка излучения по длинным магнитосферным трассам объясняется наличием вытянутых областей, или дактов, с повышенной или пониженной плотностью
плазмы. В диссертации экспериментально изучены неоднородности иного типа -пространственно-неоднородные возмущения магнитного поля, которые, как показывают эксперименты, фокусируют волны свистового диапазона, и могут эффективно их направлять. В космических условиях неоднородности данного типа могут возникать из-за диамагнитного эффекта, при возбуждении интенсивных МГД колебаний, за счет развития различных нелинейных процессов.
При проведении активных экспериментов в околоземной плазме остро стоят вопросы увеличения эффективности возбуждения вистлеров с помощью компактных антенн спутникового базирования. Один из путей решения проблемы заключается в использовании электродинамических методов управления излучением, реализуемых при изменении электродинамических параметров системы «фидер-антенна-плазма» сторонним источником, либо за счет нелинейных эффектов в собственном поле антенны. К настоящему времени известно достаточное число таких методов, связанных с локальной модификацией плотности плазмы или параметров слоя пространственного заряда у поверхности излучателя. В диссертации предложен способ управления эффективностью рамочной антенны, используемой для излучения или приема вистлеров, за счет формирования около антенны неоднородности внешнего магнитного поля, без возмущения плотности плазмы.
Результаты, представленные в диссертации, могут использоваться для объяснения явлений, наблюдаемых как в магнитосфере и ионосфере Земли, так и в других плазменных системах, где возбуждаются волны свистового типа, и присутствуют магнитные возмущения с различными пространственными и временными масштабами.
Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка литературы. Список литературы включает 140 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 58 рисунков и 3 таблицы.
Ниже кратко излагается содержание диссертации.
Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, кратко изложено содержание диссертации.
В главе 1 приводится описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования, составляющие основу диссертации. Проблемы, связанные с лабораторным моделированием волновых процессов в околоземной плазме, изложены в разделе 1.1. Адекватное моделирование процессов возбуждения и распространения волн, при условии измерения параметров плазмы и волновых полей с высоким пространственно-временным разрешением, возможно только на
крупномасштабных установках. Стенд «Крот» был специально создан для моделирования физических явлений в плазме ближнего космоса. Его параметры приводятся в разделе 1.2. Квазиоднородный столб магнитоактивной плазмы длиной 4 м и диаметром до 1.5 м формируется в результате импульсного индукционного высокочастотного разряда в аргоне (давление нейтрального газа р = 4-7х КґЧорр, мощность плазмосоздающих генераторов порядка 1 МВт, частота 5 МГц). Максимальная концентрация плазмы достигает значения 2 х 1013 см"3, максимальная величина магнитного поля 1 кГс. Эксперименты, описанные в диссертации, производились в распадающейся плазме, при плотностях щ = 1010 - 1012 см'3, значениях температуры электронов Ге = 0.2- 1.5 эВ, ионной температуре Г/<0.5эВ. Раздел 1.3 содержит описание методов, использовавшихся для диагностики параметров плазмы и магнитного поля. Применялись традиционные зондовые методы (одиночные и двойные электростатические зонды), методы бесконтактной диагностики (СВЧ-интерферометр), миниатюрные зонды с СВЧ-резонаторами, многосеточный анализатор энергий электронов. Измерение и контроль возмущений магнитного поля осуществлялись магнитными зондами, а также методом циклотронного резонанса. Возбуждение и детектирование высокочастотных полей в плазме производились с помощью антенн, описанных в разделе 1.4. В экспериментах использовались, главным образом, изолированные электрически экранированные рамочные антенны.
Экспериментальная установка «Крот»
Экспериментальный стенд «Крот» (рис. 1.1, [23]) создан в ИПФРАН специально для моделирования волновых процессов в плазме ионосферы и магнитосферы Земли. Установка представляет собой вакуумную камеру, изготовленную из немагнитной нержавеющей стали, полный объем которой составляет V- 180 м3. С помощью трех диффузионных пароструйных насосов и дугового геттерного насоса с титановым катодом камера откачивается до давления остаточного газар = 5 х 10 6 торр. Магнитное поле пробочной конфигурации (пробочное отношение R-2A) создается с помощью соленоида, установленного внутри вакуумного объема. Индуктивность соленоида составляет величину порядка 0.35 мГн, суммарное активное сопротивление соленоида и подводящей линии около 2.5 10"2 Ом. Для формирования импульса тока используется накопитель с емкостью батарей С=8.6 10 2Ф. Характерная длительность импульса тока в соленоиде порядка 20 мс, что существенно больше времен исследуемых плазменных процессов. Величина поля Во в минимуме может варьироваться в пределах от 0 Гс до 1 кГс. Цилиндрический плазменный столб формируется в рабочей секции камеры, имеющей длину Юм и диаметр Зм, в результате импульсного индукционного высокочастотного разряда; для создания плазмы используются два генератора с частотой 5 МГц и выходной мощностью до 1 МВт в импульсе длительностью 1.5 мс. В описываемых экспериментах источник плазмы включался в момент, когда магнитное поле достигало максимального значения. Размеры плазменного столба ограничены габаритами соленоида: длина - около 4 м, диаметр до 1.5 м, в качестве рабочего газа используется аргон при давлении д = 4 - 7 х 10"4 торр. Непрерывный напуск газа осуществляется через пьезокерамический натекатель. Установка работает в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 0.05-0.2 Гц. Максимальная плотность плазмы в момент пробоя достигает щ 10 см , после окончания работы генераторов плазма распадается с характерным временем порядка нескольких миллисекунд, зависящим от величины магнитного поля Во- Распад определяется процессом амбиполярной диффузии вдоль магнитного поля. На стадии распада плазмы устанавливается квазистационарная температура электронов 7 = 0.2-1 эВ, в зависимости от выбранной мощности ВЧ генераторов.
Ионная температура не превышает Г/ 1 эВ. Эксперименты, в которых были получены результаты, представляемые в диссертации, выполнялись в режиме распадающейся плазмы. 1.3. Системы диагностики параметров плазмы и магнитного поля. Экспериментальное исследование процессов возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме требует точного измерения параметров плазмы (концентрации, температуры), величины магнитного поля, а также возбуждаемых в плазме электромагнитных полей. С этой целью на стенде «Крот» создан диагностический комплекс, включающий разнообразные зонды, антенны различных конструкций и систему бесконтактной СВЧ диагностики (5-канальный интерферометр на рабочей длине волны Л = 8 см). Средства измерений вводятся в вакуумный объем на подвижных штангах, большое количество диагностических вводов позволяет исследовать плазменные процессы с высоким пространственным разрешением, в различных сечениях плазменного столба. Также в вакуумном объеме размещена двухкоординатная подвижная система с электромеханическим приводом, на которой устанавливаются антенны и зонды. Для измерения и контроля параметров плазмы использовались диагностики различных видов (рис. 1.6). Локальные измерения плотности плазмы и электронной температуры выполнялись с помощью одиночных и двойных ленгмюровских зондов [56,57]. Кроме того, для исследования функции распределения электронов плазмы по энергиям использовался многосеточный анализатор. Более точные измерения концентрации плазмы, а также калибровка электростатических зондов, осуществлялись зондом с СВЧ-резонатором, изготовленным на отрезке двухпроводной линии [58,59]. Данный зонд представляет собой четвертьволновый отрезок длинной линии, резонансная частота которого зависит от концентрации плазмы по закону согК!1 = а \ + а2р, где COQ - резонансная частота отрезка линии в отсутствие плазмы, сор - плазменная частота электронов. В экспериментах использовались зонды длиной около 1 см, с резонансной частотой /о= соо/2л 8 ГГц и добротностью Q 80 -100. Возбуждение резонаторов и снятие их резонансных характеристик производились петлями диаметром около 2 мм за счет индуктивной связи. Усредненные по пространству значения электронной плотности получались с помощью СВЧ интерферометра. Внешнее импульсное магнитное поле контролировалось с помощью одновитковых и многовитковых рамочных антенн, зависимость поля от времени восстанавливалась после интегрирования сигналов с измерительных рамок. Точные локальные измерения величины магнитного поля 50 выполнялись методом циклотронного резонанса, при этом использовался специальный датчик в виде пары штыревых антенн, установленньк на расстоянии А/ = 2 см. Одна из антенн использовалась в качестве излучающей, другая - в качестве приемной; при выполнении условия ао, сон» сор (сон - циклотронная частота электронов) зависимость коэффициента прохождения ВЧ сигнала через плазму между антеннами носит резонансный характер с минимумом на частоте ао = сон (рис. 1.2). В рамках данной работы особую важность для правильной интерпретации экспериментальных результатов представляли измерения и контроль возмущений магнитного поля, создаваемых системами проводников с током силой до 200 А и характерными временами изменения от 100 не, которые вводились в плазменный объем.
Пространственные распределения переменных магнитных полей исследовались подвижными рамочными антеннами. Абсолютные значения амплитуды магнитных возмущений рассчитывались по результатам измерения переменных токов, выполнявшихся поясом Роговского, а также с помощью коаксиальных шунтов. 1.4. Системы для возбуяадения и регистрации высокочастотных полей Высокочастотные поля в плазме возбуждались и регистрировались с помощью коротких штыревых антенн, а также электростатически экранированных рамочных антенн. Рамочные антенны диаметром от 0.7 см до 7 см изготавливались из отрезков коаксиального кабеля сечением 2-5 мм. Для уменьшения электрического дипольного момента рамки покрывались слоем диэлектрика (керамического клея или эпоксидной смолы) толщиной порядка 0.5-1 мм, которая превышала глубину слоя пространственного заряда около поверхности антенны [86]. В различных сечениях камеры устанавливались одиночные рамочные антенны, а также сборки антенн, позволяющие одновременно регистрировать различные компоненты ВЧ магнитного поля в выбранной точке пространства. При возбуждении волн свистового диапазона на малом уровне мощности (менее 0.1 Вт) использовались стандартные лабораторные высокочастотные генераторы ГЗ-112, Г4-7А, Г4-151, Г4-158. Необходимость исследования волн свистового диапазона на больших трассах распространения (до 5 м) потребовала увеличения высокочастотной мощности, излучаемой в плазму. Для возбуждения вистлеров большой амплитуды применялись специально изготовленные импульсные ВЧ усилители со следующими параметрами: усилитель №1 - выходная мощность Р= 100 Вт, полоса/о = axfln- 145 — 170 МГц, длительность импульса от 100 не до 1 мс; усилитель №2 - мощность Р 150 Вт, полоса Уо = uV2tf=80- 180 МГц, длительность импульса от 1 мке до 1 мс. Увеличение мощности позволило, с одной стороны, увеличить расстояние, на котором пробные волны регистрировались с амплитудой, достаточной для анализа, а с другой - существенно снизить уровень шума в измерениях, и принимать сигналы из плазмы на трассе длиной до 2 м практически без использования специальной усилительной аппаратуры. Для возбуждения частотно-модулированных свистовых волн был разработан и изготовлен высокочастотный генератор, который в полосе 80-200 МГц позволял формировать сигнал с индексом частотной модуляции до 30% при выходной мощности Р=10Вт. В генераторе был реализован режим внешней синусоидальной модуляции частоты с периодом от 100 нс; также генератор позволял формировать последовательности импульсов с линейной частотной модуляцией (режим ЛЧМ).
Экспериментальные результаты
Как следует из 2.1.2, наиболее сильно эффекты параметрического преобразования частоты проявляются на частотах COQ, близких к циклотронной частоте сон- Однако эксперименты показывают, что сигналы из плазмы регистрируются только на частотах со 0.7 5 а н- Данное обстоятельство объясняется тем, что рамочная антенна эффективно возбуждает не квазипродольные, а наклонные вистлеры [93-95]. На рис. 2.9 представлены результаты интерферометрических измерений полей, возбуждаемых рамочной антенной диаметром 2 см на частоте /о - axJ2n= 150 МГц в плазме плотностью щ = 4 10 см , при величине магнитного поля Во = 90 Гс; экспериментальные кривые проведены через максимумы и минимумы интерферометрических трасс. По результатам измерений угол между волновой нормалью и направлением магнитного поля составляет о = 35-45. (рис. 2.9). Таким образом, антенна излучает только волны с частотами ниже fi u tfCos0o O.7tf)#- Заметим, что косые волны свистового диапазона эффективно возбуждаются в магнитосфере Земли [114]. 2.3.2. Квазистатическое периодическое изменение магнитного поля во времени В данном разделе представлены результаты, полученные при зондировании пробными свистовыми волнами ближней зоны индуктора с переменным током, в которой возмущение магнитного поля максимально по амплитуде. Схема расположения антенн, использовавшихся в описываемых экспериментах, приводится на рис. 2.4. На рис. 2.10 показаны осциллограммы и спектрограммы сигналов, принимаемых из плазмы, в зависимости от частоты возбуждаемых волн. В представленной серии измерений излучающая и приемные антенны устанавливались на оси камеры. Излучающая антенна располагалась в сечении z = - 5 см (антенна 2 на рис. 2.4) относительно индуктора (z = 0 см), в качестве приемной антенны использовались рамка, установленная в плоскости z = 25 см (антенна 3). Амплитуда модуляции магнитного поля в центре индуктора составляла Д5 = 2 Гс, величина внешнего магнитного поля Во= 82 Гс, плотность плазмы и температура электронов, соответственно, щ- 1011 см"3 и Те= 1.5 эВ. Эксперименты показывают, что волна, прошедшая через область с нестационарным возмущением магнитного поля, модулирована по частоте и амплитуде. Индекс частотной модуляции увеличивается с ростом частоты пробной волны (рис. 2.10), данный эффект, очевидно, связан с увеличением групповой задержки пробных волн в возмущенной области при приближении их частоты к резонансу «я cos о.
На частоте fo = 160МГц индекс модуляции достаточно высок - Д = 2- = 1, то есть групповая задержка АВ/В0 свистовой волны в области с нестационарным возмущением магнитного поля сравнима с периодом изменения поля. Сильная амплитудная модуляция принимаемых свистовых волн связана как с локальной модуляцией показателя преломления среды, так и с дисперсионными эффектами. На рис. 2.11 представлена зависимость приведенного индекса частотной модуляции Л от частоты излучения. На график нанесены экспериментальные точки, соответствующие результатам, которые приведены на рис. 2.10. Теоретическая кривая построена в соответствии с моделью, рассмотренной в 2.1.2. Для расчета были выбраны следующие параметры: величина магнитного поля о = 82Гс, амплитуда возмущения ДВ = 2Гс, плотность плазмы щ=\0 см", угол между волновым вектором и направлением магнитного поля 0 = 45 , толщина слоя с возмущенным магнитным полем принята равной диаметру индуктора L - D = 20 см. Видно, что эффект частотной модуляции вистлеров адекватно описывается даже в рамках сильно упрощенной модели. Осциллограммы и спектрограммы сигналов, принимаемых из плазмы на различных расстояниях от излучающей антенны, показаны на рис. 2.12. Схема расположения антенн - та же, что и на рис. 2.4. После прохождения области с интенсивным возмущением магнитного поля непрерывный высокочастотный сигнал (fo= 160 МГц), излучаемый в плазму, модулируется по частоте, и дробится на отдельные волновые пакеты, следующие друг за другом с периодом модуляции поля (Fo = 1.2 МГц). Отчетливо видна компрессия высокочастотных импульсов - уменьшение их длительности по мере распространения в плазме. Частота заполнения понижается от начала к концу каждого из импульсов, с увеличением расстояния между приемной и излучающей антеннами возрастает наклон частотно-временной зависимости (рис. 2.12). Минимальная длительность, до которой сжимается ЧМ импульс, составляет zmin (2Afmod) l 100 нс, где 2 Afmod 10 МГц -полная ширина спектра частотно-модулированной свистовой волны. Оценим характерную длину, на которой, в соответствии с (2.16), должна наблюдаться компрессия свистовой волны с периодической модуляцией частоты: /=fo + A/mod sin Q.L Величина продольной компоненты групповой скорости вистлеров в зависимости от частоты и угла о построена на рис. 2.13. Как и раньше, положим о = 45, при этом на центральной частоте /о= ах)12к= 160 МГц групповая скорость Кг" 1.5 х 108 см/с (рис. 2.13). При девиации частоты Afmoci 5 МГц характерная длина, на которой происходит сжатие частотно-модулированного вистлера, в соответствии с (2.16), составляет z 60 см. Данная оценка по порядку величины согласуется с экспериментальными данными (рис. 2.12), однако она получена в предположении об однородности магнитного поля.
В условиях эксперимента магнитное поле в центре камеры однородно на трассе длиной около 40 см (рис. 2.4); на этом участке трассы дисперсия групповой скорости очень сильна, и темп сжатия ЧМ волны максимален. Дальше, по мере приближения к магнитной пробке (рис. 2.4(c)), из-за увеличения поля и, соответственно, уменьшения отношения соїсон, темп дисперсионного сжатия падает. Эффект параметрического преобразования частоты исследовался в экспериментах по зондированию области с нестационарным магнитным полем высокочастотным импульсом длительностью т 100 -200 не, меньшей периода модуляции поля. Излучающая и приемная антенны устанавливались на оси камеры, в сечениях z = - 5 см и z = 20 см относительно индуктора, соответственно. Импульсный сигнал на частоте /о =160 МГц подводился к излучающей антенне с задержками, выбиравшимися таким образом, чтобы волновой пакет излучался в плазму в различных фазах периодического возмущения магнитного поля (Fo = 3 МГц, АВ/Во = 5%). В экспериментах, в зависимости от фазы переменного поля, регистрировались сигналы с частотами, сдвинутыми как в «красную», так и в «синюю» сторону (рис. 2.14). Знак изменения частоты определялся моментом прохождения зондирующего импульса через область возмущения - на этапе нарастания магнитного поля или на стадии его локального уменьшения. Измерения, схема которых приведена на рис. 2.15, позволили экспериментально исследовать зависимость групповой скорости вистлеров, возбуждаемых рамочной антенной, от угла. В плазму излучался короткий (г 150 нс) импульс на частоте /о = соо/2л= 160 МГц, и фиксировалась задержка, с которой волновой пакет принимался диагностической рамкой. Эксперименты выполнялись при величине магнитного поля 2?о = 80Гс в плазме плотностью «о = 8x10 см . Сигнал из плазмы регистрировался в пределах угла порядка 60. По результатам измерений скорость свистовых волн, возбуждаемых под малыми углами к направлению магнитного поля, составляла величину около Vg 3 хЮ см/с. У волн, возбуждаемых под большими углами, групповая скорость уменьшалась приблизительно в три раза- до Vg 1 хЮ8 см/с. 2.3.4. Возмущение магнитного поля низкочастотными свистовыми волнами При возбуждении и приеме пробных свистовых волн вдали от индуктора с током, возмущающим магнитное поле, частотная модуляция сигнала, принимаемого из плазмы, сравнительно мала. На рис. 2.16 представлены результаты, полученные в сечении z = 70 см, расстояние между излучающей и приемной антеннами, установленными на оси канала, составляло Дг= 15 см; плотность плазмы щ = 10 см , величина магнитного поля В0 = 85 Гс.
Апериодические возмущения магнитного поля
Распространение свистовых волн в плазме с магнитным полем, которое изменялось не по гармоническому закону, исследовалось при значениях электронной плотности но = 2-5 х 10й см 3 и величине статического магнитного поля Во = 30-100 Гс. На рис. 2.23 приведена осциллограмма возмущения магнитного поля и характерная спектрограмма зондирующего сигнала, принимаемого из плазмы. Плотность плазмы по = 3 10п см"3, величина магнитного поля Бо = 78Гс, частота пробной волны Уо —148 МГц. Излучающая антенна бьша установлена с одной стороны от плоскости индуктора с переменным током, в сечении Az = - 5 см, приемная антенна - с противоположной стороны, в сечении Az = + 20 см. Зависимость индекса частотной модуляции от частоты пробных волн построена на рис. 2.24, видно, что приведенный индекс модуляции Д увеличивается по мере приближения частоты волны щ к циклотронной частоте электронов юн- Следует обратить внимание на то, что в условиях эксперимента спектрограмма зондирующей волны практически воспроизводит форму возмущения магнитного поля (рис. 2.23). Последнее обстоятельство может использоваться в диагностических целях, в частности - для регистрации интенсивных возмущений магнитного поля по результатам спектрального анализа пробных свистовых волн. С другой стороны, индекс частотной модуляции зондирующей свистовой волны позволяет определять амплитуду вариаций магнитного поля. .При распространении волн свистового диапазона частот в плазме с нестационарным магнитным полем наблюдается частотная модуляция излучения, обусловленная эффектами нерезонансного параметрического преобразования частоты. Величина частотных сдвигов определяется временем группового запаздывания вистлеров в возмущенной области, и может достигать значений Ай)/соо АВ/В0, где АВ - величина нестационарных вариаций магнитного поля. 2. Частотная модуляция (ЧМ) свистовых волн в плазме с нестационарным магнитным полем сопровождается амплитудной модуляцией излучения, обусловленной двумя механизмами: во-первых - дисперсионным сжатием элементов ЧМ волны с понижающейся во времени частотой из-за сильной дисперсии групповой скорости, во-вторых - возрастанием декремента затухания вистлеров с увеличением частоты, и, соответственно, подавлением высокочастотных элементов ЧМ сигнала. 3. Эффективность амплитудно-частотной модуляции излучения зависит от угла, под. которым распространяются волны свистового диапазона относительно направления магнитного поля: косые волны в большей степени подвержены модуляции, чем квазипродольные.
Данное обстоятельство связано с уменьшением групповой скорости вистлеров при увеличении группового угла, и, соответственно, с увеличением времени группового запаздывания волны в области с нестационарным магнитным полем. 4. Наличие в области с нестационарным магнитным полем плазменных неоднородностей, играющих роль волноводов для волн свистового диапазона частот, приводит к формированию сигналов со сложными формами амплитудно-частотной модуляции. Данный эффект объясняется интерференцией нескольких ЧМ волноводных мод, имеющих различные групповые скорости. 5. При возбуждении в плазме с нестационарным магнитным полем импульсов свистовых волн с длительностью, меньшей характерного времени изменения магнитного поля, наблюдается смещение спектра импульсов в «красную», либо в «синюю» сторону, в зависимости от их фазы запуска. 6. Предложена аналитическая модель, описывающая частотную модуляцию вистлеров в плазме с нестационарным магнитным полем в рамках приближения геометрической оптики, которая позволяет адекватно описывать наблюдаемые в эксперименте сдвиги частоты. 7. На базе анализа динамических спектров пробных волн свистового диапазона частот, излучаемых в магнитоактивную плазму, возможна разработка диагностики нестационарных вариаций магнитного поля; при этом по форме динамического спектра можно восстанавливать закон изменения магнитного поля во времени, а по величине частотных сдвигов - амплитуду возмущения. Неоднородности магнитосферы и ионосферы, согласно сложившимся к настоящему времени представлениям, оказывают сильное влияние на распространение ОНЧ волн [1]. В частности, вытянутые вдоль геомагнитного поля неоднородности в форме каналов (дактов) удерживают вистлеры в режиме волноводного распространения, и обеспечивают эффективную транспортировку низкочастотного излучения по длинным магнитосферным трассам [61]. В качестве неоднородностей, отвечающих за рефракцию и рассеяние свистовых волн, традиционно рассматриваются области с повышенной или пониженной электронной плотностью [37,62,66-69].
С другой стороны, существенное влияние на распространение вистлеров в космической и лабораторной плазме могут оказывать не возмущения плотности плазмы, а пространственно-неоднородные вариации магнитного поля [84,85]. Во внутренней магнитосфере такие возмущения могут формироваться интенсивными МГД колебаниями (геомагнитными пульсациями) [70], а также за счет диамагнетизма энергичных протонов и электронов при наличии широтных вариаций структуры радиационных поясов и области кольцевого тока [71]. В периферийных областях магнитосферы, заполненных плазмой с относительно высоким давлением (/3=$7то(Те + Ті)/Во2 1), регистрируются сильные возмущения Д5/Я0 1, обусловленные вариациями параметров плазмы и возбуждением пространственно-неоднородных токов; неоднородные структуры с масштабами 10-1000 км в последние годы интенсивно исследуются на спутниках [82,83]. Возмущения диамагнитного типа могут быть вызваны интенсивным нагревом электронов на временах, существенно меньших термодиффузионного времени перераспределения плазмы [72,73]. При возбуждении вистлеров большой амплитуды магнитное поле может возмущаться за счет различных нелинейных эффектов [77,102,103]. Особенно интересны такие явления, как высокочастотный диамагнетизм или обратный эффект Фарадея [74-76]. В околоземной плазме нелинейные пространственно-неоднородные вариации магнитного поля могут приводить к самовоздействию свистовых волн, и эффектам «магнитной» самофокусировки. Знание характера рассеяния вистлеров неоднородностями магнитного поля также важно для понимания свойств магнитосферной турбулентности, формируемой колебаниями свистового диапазона с различными частотами и пространственными масштабами [115]. Кроме того, как показано в диссертации, искусственные возмущения магнитного поля, формируемые около антенн, помещаемых в магнитоактивную плазму, позволяют управлять их импедансом, и, соответственно, эффективностью излучения и приема волн свистового диапазона. Волновые поля, формирующиеся в плазме при наличии пространственно-неоднородных возмущений магнитного поля (невозмущенное значение #о = 30-40Гс), исследовались при значениях плотности щ= 1010- 1012см 3, температуре электронов и ионов Те Ті 0.2- 1 эВ. Излучение и прием вистлеров в диапазоне Уо = 20-100 МГц осуществлялись рамочными антеннами диаметром 1 - 7 см. Пробные волны возбуждались на малом уровне мощности Р 0Л Вт. Сигналы с измерительных антенн подавались на вход приемника с полосой 100 кГц. Целью проводившихся экспериментов была демонстрация эффектов рассеяния волн свистового диапазона неоднородностями магнитного поля, формировавшимися в столбе квазиоднородной плазмы. Для создания неоднородностей магнитного поля на оси основного соленоида установки (450смх150см) размещались кольцевые витки с током диаметром d = 5 - 20 см, изготовленные из отрезков коаксиального кабеля диаметром 3 -5 мм, а также 7-витковый соленоид длиной / = 35 см и диаметром а = 7.5 см, намотанный из изолированной медной проволоки сечением 1 мм2.
Принцип управления работой рамочной антенны
При использовании методов управления излучением, заключающихся в модификации концентрации электронов, скорость изменения электродинамических параметров системы «антенна-плазма» ограничивается скоростью перераспределения плазмы. Кроме того, большинство предложенных ранее методов управления излучением антенн принципиально являются нелинейньми. В данной работе для управления импедансными характеристиками рамочной антенны в режимах излучения и приема свистовых волн предлагается использовать зависимость компонент тензора диэлектрической проницаемости плазмы от величины статического магнитного поля: Выражение (4.1) для тензора є справедливо в свистовом диапазоне частот: а ш = {о)н0.и)Ш (о сон«(Ор. Эксперименты по рассеянию вистлеров на неоднородностях магнитного поля показывают, что такие возмущения существенно изменяют структуру электромагнитных полей в плазме. Очевидно, что возмущение магнитного поля вблизи рамки модифицирует показатель преломления, а значит - может привести к изменению импеданса антенны и, соответственно, ее полей излучения. В проводившихся экспериментах возмущение магнитного поля формировалось при пропускании по антенне, наряду с переменным током на частоте fa = аоо/2я, дополнительного постоянного тока IO = IDC (рис. 3.13). В магнитосферных экспериментах такой способ создания околоантенной неоднородности оказывается достаточно эффективным: геомагнитное поле невелико (BQ 3 Х 10" Гс), и даже при использовании антенны большого диаметра (Д, 10м) пропускание тока порядка 100 А приводит к сильному возмущению магнитного поля Эксперименты, в которых исследовались характеристики рамочной антенны в режимах «излучение» и «прием», выполнялись в плазме плотностью ло = 2х1010-5 х 10й см"3 при температуре электронов Ге 0.5эВ. Невозмущенная величина магнитного поля составляла 5о = 30-40Гс. Антенна диаметром а = 6.5 см, использовавшаяся для возбуждения и приема волн свистового диапазона частот, бьша изготовлена из отрезка коаксиального кабеля сечением 3 мм; ширина разреза в экране антенны - 1 мм (рис. 3.14). Индуктивность антенны составляла величину около 1о 0.2мкГн; с целью уменьшения электрического дипольного момента рамка бьша покрыта тонким (порядка 0.5 мм) слоем диэлектрика. Высокочастотная мощность, подводимая к антенне (/о = й о/27г=20-100МГц), не превышала Р 10"2Вт, что исключало развитие тепловых нелинейных эффектов в ближнем поле антенны. Антенна устанавливалась в плоскости, перпендикулярной направлению внешнего магнитного поля. Схема включения антенны через систему развязки показана на рис. 3.14.
Ток силой до /о = 200 А, обеспечивающий локальное возмущение магнитного поля, пропускался по рамке в виде импульса длительностью 0.2 -1 мс, формировавшегося при разряде емкостного накопителя Со (напряжение до 2 кВ) через тиристорные ключи К\ и Кг на нагрузку RL, включенную последовательно антенне. Для исключения индукционного нагрева электронов, приводящего к модификации параметров плазмы и являющегося, следовательно, паразитным эффектом, в высоковольтную цепь был введен дроссель L, сглаживающий высокочастотные переходные процессы на фронтах импульса тока. Характер неоднородности магнитного поля (максимум или минимум) определялся полярностью подключения антенны к источнику тока. Для регистрации высокочастотных полей применялись диагностические рамочные антенны диаметром 1 см, установленные в различных сечениях плазменного столба. При проведении интерферометрических измерений возбуждаемых волн использовалась антенна, перемещавшаяся параллельно оси вакуумной камеры. Сигналы с антенн регистрировались приемником П5-1 с полосой 100 кГц. В данном параграфе приводятся результаты, полученные при использовании рамочной антенны с переменным током на частоте /о = оз іпіл. дополнительным током k, возмущающим внешнее магнитное поле, для излучения волн свистового диапазона. Осциллограммы сигналов на частоте fo = 63 МГц (азимутальная компонента ВЧ магнитного поля), принимаемых из плазмы при протекании по излучающей антенне импульсного тока /о(0 показаны на рис. 3.15. Приведены результаты, полученные при различных значениях силы тока и обеих полярностях подключения антенны к источнику питания. Для удобства ток, протекающий в направлении, соответствующем увеличению поля В, обозначается знаком «+»; ток, текущий при обратной полярности подключения к источнику, знаком «-». Из рис. 3.15 видно, что при локальном возмущении внешнего магнитного поля (Во = 40 Гс) вблизи излучающей антенны амплитуда ВЧ полей в плазме может существенно изменяться. Эксперименты показывают, что при увеличении магнитного поля амплитуда сигнала, принимаемого из плазмы, увеличивается, при противоположном направлении тока в антенне амплитуда возбуждаемых ВЧ полей падает. Поперечные распределения амплитуды ВЧ полей на различных расстояниях от излучающей антенны представлены на рис. 3.16. Измерения выполнялись в широком диапазоне частот (приведены результаты для трех частот - 35 МГц, 52 МГц и 64 МГц), при различных ориентациях диагностических антенн относительно направления магнитного поля.
Направление протекания импульсного тока (k = + 80 А) соответствовало локальному увеличению магнитного поля. Из рис. 3.16 видно, что при фиксированном токе в антенне эффект увеличения амплитуды ВЧ полей сильнее проявляется на высоких частотах. Вдали от излучающей антенны (сечения z = 28 см и Z = 51CM) амплитуда ВЧ полей увеличивается без изменения их пространственного распределения. С другой стороны, как показали рефлектометрические измерения, в условиях эксперимента основная часть подводимой высокочастотной мощности отражается от излучателя. Антенна практически полностью рассогласована с фидером, при любых частотах щ и значениях силы тока /о, возмущающего магнитное поле BQ. Сохранение поперечной структуры возбуждаемых волновых полей (диаграммы направленности), а также отсутствие заметных изменений параметров согласования излучателя с подводящим трактом указывают на то, что при локальном возмущении магнитного поля изменяется сопротивление излучения антенны Rrad в свистовые волны. Коэффициенты усиления ВЧ полей {В р - компонента), в зависимости от частоты и силы импульсного тока в антенне, показаны на рис. 3.17. Данная серия измерений выполнялась в сечении z = 28 см; диагностическая антенна устанавливалась на расстоянии г = 10 см от оси плазменного столба, вблизи максимума пространственного распределения азимутальной (В ) компоненты ВЧ магнитного поля. Измерения выполнялись в плазме плотностью по = 4 х 1010см 3, при величине магнитного поля #о = 35Гс. На фиксированной частоте при малых токах зависимость Що) носит линейный характер, по мере увеличения тока k наблюдается насыщение (рис. 3.17). Коэффициент усиления сильно зависит от частоты: если при_/о 35 МГц амплитуда ВЧ полей увеличивается не более чем на 20%, то при fo = 64 МГц сигнал из плазмы усиливается почти в 4 раза, причем, судя по характеру кривой (рис. 3.17), максимальное значение коэффициента усиления К не достигается. Заметим, что предельная сила тока, при которой выполнялись эксперименты, /о = 200 А, соответствует увеличению магнитного поля в центре антенны (г = 0см) приблизительно в 2 раза. На частоте То = 35 МГц (рис. 3.17, нижняя кривая и врезка) также виден эффект уменьшения коэффициента усиления ВЧ поля, когда сила тока в антенне превышает k 100 А.
