Содержание к диссертации
Введение
1 Постановка лабораторных экспериментов. Экспериментальные стенды для лабораторного исследования волновых процессов в магнитоактивной плазме 24
1.1 Постановка экспериментов. Основные принципы лабораторного моделирования волновых процессов в околоземной плазме 26
1.2 Экспериментальный стенд «Ионосфера» (ИПФ РАН) 31
1.2.1 Особенности распада плазмы на установке «Ионосфера» 33
1.3 Экспериментальный стенд ССМ (University Paris XI, France) 35
1.3.1 Электронная пушка 36
1.4 Экспериментальный стенд MWPI (Utsunomiya University, Japan) 38
1.4.1 Оборудование для экспериментального исследования взаимодействия СВЧ излучения с плазмой 39
1.5 Методы диагностики параметров плазмы
1.5.1 Измерение электронной температуры с помощью пробных ионно-звуковых волн 41
1.5.2 Измерение концентрации разреженной магнитоактивной плазмы с помощью резонансных конусов электромагнитных источников 43
1.6 Основные результаты главы 53
2 Лабораторное исследование дисперсионных характеристик волн в резонансных диапазонах частот 56
2.1 Каналирование волн свистового диапазона частот в магнитоак тивной плазме 63
2.1.1 Каналирование волн свистового диапазона частот в тепловых плазменных неоднородностях 63
2.1.2 Влияние стрикционной нелинейности на импедансные характеристики антенны 67
2.2 Исследование дисперсионных характеристик квазиэлектроста тических волн в магнитоактивной плазме со слабой простран ственной дисперсией 71
2.2.1 Условия лабораторных экспериментов 76
2.2.2 Экспериментальные результаты
2.2.3 Обсуждение результатов 85
2.3 Изучение механизмов каналирования квазиэлектростатических волн верхнегибридного диапазона частот в магнитоактивной плазме со слабой пространственной дисперсией 93
2.4 Экспериментальное исследование динамики формирования резонансных конусов импульсных высокочастотных источников в магнитоактивной плазме 98
2.4.1 Обсуждение 105
2.5 Основные результаты главы 109
3 Лабораторное исследование взаимодействия электронных пучков с магнитоактивной плазмой 112
3.1 Постановка лабораторных экспериментов 115
3.1.1 Инжекция пучка ускоренных электронов в плазму на установке ССМ 117
3.2 Механизмы возбуждения свистовых волн модулированным электронным пучком 121
3.2.1 Вторжение электронного пучка в плазму. Переходное излучение 121
3.2.2 Резонансные механизмы возбуждения свистовых волн 122
3.3 Возбуждение свистовых волн модулированным электронным пучком с помощью переходного излучения: результаты лабораторных экспериментов 125
3.3.1 Дисперсионные характеристики волн, возбуждаемых переходным излучением от точки инжекции модулирован ного электронного пучка в плазму.
Нерезонансный характер переходного излучения 128
3.3.2 Структура волновых полей и диаграмма направленности переходного излучения 132
3.3.3 Частотный спектр переходного излучения 136
3.4 Возбуждение свистовых волн модулированным электронным пучком на черенковском резонансе 140
3.4.1 Частотный спектр черенковского излучения 140
3.4.2 Характеристики возбуждаемых волн 143
3.4.3 Релаксация модулированного электронного пучка при черенковском взаимодействии с магнитоактивной плазмой 1 3.5 Возбуждение свистовых волн модулированным электронным пучком на циклотронном резонансе 152
3.6 Возбуждение свистовых волн импульсным электронным пучком 1 3.6.1 Механизмы возбуждения волн свистового диапазона частот159
3.6.2 Переходное излучение 161
3.6.3 Кильватерная волна короткого токового импульса 166
3.6.4 Черенковское излучение импульсного электронного пучка 168
3.7 Основные результаты главы
Исследование процессов нелинейного взаимодействия импульс ного СВЧ излучения с неоднородной плазмой 176
4.1 Параметрическое взаимодействие волн в неоднородной плазме 181
4.2 Ускорение ионов при резонансном поглощении СВЧ импульса в плазме 188
4.3 Низкочастотная неустойчивость двойного слоя, вызванная ускоренной ионной компонентой 194
4.3.1 Модель неустойчивости 200
4.4 Основные результаты главы 205
5 Лабораторное моделирование активных экспериментов по на греву ионосферной плазмы мощной радиоволной 208
5.1 Обзор основных результатов нагревных экспериментов в F-слое
ионосферы. Постановка задачи лабораторного моделирования. 208
5.1.1 Нагревные эксперименты в F-слое ионосферы: постановка задачи и экспериментальные возможности 208
5.1.2 Стадии воздействия. Типы нелинейностей. Характерные масштабы 211
5.1.3 Стрикционный этап воздействия на ионосферу 212
5.1.4 Тепловой этап воздействия на ионосферу 213
5.1.5 Постановка задачи лабораторных экспериментов
2 5.2 Термодиффузия плазмы во внешнем магнитном поле 221
5.3 Исследование эффекта теплового самоканалирования ленгмю-ровских волн в магнитоактивной плазме
2 5.3.1 Постановка лабораторных экспериментов 230
5.3.2 Экспериментальное исследование нелинейного захвата и самоканалирования ленгмюровских волн в мелкомасштабной плазменной неоднородности 232
5.3.3 Выводы 243
5.4 Лабораторное моделирование искусственного радиоизлучения ионосферы 244
5.4.1 Постановка экспериментов 246
5.4.2 Наблюдение спектральных компонент, связанных с на-гревным воздействием на плазму 247
5.4.3 Механизмы генерации динамического спектрального сателлита 250
5.4.4 Механизмы генерации стационарного спектрального сателлита 252
5.4.5 Выводы 258
5.5 Основные результаты главы 259
Заключение 261
Литература
- Экспериментальный стенд MWPI (Utsunomiya University, Japan)
- Каналирование волн свистового диапазона частот в тепловых плазменных неоднородностях
- Возбуждение свистовых волн модулированным электронным пучком с помощью переходного излучения: результаты лабораторных экспериментов
- Ускорение ионов при резонансном поглощении СВЧ импульса в плазме
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Интерес к исследованиям волновых процессов в плазме поддерживается уже в течение многих десятков лет, что связано с потребностями многочисленных приложений, к числу которых относятся задачи генерации, нагрева и диагностики плазмы в промышленных и термоядерных источниках, задачи дальней радиосвязи и мониторинга космической плазмы и пр. В последние годы значительное развитие получили исследования, направленные на изучение волновых явлений в околоземной плазме методами активного воздействия [1*-4*], в связи с чем возрос интерес и к лабораторным экспериментам, моделирующим различные этапы подобного воздействия [5*, 6*, 2]. Задачи, решаемые в рамках подобных лабораторных экспериментов, направлены, в первую очередь, на тестирование основных физических моделей, применяемых для объяснения плазменных процессов, возникающих в околоземной плазме в присутствии тех или иных возмущающих факторов. Это направление исследований является основным в рамках настоящей диссертационной работы.
К настоящему времени получена обширная база экспериментальных данных по электромагнитным процессам в ионосфере и магнитосфере Земли [7*, 8*], обеспечивающая огромные возможности для проведения тестовых лабораторных экспериментов. Одним из наиболее распространенных типов активного воздействия на околоземную плазму является вторжение в нее мощного электромагнитного излучения в тех частотных диапазонах, где возможно резонансное взаимодействие волн с плазмой. В этих условиях влияние электромагнитных волн на параметры околоземной плазмы заметно возрастает. Действительно, замедленные собственные волны резонансных частотных диапазонов могут эффективно обмениваться энергией с потоками ускоренных частиц, постоянно присутствующими в околоземной плазме, и с фоновой плазмой, приводя к развитию нелинейных эффектов, модификации параметров плазмы и пр.
Так, например, эксперименты с использованием наземных ОНЧ передатчиков приводят к воздействию на магнитосферную плазму в свистовом диапазоне частот, наиболее подходящем для резонансного взаимодействия с энергичными заряженными частицами радиационных поясов Земли [8*, 9*]. Коротковолновое излучение мощных наземных радиопередатчиков приводит к эффективному нагреву F-слоя ионосферы, сопровождающемуся возбуждением волн другого резонансного диапазона частот - верхнегибридного, под действием которых развивается так называемая искусственная ионосферная турбулентность [1*, 10*]. В ряде активных экспериментов воздействие на околоземную плазму осуществляется с борта космических аппаратов [4*, 11*, 12*]. Преимущество подобных экспериментов заключается в том, что возмущающее воздействие на плазму осуществляется непосредственно в исследуемой области ионосферы или магнитосферы. Кроме того, использование космических аппаратов позволяет расширить возмож-
ности активного воздействия на плазму. В частности, помимо волнового воздействия с помощью разворачиваемых антенных систем, околоземная плазма может пронизываться пучками ускоренных частиц [4*, 13*, 14*], что позволяет выполнить целый класс новых активных экспериментов.
Несмотря на значительный прогресс в экспериментальных и теоретических исследованиях, построение окончательных моделей, описывающих все многообразие волновых явлений в околоземной плазме, еще далеко до своего завершения. Дело в том, что околоземная плазма представляет собой весьма сложную среду, как с точки зрения электродинамики, так и в отношении процессов переноса тепла и вещества. Кроме того, в околоземном пространстве одновременно присутствует большое число возмущающих факторов: потоки частиц (вообще говоря, нестационарные), пространственные неоднородности различных масштабов, волновые возмущения различных параметров среды и пр. В результате, интерпретация экспериментальных данных, а также теоретическое описание наблюдаемых явлений оказывается весьма затрудненным. Постановка же и проведение натурных экспериментов в околоземной плазме усложняется необходимостью одновременно контролировать значительное число параметров; при этом получение достоверных экспериментальных данных в условиях околоземной плазмы сопряжено со значительными трудностями, связанными с удаленностью исследуемой области от наблюдателя и принципиальной невозможностью использовать целый ряд простых экспериментальных техник.
Сложность и многообразие волновых процессов, протекающих в ионосфере и магнитосфере Земли, а также трудности, связанные с однозначной интерпретацией экспериментальных данных, приводят к необходимости тестирования основных физических моделей в лабораторных экспериментах. Основным преимуществом модельных экспериментов является возможность контролировать и целенаправленно менять каждый параметр плазмы, а также независимо варьировать условия внешнего воздействия на нее. Подобный подход, который, очевидно, невозможно реализовать в условиях натурных космических экспериментов, позволяет выявить основные закономерности исследуемых процессов и, соответственно, определить физические механизмы, отвечающие за их развитие.
В настоящей диссертационной работе изложены результаты цикла экспериментальных исследований, исследующих волновые процессы, развивающиеся в магнитоактивной плазме при воздействии на нее различных возмущающих факторов, таких как инжекция пучков заряженных частиц или излучение резонансных частотных диапазонов.
Целью диссертационной работы является лабораторное изучение волновых процессов в магнитоактивной плазме, моделирующей условия ионосферы и магнитосферы Земли. Исследования, выполненные в рамках настоящей работы, сосредоточены в следующих направлениях:
определение основных принципов, на которых должны быть основаны эксперименты, моделирующие волновые процессы, протекающие в ионосфере и магнитосфере Земли;
экспериментальное изучение дисперсионных характеристик волн в магнитоактивной плазме в резонансных (свистовом и верхнегибридном) диапазонах частот. Исследование вопросов каналирования волн этих диапазонов в вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменных каналах (дактах плотности);
изучение механизмов взаимодействия модулированных и импульсных электронных пучков с магнитоактивной плазмой и возбуждения волн свистового диапазона частот подобными пучками. Исследование процессов релаксации электронных пучков;
анализ основных характеристик плазменной турбулентности, развивающейся под воздействием интенсивных электромагнитных полей резонансных диапазонов частот;
исследование низкочастотных неустойчивостей двойного слоя, стимулированных воздействием потоков ускоренных ионов;
лабораторное моделирование механизмов генерации мелкомасштабной тепловой параметрической турбулентности и искусственного радиоизлучения, возбуждаемых в і^-слое ионосферы под действием мощных пучков радиоволн коротковолнового диапазона частот.
Научная новизна:
1. На основе экспериментального исследования дисперсионных ха
рактеристик и особенностей распространения волн резонансных диапазо
нов частот в магнитоактивной плазме выявлены и проанализированы:
новые режимы каналированного распространения волн свистового и верхнегибридного диапазонов частот;
особенности влияния слабой пространственной дисперсии магнитоактивной плазмы на дисперсионные характеристики волн резонансных диапазонов частот.
-
Выполнены первые экспериментальные наблюдения различных механизмов генерации волн свистового диапазона частот нестационарными электронными пучками и сопутствующих процессов релаксации пучков.
-
Обнаружен и исследован новый тип низкочастотных неустойчивостей двойных слоев, возникающий в плазме с ускоренной ионной компонентой.
-
На основе экспериментального исследования процессов нелинейного взаимодействия волн верхнегибридного диапазона частот с магнитоактивной плазмой впервые продемонстрирован эффект теплового самока-налирования ленгмюровских волн, приводящий к мелкомасштабной фила-ментации плазмы и генерации ряда спектральных компонент в спектре са-моканалирующихся волн.
Научно-практическая значимость результатов работы.
Научное значение результатов лабораторных экспериментов, представленных в диссертации, связано с тем, что они дают новую информацию по целому ряду фундаментальных проблем физики плазмы. К числу этих проблем относятся: особенности дисперсии волн резонансных диапазонов, связанные с задачами их трансформации [13, 16, 18, 15*, 16*] и каналирования [3, 20-25, 17*-20*], механизмы ускорения частиц в плазме [12, 14, 15, 23*, 24*] и взаимодействия электронных и ионных пучков с плазмой [4, 6, 21*-24*], генерация излучений и неустойчивостей в ходе этого взаимодействия [4-11, 14, 4*, 13*, 14*, 21*, 22*, 25*], возбуждение плазменной турбулентности в ходе теплового взаимодействия волн с плазмой [1*, 10*, 26*, 27*, 20-22, 24-26]. На основе полученных результатов могут быть построены новые модели физических эффектов, наблюдаемых в околоземной плазме, а также предложены новые программы активных экспериментов в ионосфере и магнитосфере Земли.
Практическая значимость представленных исследований связана, в первую очередь, с задачами низкочастотной радиосвязи и диагностики околоземной плазмы волновыми методами [1*, 9*]. Эти задачи тесно связаны с проблемами эффективного возбуждения волн большой амплитуды в ионосфере и магнитосфере Земли источниками наземного и спутникового базирования, а также направленного распространения волн, нашедшие отражение в результатах настоящей диссертационной работы. В связи с этим, значительной практической ценностью обладают результаты по управлению импедансными характеристиками антенн в плазме [1, 3], исследованию различных режимов каналирования волн резонансных диапазонов частот в дактах плотности [3, 20-25], возбуждения волн свистового диапазона частот модулированными пучками ускоренных электронов [4, 5, 7-11, 31]. Физические модели, разработанные на основе результатов, представленных в диссертации, применяются для интерпретации эффектов, наблюдающихся в ходе активных экспериментов по инжекции пучков заряженных частиц в ионосферу Земли [28*], при наблюдении солнечных радиовспышек [29*], в экспериментах по модификации ионосферы мощным коротковолновым радиоизлучением [1*], в частности, для объяснения ряда особенностей структуры искусственных ионосферных неоднородностей [30*], а также для интерпретации механизмов формирования ряда спектральных компонент искусственного радиоизлучения ионосферы [31*].
Апробация результатов работы.
Данная диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетом учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук. Основное ее содержание опубликовано в 32 статьях в реферируемых научных изданиях. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на симпозиуме URSI (Санкт-Петербург, 1995), конференциях Ев-
ропейского физического общества по управляемому синтезу и физике плазмы (Прага, 1998; Лондон, 2004), XXV Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества (Ницца, 2000), международной конференции по физике плазмы ICCP (Квебек, 2000), XLIV конференции по физике плазмы Американского физического общества (Орландо, 2002), конференциях IEEE по физике плазмы (Баннф, Канада, 2002; Jeju, Корея, 2003), XII международном конгрессе по физике плазмы (Ницца, 2004), конференции Японского физического общества (Сендай, 2003), XXXVI ассамблее COSPAR (Пекин, 2004), XXV Генеральной ассамблее URSI (Лилль, 1996), международных конференциях Strong microwaves in plasmas (Нижний Новгород, 1996, 1999, 2002), III международной конференции Frontiers of nonlinear physics (Нижний Новгород, 2007), VII международном симпозиуме "Modification of Ionosphere by Powerful Radio Waves" (Москва, 2007), VII конференции «Физика плазмы в солнечной системе» (Москва, 2012), на научных семинарах ИПФРАН, НИРФИ, XI парижского университета, Орлеанского университета, университетов г. Уцуномия и г. Сендай (Япония).
Структура работы.
Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы. Общий объем работы - 285 страниц, 121 рисунок. Список цитируемой литературы содержит 242 наименования.
Экспериментальный стенд MWPI (Utsunomiya University, Japan)
Научное значение результатов лабораторных экспериментов, представленных в диссертации, связано с тем, что они дают новую информацию по целому ряду фундаментальных проблем физики плазмы. К числу этих проблем относятся: особенности дисперсии волн резонансных диапазонов, связанные с задачами их трансформации и каналирования, механизмы ускорения частиц в плазме и взаимодействия электронных и ионных пучков с плазмой, генерация излучений и неустойчивостей в ходе этого взаимодействия, возбуждение плазменной турбулентности в ходе теплового взаимодействия волн с плазмой. На основе полученных результатов могут быть построены новые модели физических эффектов, наблюдаемых в околоземной плазме, а также предложены новые программы активных экспериментов в ионосфере и магнитосфере Земли.
Практическая значимость представленных исследований связана, в первую очередь, с задачами низкочастотной радиосвязи и диагностики околоземной плазмы волновыми методами. Эти задачи тесно связаны с проблемами эффективного возбуждения волн большой амплитуды в ионосфере и магнитосфере Земли источниками наземного и спутникового базирования, а также направленного распространения волн, нашедшие отражение в результатах настоящей диссертационной работы. В связи с этим, значительной практической ценностью обладают результаты по управлению импедансными характеристиками антенн в плазме, исследованию различных режимов каналирования волн резонансных диапазонов частот в дактах плотности, возбуждения волн свистового диапазона частот модулированными пучками ускоренных электронов. Физические модели, разработанные на основе результатов, представленных в диссертации, применяются для интерпретации эффектов, наблюдающихся в ходе активных экспериментов по инжекции пучков заряженных частиц в ионосферу Земли, при наблюдении солнечных радиовспышек, в экспериментах по модификации ионосферы мощным коротковолновым радиоизлучением, в частности, для объяснения ряда особенностей структуры искусственных ионосферных неоднородностей, а также для интерпретации механизмов формирования ряда спектральных компонент искусственного радиоизлучения ионосферы.
Апробация результатов работы. Данная диссертация выполнена в Федеральном государственном бюд жетом учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук. Основное ее содержание опубликовано в 32 статьях в реферируемых научных изданиях. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на симпозиуме URSI (Санкт-Петербург, 1995), конференциях Европейского физического общества по управляемому синтезу и физике плазмы (Прага, 1998; Лондон, 2004), XXV Генеральной ассамблее Европейского геофизического общества (Ницца, 2000), между народной конференции по физике плазмы ICCP (Квебек, 2000), XLIV конференции по физике плазмы Американского физического общества (Орландо, 2002), конференциях IEEE по физике плазмы (Баннф, Канада, 2002; Jeju, Корея, 2003), XII международном конгрессе по физике плазмы (Ницца, 2004), конференции Японского физического общества (Сендай, 2003), XXXVI ассамблее COSPAR (Пекин, 2004), XXV Генеральной ассамблее URSI (Лилль, 1996), международных конференциях Strong microwaves in plasmas (Нижний Новгород, 1996, 1999, 2002), III международной конференции Frontiers of nonlinear physics (Нижний Новгород, 2007), VII международном симпозиуме "Modification of Ionosphere by Powerful Radio Waves" (Москва, 2007), VII конференции «Физика плазмы в солнечной системе» (Москва, 2012), на научных семинарах ИПФРАН, НИРФИ, XI парижского университета, Орлеанского университета, университетов г. Уцуномия и г. Сендай (Япония).
Перейдем к изложению содержания работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Во Введении изложены цели работы и приведена краткая ее характеристика. Первая глава диссертации посвящена постановке задач лабораторного исследования волновых процессов в магнитоактивной плазме. В разделе 1.1 излагаются основные принципы лабораторного моделирования волновых процессов в околоземной плазме и требования, предъявляемые к лабораторным стендам, предназначенным для подобного моделирования. Выведены, в частности, законы подобия, позволяющие связывать между собой параметры лабораторной и околоземной плазмы. Обосновывается применимость ограниченного или частичного лабораторного моделирования (при котором параметры лабораторной плазмы лишь частично моделируют околоземные условия) для качественного исследования физических процессов в ионосфере и магнитосфере Земли. В следующих разделах главы приводятся описания основных лабораторных стендов, на которых проводились экспериментальные работы, изложенные в диссертации. В разделе 1.2 рассматриваются основные характеристики экспериментального стенда «Ионосфера». Достаточно большие размеры квазиоднородного плазменного столба, широкий диапазон изменения параметров плазмы и внешнего магнитного поля позволил провести на стенде «Ионосфера» многочисленные экспериментальные исследования волновых процессов в резонансных диапазонах частот, представленные в настоящей диссертационной работе.
Раздел 1.3 содержит описание стенда ССМ (LPGP, Universite Paris-Sud XI, Orsay, France). Основные направления исследований, проводившихся на этом экспериментальном стенде, связаны с взаимодействием нестационарных пучков ускоренных электронов с магнитоактивной плазмой. В силу этого, помимо изложения основных характеристик плазмы и внешнего магнитного поля, в данном разделе рассматриваются методы формирования электронных пучков в лабораторных условиях.
Наконец, в разделе 1.4 изложены характеристики стенда MWPI (Университет г.Уцуномия, Япония), на котором проводились исследования основных характеристик турбулентности, возникающей при взаимодействии мощного СВЧ излучения с неоднородной плазмой, и задач взаимодействия потоков ускоренных плазменных компонент с двойными слоями.
В разделе 1.5 рассматриваются принципы работы основных методов диагностики плазмы и волновых полей в плазме, использовавшиеся при выполнении экспериментов. Особенное внимание уделяется особенностям диагностики параметров плазмы методами СВЧ резонаторных зондов, пробных ионно-звуковых волн и методом резонансных конусов электромагнитных источников.
Как отмечалось выше, значительная часть волновых процессов, развивающихся в околоземной плазме, связана с ее взаимодействием с волнами резонансных диапазонов частот. В рамках настоящей диссертационной работы, лабораторное исследование механизмов подобного взаимодействия предваряется детальным экспериментальным изучением дисперсионных характеристик этих волн, изложенным во второй главе диссертации. Основная особенность дисперсии волн в резонансных диапазонах частот связана, безусловно, с существованием сильно замедленных квазиэлектростатических волн. Именно этим типом волн определяется взаимодействие с ускоренными частицами плазмы, а также ряд нелинейных процессов, рассмотренных в других разделах настоящей диссертации. Другая особенность дисперсии волн в резонансных диапазонах частот в магнитоактивной плазме связана с возможностью направленного (каналированного) распространения волн в естественных или искусственных плазменных неоднородностях. В силу специфики процессов переноса в магнитоактивной плазме, подобные неоднородности сильно вытянуты вдоль внешнего магнитного поля Во- В результате, каналируемые волны могут распространяться на значительные расстояния вдоль В0 без заметного уменьшения амплитуды, что приводит к еще более значительному увеличению эффективности энергообмена между волнами и энергичными компонентами плазмы.
В разделе 2.1 рассматриваются задачи каналирования свистовых волн дактами плотности плазмы различной поперечной структуры. Показано, в частности, что в однородный дакт с пониженной плотностью плазмы захватываются свистовые волны, соответствующие минимуму поверхности волновых векторов; для такого режима захвата впервые продемонстрировано существование мелкомасштабной поперечной волновой структуры с масштабом порядка /j_ тгс/шр. Обнаружено, что наличие на оси дакта локального максимума концентрации приводит к полному подавлению захвата этих волн, в то же время, в этом локальном максимуме концентрации эффективно захватываются квазипродольные свистовые волны. В этом же разделе рассмотрен новый принцип согласования рамочных антенн путем изменения толщины двойного слоя, окружающего антенну.
Каналирование волн свистового диапазона частот в тепловых плазменных неоднородностях
Большинство лабораторных экспериментов по исследованию волновых процессов в магнитоактивной плазме производится в режиме распадающейся плазмы. Этот режим будет использоваться и в настоящих экспериментах. Диаграммы изменения параметров плазмы в режиме распада представлены на рис. 1.15. При этом считается, что напряженность внешнего магнитного поля Во (а, значит, и шс) и частота излучения ш остаются постоянными в течение распада плазмы, уменьшается лишь концентрация плазмы Ne (и, соответственно, плазменная частота шр). Динамика параметров плазмы в течение распада показана стрелками на рис. 1.15. Видно, что оказывается возможным выбрать два различных режима распада. Во-первых, при условии ш шс (кривая 1 на рис. 1.15) параметры плазмы в процессе распада пересекают область существования верхнегибридных резонансных конусов (отмечена как UH), лежащую в пределах уш2 — ш2 шр ш. Отметим, что для вычисления угла раскрыва резонансных конусов в этом диапазоне необходимо пользоваться полным выражением для 9res (1.15). Во-вторых, при условии ш шс (кривая 2) параметры распадающейся плазмы оказываются в нижнегибридном диапазоне частот (отмечен как LH) вплоть до концентрации, определяемой из условия Шр = ш. При этом, в достаточно плотной плазме (при шр шс) выражение (1.15) упрощается к виду 9res = arctan—. = (116) и метод резонансных конусов может использоваться для измерения напряженности внешнего магнитного поля. В случае же редкой плазмы, когда шр С шс. выражение (1.15) сводится к Ores = arctan— =, (1-17) у(и% - 2) т.е. методом резонансных конусов молено измерять концентрацию плазмы. Отметим также, что метод резонансных конусов используется напрямую для получения абсолютных значений измеряемых величин и, таким образом, не требует дополнительной калибровки.
Измерения диаграммы направленности малой антенны в резонансных диапазонах частот на стенде Ионосфера Диаграмма направленности малого электрического вибратора измерялась в режиме распадающейся плазмы с помощью системы антенн, изображенной на рис. 1.1. Излучающая и приемная антенны представляют собой малые электрические вибраторы длиной 1 см и диаметром 0,3 мм. Излучающая антенна покрыта слоем диэлектрика толщиной 0,3 мм для уменьшения влияния параметров окружающей плазмы на характеристики излучения. Сигнал с приемной антенны принимался узкополосным (Д/ = 100 кГц) приемником.
Резонансные конусы нижнегибридного диапазона частот. Типичные диаграммы направленности малой антенны в нижнегибридном (свистовом) диапазоне частот представлены на рис. 1.16 для нескольких концентраций фоновой плазмы. На рисунке видно, как происходит формирование резонансных конусов при уменьшении концентрации плазмы. В очень плотной плазме, т.е. сразу по окончании работы ВЧ-источника, амплитуда излучения практически равна нулю, хотя, как следует из рис. 1.15, в этой области параметров могут возбуждаться свистовые волны. Излучение появляется лишь при концентрациях Ne 1012 см-3; в этом случае диаграмма направленности излучающей антенны характеризуется достаточно широким максимумом, направленным вдоль внешнего магнитного поля. При уменьшении концентрации плазмы формируются выраженные особенности излучения вдоль резонансных направлений. При концентрациях, меньших 1010 см-3, амплитуда волн, распространяющихся в нерезонансных направлениях, оказывается пренебрежимо малой и структура электрических полей в окрестности излучающей антенны полностью характеризуется резонансными конусами.
Данная особенность нижнегибридных резонансных конусов качественно объясняется на рис. 1.17, где приведена динамика поверхностей показателей преломления в зависмости от концентрации плазмы. Заштрихованная область качественно обозначает пространственный спектр антенны, т.е. антенна, имеющая характерный размер R, может возбуждать только те волны, 1 2 LH
Поверхности показателей преломления нижнегибридного диапазона частот для нескольких значений концентрации плазмы: N\ N2 N3 - 4- Заштрихованная область качественно обозначает пространственный спектр излучающей антенны. которые лежат внутри круга радиусом ктах 2тг/R. Видно, что при высоких концентрациях плазмы (N\ на рис. 1.17) пространственный спектр излучателя не захватывает поверхность показателя преломления волны и, таким образом, эффективность излучения оказывается весьма низкой. При уменьшении концентрации плазмы (Л на рис. 1.17) излучающая антенна начинает возбуждать квазиэлектромагнитные волны, распространяющиеся, в основном, вдоль внешнего магнитного поля. При еще более низких концентрациях плазмы (N3 на рис. 1.17) в спектре антенны оказываются и квазиэлектростатические волны. В результате, при уменьшении Ne все большая часть излучения сосредотачивается в окрестности резонансных направлений. Наконец, в редкой плазме (Л?4 на рис. 1.17) практически все излучение антенны распространяется вдоль резонансных направлений и резонансные конусы источника оказываются сформированными.
Отметим также, что в некотором диапазоне концентраций (Ne (1 — 3) х 1010 см-3), когда резонансные конусы уже достаточно хорошо сформированы, но неравенство шр шс еще выполняется, резонансные конусы могут служить для измерения напряженности внешнего магнитного поля. Угол их раскрыва в этом случае не зависит от концентрации плазмы, но зависит от отношения ш/шс.
В еще более редкой плазме угол раскрыва резонансных конусов на чинает сильно зависеть от концентрации и резонансные конусы оказываются пригодными для измерения абсолютных значений концентрации. Точность измерения угла раскрыва резонансных конусов, которую можно оценить по полуширине углового резонанса, в представленных экспериментах оказывается порядка 2-3 градусов. Используя выражение (1.15) можно оценить соответствующую точность измерения концентрации плазмы. В наших условиях она обычно оказывается порядка 3-5%.
Естественным ограничением снизу по концентрациям плазмы, которые можно измерять методом нижнегибридных резонансных конусов, является условие ш = шр. Однако, в нижнегибридном диапазоне можно выбирать весьма низкие рабочие частоты и, таким образом, проводить измерения очень низких концентраций. Нами были проведены измерения нижнегибридных резонансных конусов вплоть до частоты / = 16 МГц, что позволило измерить концентрацию плазмы до значений порядка 3 х 106 см-3. Результаты измерения концентрации плазмы на установке «Ионосфера» сведены на рис. 1.4
Резонансные конусы верхнегибридного диапазона частот. Для измерения параметров плазмы могут применяться и резонансные конусы верхнегибридного диапазона частот. Их характерная структура приведена на рисунке 1.18.
Как уже отмечалось, верхнегибридные резонансные конусы существуют только в диапазоне концентраций между плазменным и верхнегибридным резонансами (рис. 1.15), причем при распаде плазмы мы сначала проходим плазменный резонанс (ш = шр), когда 9res = 90 (см. выражение (1.15)); с уменьшением концентрации угол раскрыва резонансных конусов уменьшается и обращается в нуль на верхнегибридном резонансе (и = ш" + ш).
Видно, что верхнегибридные резонансные конусы не столь хорошо сформированы, как нижнегибридные: их характерная ширина значительно больше. Этот эффект связан с влиянием конечной температуры плазмы; он будет обсуждаться в разделе 2.2. Несмотря на это, ВГ резнансные конусы также могут использоваться для измерения концентрации плазмы.
Зависимость диаграммы направленности малой антенны от концентрации плазмы в верхнегибридном диапазоне параметров. мы. Исходя из общих условий подобия, были решены некоторые задачи масштабирования околоземных процессов до параметров газоразрядной плазмы. В то же время, показано, что требования детального исследования развивающихся физических процессов в ряде случаев приводит к необходимости сознательно нарушать принципы масштабирования. Для этих случаев введено понятие частичного масштабирования, приведены конкретные примеры успешных работ, выполненных в условиях частичного масштабирования околоземных процессов.
В главе приводятся описания основных экспериментальных стендов, на которых выполнялись работы, составившие основу настоящей диссертации.
В заключительном разделе главы излагаются некоторые нестандартные методы диагностики параметров плазмы, использованные при выполнении экспериментальных работ.
Возбуждение свистовых волн модулированным электронным пучком с помощью переходного излучения: результаты лабораторных экспериментов
В разделе 2.2 было показано, что в условиях слабой пространственной дисперсии (уже при к С 1/го), поверхность показателей преломления верхнегибридного диапазона частот заметно искажается. В результате формирования дисперсионной ветки, соответствующей ленгмюровским волнам, и ее объединения с дисперсионной веткой, соответствующей резонансным конусам, образуется единая дисперсионная ветвь (см. рис. 2.14). В разделе 2.2 отмечались некоторые следствия подобного возмущения дисперсионных характеристик, в частности, искажение структуры резонансных конусов, ширина которых, в частности, перестает определяться характерным размером излучающей антенны, а оказывается связанной с длиной прямолинейного участка поверхности показателей преломления. В настоящем разделе будет рассмотрено другое следствие подобного искажения поверхности показателей преломления под действием слабой пространственной дисперсии, а именно, возможность каналирования квазиэлектростатических волн верхнегибридного диапазона вытянутыми плазменными структурами с пониженной концентрацией электронов10 [103, 104]. Данный результат чрезвычайно важен для многочисленных задач физики плазмы, связанных с исследованием режимов взаимодействия плазменных волн с магни-тоактивной плазмой, в частности, с изучением плазменной турбулентности в токамаках и ионосфере Земли. Результаты настоящего раздела будут использованы при анализе экспериментальных данных, представленных в главе 5 настоящей диссертационной работы.
Прежде чем перейти к экспериментальным данным, проведем качественное рассмотрение возможности захвата квазиэлектростатических волн верхнегибридного диапазона в плазменный канал [103]. Пусть имеется вытянутый вдоль внешнего магнитного поля канал с постоянным профилем вдоль оси z (рис. 2.18(a)). Рассмотрим вначале случай, когда концентрация фоновой плазмы NQ несколько превышает критическую концентрацию Np = теш2/А7те2, а концентрация плазмы на оси канала несколько ниже критической. В этом случае, в зависимости от продольного волнового числа h каналируемой волны возможны два режима каналирования, показанные на рисунках 2.18 и 2.19. Поверхности показателей преломления Z-мода, распространяющейся внутри канала, показаны на рисунках 2.18(b) и 2.19(b). В рассматриваемом случае, когда No Np, возможны два режима захвата. В первом случае, при сравнительно больших продольных волновых числах каналируемой моды, захватывается только ленгмюровская волна. Этот случай рассмотрен на рис. 2.18(b); направления групповых скоростей каналируемой моды с к\\ = h показаны стрелками. В центре канала (Ne = щ) волна распространяется под углом к внешнему магнитному полю, т.е. по направлению к периферии канала. На периферии канала концентрация плазмы возрастает (Ne = Пз,П2) и угол 9 между групповой скоростью Vfl и внешним магнитным полем В0 уменьшается. При некоторой концентрации Ne = п\ угол в обращается в нуль, волна отражается от стенки канала и, таким образом, происходит захват волны в канале. Качественный вид лучевых траекторий захваченной плазменной волны
Режим захвата квазиэлектростатических волн ВГ диапазона частот в плазменный канал, (а) - Структура канапа с пониженной концентрацией плазмы. Качественно показаны лучевые траектории захваченной моды. (Ь) - Поверхности показателей преломления Z-моды при разных концентрациях плазмы внутри канала. Стрелками показаны направления групповых скоростей. Видно, что .пенгмюровские волны могут отражаться от стенок канала, т.е. может происходить захват плазменной волны в канале с пониженной плотностью плазмы. показан на рис. 2.18(b).
При меньших продольных волновых числах каналируемой моды возможен более сложный процесс захвата, показанный на рис. 2.19. В этом случае, волна с дисперсией типа резонансных конусов (обозначенная как „Z" на рис. 2.19(b)), возбуждаемая в центральной части канала, распространяется под углом, близким к резонансному углу Ores, по направлению к периферийной части канала, где происходит ее трансформация в ленгмюровскую волну („L" на рис. 2.19(b)), при этом продольная составляющая групповой скорости волны меняет направление на противоположное, после чего ленгмюровская волна отражается от стенки канала. Типичный вид лучевых траекторий в таком случае показан на рис. 2.19(a). Необходимо отметить, что подобный режим захвата может быть успешно реализован, по-видимому, только в случае, когда концентрация фоновой плазмы превышает критическое значение. Очевидным недостатком представленного выше рассмотрения является его лучевой характер, неприменимый в случае достаточно узких неодно 2 з" Режим захвата квазиэлектростатических волн ВГ диапазона частот в плазменный канал, (а) - Структура канапа с пониженной концентрацией плазмы. Качественно показаны лучевые траектории захваченной моды (области разворота изображены в увеличенном масштабе). (Ь) - Поверхности показателей преломления Z-моды при разных концентрациях плазмы внутри канала. Стрелками показаны направления групповых скоростей. Видно, что внутри канала мода типа резонансных конусов трансформируется в ленгмюровскую волну и отражается от стенок канала. родностей. Элементарная оценка минимальных размеров плазменного канала может быть выполнена следующим образом. Минимальная ширина канала, пригодная для захвата волны, связана с поперечным волновым числом соотношением типа Rmm ос 1/ках Грубую лее оценку величины k1Jmx для волн ВГ диапазона частот можно сделать, воспользовавшись оценкой величины волнового вектора ленгмюровской волны: k2V /ujQ = 1 — v, т. е. (/саж)2 yzjp-- В результате, для параметров наших лабораторных экспериментов (см. главу 5) Rmm оказывается порядка 1-2 см. Этот размер хорошо соответствует характерному размеру тепловых плазменных неоднородностей, которые мы будем исследовать в дальнейшем.
Гежимы захвата и каналирования квазиэлектростатических волн верх негибридного диапазона частот в плазменных неоднородностях с пониженной концентрацией электронов были протестированы экспериментально. Результаты этих экспериментов представлены на рисунке 2.20. Для формирования канала, к электрической антенне подводилась волна накачки на частоте 300 МГц в условиях геометрического резонанса антенны. При этом происходит согласование антенны с подводящим трактом и, как следствие, значительное увеличение амплитуды ближних полей антенны. В результате развивающейся тепловой нелинейности, ближние поля антенны деформируют профиль фоновой плазмы, формируя вытянутый вдоль внешнего магнитного поля канал с пониженной концентрацией электронов. Фоновая концентрация плазмы превышала критическую концентрацию для пробных волн, концентрация же электронов на оси канала была ниже критической [рис. 2.20(a),(с)]. Пробные волны излучались электрической антенной, расположенной на краю канала (позиция антенны выбиралась из условий оптимального возбуждения требуемой волноводной моды и приблизительно соответствовала точке, в которой выполнялось условие плазменного резонанса для пробной волны). Видно, что пробные волны захвачены только в области концентраций ниже критического значения [рис. 2.20(b),(d), критическая концентрация для пробной волны составляет приблизительно 0.95х 109 см-3]. При этом, если концентрация электронов на оси канала была лишь незначительно ниже критического значения, захваченная мода формирует узкую волноводную структуру, располагающуюся на оси канала и не испытывающую поперечных осцилляции [рис. 2.20(b)] и. Если же минимальная концентрация электронов на оси канала оказывается значительно ниже критической, а область захвата, располагающаяся между точками поворота, приблизительно соответствующими точкам плазменного резонанса для пробной волны, оказывается, соответственно, достаточно широкой, то можно ожидать возбуждения волноводной моды второго типа, соответствующей рисунку 2.19. Очевидно, что эта мода может возбуждаться одновременно с модой первого типа (как на рис. 2.18). Для того, чтобы выделить отдельно моду второго типа, было предложено располагать антенну, излучающую пробную волну, на краю канала, на склоне концентрации. При этом, в какой-то момент времени в процессе формирования канала антенна окажется в точке поворота моды второго типа и, в результате, должно произойти возбуждение одной лучевой траектории, наподобие той, что изображена на рис. 2.19(a). Результат этого эксперимента представлен на рисунке
Ускорение ионов при резонансном поглощении СВЧ импульса в плазме
На рис. 3.26 представлены интерферометрические измерения вистлеров, излучаемых различными резонансными процессами при нескольких концентрациях плазмы; приемная антенна располагалась на расстоянии 3 см от оси электронного пучка и двигалась вдоль оси z между точками z = 20 см и z = 50 см. Для упрощения интерпретации экспериментальных кривых, был выбран режим параметров, когда продольные длины волн \9h = 2ж/k h и А/? = 2тг/кР вистлеров, возбуждаемых на черенковском и доплеровском резонансах, значительно различаются. В плотной плазме (при iVeD Ne N h) наблюдается только черенковское излучение (верхняя кривая на рис. 3.26): измеренная длина волны \ h = 2 см соответствует вычисленному значению. С уменьшением концентрации плазмы ниже Л Р, появляется излучение на доплеровском резонансе с характерной длиной волны AjP = 10.5 см (нижние кри вые на рис. 3.26). Зависимость ЛіР от напряженности магнитного поля была подробно излучена, так как одной из характеристик доплеровского излучения является линейная зависимость кР = 2п/\Р от В0. На рис. 3.27 продемонстрировано, что такая линейная зависимость действительно наблюдается, что подтверждает циклотронный характер наблюдаемого излучения. Наклон экспериментальной кривой р = 0.015, близкий к расчетному значению (р = 0.018), может быть использован для измерения параллельной компоненты скорости пучка. Аппроксимация кривой до значения кР = 0, когда частота модуляции fm оказывается равной циклотронной частоте /с, может быть использована для точной калибровки величины внешнего магнитного поля Во.
На рис. 3.28 показаны контуры постоянной фазы вистлеров, излучаемых на черенковском и доплеровском резонансах при концентрации плазмы е 5 N - , N h. Так как Ne i N h, на черенковском резонансе возбуждаются наклонные вистлеры (изображены пунктиром на рис. 3.28), близкие к резонансному конусу (измеренный угол резонансного конусы 9Ch = 25, расчетное значение - 9res = 23). Фазовые поверхности доплеровского излучения ориентированы под углом 9D = 13 9res. Стрелки на рисунке 3.28 показывают направления фазовых V и V и групповых скоростей V и V излучаемых волн. Они определены из условия, что поперечная компонента групповой скорости волны направлена от оси пучка наружу (позиция оси пучка на рис. 3.28: г = 0).
Рассмотренные выше задачи генерации квазимонохроматических вистлеров с помощью тонкого модулированного электронного пучка важны для понимания основных физических процессов пучково-плазменного взаимодействия, однако, для моделирования целого ряда задач, связанных с вторжением электронных пучков естественного происхождения в околоземную плазму требуется исследование процессов взаимодействия плазмы с нестационарными немонохроматическими пучками. Высыпания быстрых электронов в околоземную плазму носят преимущественно импульсный характер, поэтому в настоящем разделе диссертации подробно исследуются механизмы генерации импульсных электромагнитных процессов в магнитоактивной плазме при вторжении в нее быстрых нестационарных (преимущественно импульсных) электронных потоков.
Быстрые немонохроматические плазменные процессы активно исследуются на протяжении последних лет [136, 137, 83, 138]. Интерес к подобным зада 157
чам связан с рядом фундаментальных физических процессов, протекающих в околоземной и космической плазме, и сопровождающихся формированием быстрых токовых процессов. К их числу относятся, например, перезамыкание магнитных силовых линий в плазме [139, 140], высыпание ускоренных частиц в околоземную плазму [26], инжекция импульсных пучков заряженных частиц в ионосферу или магнитосферу Земли в ходе активных космических экспериментов [114], активные эксперименты с использованием тэссеровых систем в околоземной плазме [141, 142]. Кроме того, быстрые плазменные процессы являются неотъемлемой частью ряда прикладных задач, таких как плазменные методы ускорения частиц [143, 133, 134, 144, 145, 146, 147], магнитный и инерциальный синтез, импульсная радиолокация, плазменные источники ТГц излучения [148, 149] и т. п.
Было показано [136], что импульсные электромагнитные процессы с характерными временами ш 1 Tpuise шьн переносятся волнами свистового диапазона частот (шс и ш н - электронная гирочастота и нижнегибридная частота, соответственно).
В данном разделе представлены экспериментальные исследования импульсных волновых процессов, возбуждаемых в плазме одиночным коротким (продолжительностью порядка 10 не) сгустком ускоренных электронов или смодулированным электронным пучком с резким передним фронтом (со временем нарастания порядка 7 не). Одиночный сгусток или фронт пучка создают в плазме электромагнитный отклик в свистовом диапазоне частот, но, в отличие от модулированного электронного пучка, этот электромагнитный отклик характеризуется достаточно широким частотным спектром, определяемым длительностью импульса и параметрами плазмы. Были исследованы различные типы электромагнитных откликов плазмы, соответствующие различным механизмам излучения волн: нерезонансное переходное излучение точки инжекции и резонансное черенковское излучение. Оба типа излучения могут быть исследованы независимо с помощью соответствующего выбора параметров плазмы и условий измерения. Кроме того, при распространении в плазме одиночного токового импульса, в его кильватерном следе наблюдалось формирование вынужденных колебаний плазмы.
Условие черенковского резонанса может быть записано как Vp\\ = Ущ, где Ущ -продольная скорость пучка, Vp\\ - продольная фазовая скорость возбуждаемых волн. В случае инжекции в плазму короткого токового импульса (в отличие от инжекции модулированного электронного пучка) частота возбуждаемых волн ничем не задана, а, напротив, условия черенковского резонанса выполняются в широком диапазоне частот. Тем не менее, и в этом случае черенковское взаимодействие с вистлерами возможно только при концентрациях плазмы, меньших некоторого критического значения. На рисунке 3.29 показана поверхность волновых векторов в свистовом диапазоне для двух значений частоты: jj шс/2 (а) и ш шс/2 (Ь). Вистлеры могут возбуждаться на черенковском резонансе только если k\\min ш/Ц,\\, где к\\тіп - минимальное значение продольного волнового числа на частоте ш при заданных параметрах фоновой плазмы (отмечено на рис. 3.29(a),(Ь)). На рисунке 3.29(c) показаны зависимости нормализованной частоты ш/шс излучаемых вистлеров от к\\тіп для трех различных концентраций фоновой плазмы. На этом же графике изображены условия черенковского резонанса (линия к\\ = ш/Ущ). Концентрация NP2 на рис. 3.29(c) соответствует критическому значению, выше которого черенковское взаимодействие между токовым импульсом и вистлерами невозможно: NP2 = iVe При концентрации Nps N, черенковское взаимодействие между вистлерами и импульсом возможно в диапазоне частот ш н ш ША OJC. где частота и А обозначена на рис. 3.29(c); очевидно, что с уменьшением концентрации плазмы частотный диапазон вистлеров, для которых выполнены условия черенковского резонанса, становится шире. В представленных экспериментах использовались либо короткий одиночный сгусток электронов, либо электронный пучок с резким передним фронтом, которые создавались описанной выше электронной пушкой