Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Экспериментальные стенды и методы диагностики параметров плазмы 30
1.1. Условия моделирования космических явлений в лабораторной плазме. Параметры подобия 30
1.2. Экспериментальный стенд "Ионосфера" 33
1.3. Экспериментальный стенд ТН-1 38
1.4. Методы диагностики плазмы 45
Глава 2. Исследование термодиффузионных процессов в замагниченной плазме 63
2.1. Особенности термодиффузии плазмы в магнитном поле 63
2.1.1. "Быстрая" диффузия и термодиффузия плазмы в магнитном поле 64
2.1.2. Термосила и условие гидродинамического равновесия в замагниченной плазме при локальном нагреве электронов 69
2.1.3. Мелкомасштабная неустойчивость высокочастотного поля в замагниченной плазме с дефокусирующей тепловой нелинейностью 73
2.2. Экспериментальное исследование термодиффузионных процессов в замагниченной плазме 85
2.2.1. Динамика термодиффузионного перераспределения плотности замагниченной плазмы при локальном нагреве электронов 86
2.2.2. Вихревые термодиффузионные токи 97
2.3. Численное моделирование термодиффузионного перераспределения замагниченной плазмы при локальном нагреве электронов 104
2.4. Основные выводы 114
Глава 3. Нелинейное взаимодействие электромагнитных волн с плазмой и формирование плазменных линз 118
3.1. Изучение модуляционной неустойчивости, возбуждаемой в замагниченной плазме квазиоптическим электромагнитным пучком волн 118
3.1.1. Анализ функции распределения ускоренных электронов в поле электромагнитной волны 125
3.1.2. Диагностика сильной ленгмюровской турбулентности зондирующим электронным пучком 134
3.1.3. Измерение амплитуды и поляризации высокочастотного поля в турбулентной плазме методом сателлитов запрещенных переходов в Неї 139
3.1.4. Исследование низкочастотных флуктуации в турбулентной плазме 150
3.1.5. Дополнительная ионизация плазмы при развитии модуляционной неустойчивости 168
3.2. Тепловое "просветление" плазмы в магнитном поле привоздействии пучка электромагнитных волн 176
3.2.1. Формирование диаграммы направленности зондирующих плазму электромагнитных волн в поле сфокусированного излучения волны накачки 176
3.2.2. Лабораторное моделирование авроральной ионосферной линзы, создаваемой мощным электромагнитным излучением 188
3.3. Основные выводы 193
Глава 4. Электродинамические характеристики дипольных антенн в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот 197
4.1. Введение 197
4.2. Исследование импедансов дипопьных антенн 202
4.2.1. Электрическая антенна 202
4.2.2. Магнитная антенна 209
4.3. Структура электромагнитных полей дипольных излучателей в однородной магнитоактивной плазме 215
4.4. Способы увеличения эффективности излучения волн свистового диапазона частот дипольными антеннами 225
4.5. Влияние нелинейных эффектов в ближней зоне рамочной антенны на её излучательные характеристики 235
4.6. Излучение "магнитных токов" 245
4.7. Основные выводы 252
Глава 5. Каналирование волн свистового диапазона частот неоднородными плазменными структурами 256
5.1. Формирование дактов плотности в замагниченнойплазме 258
5.2. Каналирование вистлеров в "узких" дактах с пониженной плотностью 263
5.3. Каналирование вистлеров в "узких" дактах с повышенной плотностью 279
Глава 6. Взаимодействие модулированного электронного пучка с магнитоактивной плазмой 291
6.1. Экспериментальная установка ССМ 292
6.2. Механизмы возбуждения вистлеров 294
6.3. Переходное излучение модулированного электронного пучка 297
6.4. Черенковское возбуждение вистперов модулированным электронным пучком 307
6.5. Релаксация модулированного электронного пучка при взаимодействии с магнитоактивной плазмой 321
Приложение. Захват ленгмюровских волн внутри вытянутой неоднородности замагниченной плазмы 324
Заключение 330
Литература 335
- Экспериментальный стенд "Ионосфера"
- Мелкомасштабная неустойчивость высокочастотного поля в замагниченной плазме с дефокусирующей тепловой нелинейностью
- Анализ функции распределения ускоренных электронов в поле электромагнитной волны
- Способы увеличения эффективности излучения волн свистового диапазона частот дипольными антеннами
Введение к работе
Распространение и взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой на протяжении многих десятилетий остается актуальной проблемой экспериментальной и теоретической физики плазмы. Интерес к этой теме стимулирован как термоядерными, так и различными прикладными исследованиями, включая геофизические и астрофизические приложения. Особенность проблемы заключается в том, что в плазме уже при относительно низких значениях напряженности электромагнитного поля могут развиваться нелинейные процессы, приводящие к возникновению совершенно новых плазменных эффектов, которые могут существенно модифицировать параметры окружающей среды и, тем самым, повлиять на характеристики распространения высокочастотных волн.
В последние годы достаточно интенсивно проводится изучение основных параметров и физических явлений в околоземной плазме, в связи с многочисленными научными и техническими приложениями. Эти исследования проводятся как пассивными диагностическими методами с помощью приборов, установленных на поверхности Земли и на космических аппаратах (ракетах и ИСЗ), так и методами, основанными на "активном" воздействии на параметры ионосферной и маг-нитосферной плазмы посредством мощного электромагнитного излучения в различных диапазонах частот (с поверхности Земли и с борта ракет и ИСЗ), инжекции пучков заряженных частиц и т. п. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал о физических процессах, протекающих в околоземной плазме, однако, полного понимания механизма многих из наблюдаемых эффектов еще не достигнуто. Это обусловлено, главным образом, двумя причинами: недостаточной изученностью процесса, лежащего в основе данного явления, и трудностью оценки относительного вклада уже известных процессов, которые могли бы быть существенными для данного явления.
Следует отметить, что при постановке космических исследований приходиться иметь дело с трудными и дорогостоящими экспериментами. Это обстоятельство оправдывает изучение космических эффектов в модельных экспериментах, проводимых на лабораторных установках, тем более, что основные процессы как в космической, так и в лабораторной плазме (при правильном выборе условий эксперимента) подчиняются одним и тем же закономерностям. Кроме того, в лаборатории можно использовать весь арсенал современной диагностики плазмы и многократно воспроизводить исследуемое явление, целенаправленно варьировать условия его протекания.
В ИПФРАН созданы крупномасштабные экспериментальные стенды, на которых в соответствии с критериями подобия можно моделировать в лабораторных условиях основные параметры ионосферы и магнитосферы Земли и проводить комплексные научные исследования многих физических явлений, протекающих в околоземной плазме.
В настоящей диссертации представлен цикл экспериментальных исследований по моделированию эффектов, возникающих при воздействии интенсивного электромагнитного излучения на околоземную плазму как с поверхности Земли, так со спутников и ракет.
Исследуемые физические явления, сопровождающие процесс инжек-ции электромагнитного излучения и пучков заряженных частиц в за-магниченную плазму, являются актуальными проблемами и для фундаментальной физики плазмы. К этим явлениям относятся: нелинейные эффекты, развивающиеся вблизи области отражения интенсивных электромагнитных волн от замагниченной плазмы, особенности возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот, излучаемых как дипольными антеннами, так и пучками заряженных частиц, а также процессы переноса плотности в магнитном поле, определяющие физику нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой.
Основные направления лабораторных исследований физических эффектов, возникающих в активных экспериментах в околоземной плазме, сводятся к следующему: — разработка основных критериев и законов подобия для констру ирования экспериментальных плазменных стендов, на которых можно моделировать основные характеристики ионосферы и магнитосферы
Земли; изучение особенностей термодиффузионных процессов в замаг-ниченной плазме при локальном нагреве электронов в условиях, моделирующих эксперименты по воздействию мощного радиоизлучения на -F-слой ионосферы; исследование основных характеристик сильной ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой интенсивными пучками электромагнитных волн. Анализ влияния тепловых и стрикционных эффектов на прохождение электромагнитных волн через плотную плазму; исследование электродинамических характеристик дипольных антенн в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот в условиях, моделирующих "активные" эксперименты по излучению и приему электромагнитных волн с борта ИСЗ в ионосфере и магнитосфере Земли; изучение влияния тепловой и стрикционной нелинейностей на работу рамочных излучателей в свистовом диапазоне частот. Исследование возбуждения и каналирования волн свистового диапазона частот в дактах с пониженной и повышенной плотностью плазмы; — экспериментальное исследование возб}окдения волн свистового диапазона с помощью переходного и черенковского излучения при ин- жекции модулированного продольного электронного п}^чка в магнито- активную плазму.
Научная новизна.
Разработаны основные критерии подобия для создания лабораторных экспериментальных стендов, позволяющих моделировать основные параметры активных экспериментов, проводимых в ионосфере и магнитосфере Земли.
В условиях, моделирующих параметры F-слоя ионосферы, впервые экспериментально детально исследован процесс термодиффузии замаг-ниченной плазмы при локальном нагреве электронов.
Предложен новый механизм тепловой нелинейности в замагничен-ной плазме в сильном высокочастотном поле, обусловленный действием поперечной термосилы.
В лабораторных экспериментах, моделирующих воздействие мощного радиоизлучения на ионосферу, проведены подробные экспериментальные исследования сильной ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой интенсивным квазиоптическим пучком электромагнитных волн.
5. Экспериментально обнаружено тепловое просветление "непро зрачной" плазмы в магнитном поле при воздействии интенсивного пуч ка электромагнитных волн. Проведен анализ диаграмм рассеяния зон дирующих волн, прошедших через возмущенную интенсивным пучком электромагнитных волн плазму.
В лабораторных условиях, моделирующих излучение волн свистового диапазона частот с ИСЗ, установлено, что импедансы электрической и магнитной антенн определяются параметрами области нарушения квазинейтральности плазмы вблизи поверхности излучателей. Исследованы зависимости импедансов дипольных излучателей свистового диапазона частот от плотности окружающей плазмы, частоты и амплитуды переменного напряжения.
Показано, что в зависимости от электрической длины антенн структура электромагнитных полей рамочной и электрической антенн в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот определяется различными пространственными гармониками распространяющихся волн в плазме.
Предложен способ изменения входного импеданса электрического диполя и управления эффективностью излучения в электромагнитные моды путем изменения его постоянного потенциала,
Обнарз'жено влияние тепловой и стрикционной нелинейностей на электродинамические параметры рамочной антенны, излучающей в свистовом диапазоне частот.
10. Экспериментально исследовано излучение и каналирование волн свистового диапазона при наличии цилиндрических каналов (дактов), вытянутых вдоль магнитного поля с пониженной и повышенной плотностью плазмы.
11. Проведены лабораторные эксперименты по возб}^ждению волн свистового диапазона частот с помощью механизма переходного и че-ренковского излучения при инжекции в плазму модулированного электронного пучка.
Представленные в работе результаты расширяют наши представления по ряду фундаментальных проблем физики плазмы, таких как: взаимодействие мощного радиоизлучения с плазмой, особенности излучения, распространения и каналирования волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме, явления неодномерной диффузии и термодиффузии замагниченной плазмы. Результаты, полученные в диссертации, позволяют детально разобраться в физических эффектах, наблюдаемых в "активных" экспериментах в ионосфере и магнитосфере Земли. Кроме того, достаточно полные исследования, которые были выполнены в лаборатории, в условиях, моделирующих основные параметры околоземной плазмы, позволяют прогнозировать результаты новых планируемых исследований в космосе, а также предлагать программы новых "активных" экспериментов в околоземной плазме.
Лабораторные исследования процессов возб}окдения волн свистового диапазона частот сторонними источниками имеют большое практическое значение, в частности, в приложении к проблеме телекоммуникации для излА^чения низкочастотных волн большой амплитуды в ионосфере и магнитосфере Земли. Несомненную практическую ценность имеют результаты по изучению нелинейных эффектов, развивающихся в ближней зоне антенн. Знание основных свойств и закономерностей развития нелинейных эффектов позволяет управлять эффективностью излучения и диаграммой направленности дипольных источников в свистовом диапазоне частот.
В Первой главе обосновываются критерии подобия, необходимые для моделирования космических явлений в лабораторных условиях. Представлено описание двух специально созданных для задач модели- рования экспериментальных стендов. Рассмотрены принципы работы основных диагностик, используемых в представленных в диссертации экспериментах.
Основные условия, предъявляемые к экспериментальным установкам, предназначенных для лабораторного моделирования физических явлений в космосе, приводятся в разделе 1.1. Показано, что возможность моделирования космических электромагнитных явлений основывается на так называемых законах подобия, которые указывают как должны соотноситься между собой основные безразмерные физические величины в космическом объекте и его лабораторном аналоге. Инвариантом для дальнейшего масштабирования является предположение, что все невозмущенные скорости в космических явлениях и в лабораторном эксперименте должны быть одинаковыми. Отсюда следует, что уравнения Максвелла, уравнение движения частиц, кинетическое уравнение удовлетворяют законам подобия. Для моделирования электромагнитных явлений необходимо, чтобы тензор диэлектрической проницаемости плазмы не менялся при пересчете. Обосновывается понятие качественного моделирования. Приводятся требования к размерам экспериментальных установок для проведения моделирования в приближении неограниченной плазмы.
В разделе 1.2 содержится описание экспериментального стенда "Ионосфера". Широкий диапазон изменения параметров плазмы и магнитного поля, большие размеры стенда позволяют в лабораторных условиях моделировать по параметрам подобия многие физические явления, происходящие в ионосфере и магнитосфере Земли.
В разделе 1.3 рассмотрены основные характеристики экспериментального стенда ТН-1, созданного для моделирования в лабораторных условиях физических эффектов, возникающих в ионосфере при воздействии мощного радиоизлучения. Квазиоптические условия распространения электромагнитного излучения (Л = 8 мм) позволили максимально приблизить постановку лабораторных экспериментов к натурным по взаимодействию электромагнитных волн с плазмой в .F-слое ионосферы.
Исследования на этом стенде проводились в двух направлениях.
Изучались основные характеристики сильной ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой пучком электромагнитных волн.
Детально исследовалось возмущение плотности плазмы под действием интенсивной волны и изучалось влияние нелинейных изменений электродинамических свойств плазмы на распространение электромагнитных волн.
В разделе 1.4 рассматриваются принципы работы основных диагностик, используемых в экспериментах, таких как: двойной и многосеточный зонды, антенна-зонд для анализа низкочастотных флуктуации в плазме, СВЧ резонансный зонд, двойной плоский зонд, измерение амплитуды и поляризации электрического поля в плазме методом запрещенных переходов в Неї, рассеяние СО2 лазера на низкочастотных флуктуациях плазмы, анализ турбулентной области плазмы зондирующим электронным пучком, измерение импедансов дипольных источников в плазме, измерение дисперсионных свойств, возбуждаемых волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме.
Изучению особенностей термодиффузионных явлений в замагничен-ной плазме при локальном нагреве электронов посвящена Вторая глава. Эти явления являются определяющими в процессах взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой где, как правило, происходит локальный нагрев электронов и времена перераспределения плотности плазмы под действием градиента электронной температуры определяют характерные инкременты развития тепловых неустойчивостей в активных экспериментах по воздействию мощных радиоволн на ионосферу в области F-слоя. п.2.1.1 посвящен обсуждению возможности и условий реализации "быстрой" неодномерной диффузии и термодиффузии плазмы в магнитном поле. Процессы переноса в замагниченной плазме при наличии локальных неоднородностей в фоновой плазме могут существенно измениться по сравнению с изотропной плазмой. Из условия квазинейтральности (divj'e = divji, где je и ji соответственно электронные и ионные токи) следует, что расплывание неоднородности в анизотропной плазме может происходить с возбуждением замкнутых вихревых электрических токов. При этом электроны диффундируют вдоль магнитного поля, ионы — поперек, а квазинейтральность обеспечивается за счет потоков частиц из фоновой плазмы. Такая неодномерная диффузия или термодиффузия за счет протекания вихревых токов по фоновой плазме происходит значительно быстрее, чем в одномерной ситуации вдоль или поперек магнитного поля. Времена перераспределения плотности определяются электронным продольным или ионным поперечным коэффициентами переноса. Характерной особенностью термодиффузионных явлений в плазме является возможность существования стационарных состояний, когда градиент суммарного давления, определяемый плотностью и температурой электронов и ионов, магнитным полем и давлением нейтрального газа, обращается в нуль (гидродинамическое равновесие).
В п.2.1.2 обсуждается вопрос влияния термосилы на условия одномерного гидродинамического равновесия плазмы. Термосила возникает в случае, когда частота столкновений зависит от скорости частиц и в системе имеется градиент температуры. Рассмотрены условия гидродинамического равновесия с учетом термосилы для изотропной и замагниченной плазмы. Обращается внимание на тот факт, что при определяющей кулоновской частоте столкновений, что типично для параметров ионосферы в области F-слоя, коэффициент термо диффузии поперек магнитного поля может быть отрицательным.
В п.2.1.3 теоретически рассмотрена тепловая нелинейность и мелкомасштабное расслоение замагниченной плазмы с кулоновскими соударениями в высокочастотном поле. Показано, что нагрев электронов высокочастотным полем может приводить к увеличению плотности плазмы в области нагрева. Эта особенность объясняется влиянием поперечной термосилы на процессы переноса. В такой плазме исследована квазистатическая неустойчивость для случая, когда вектор электрического поля перпендикулярен внешнем}^ магнитному полю. Опре- делены пороговые значения поля для развития неустойчивости, максимальные величины инкрементов и волновых чисел наиболее быстро растущих возмущений. Качественно проанализированы стационарные структуры нелинейных плазменных образований.
Экспериментальный стенд "Ионосфера"
В работе предложен метод формирования дактов плотности, основанный на термодиффузионном перераспределении плотности плазмы при локальном нагреве ближним полем рамочной антенны (раздел 5.1). Так как структура вихревого электрического поля рамки антенны неоднородна по радиусу, то, изменяя диаметр рамки, который может быть как больше, так и меньше поперечной длины теплопроводности, можно добиться образования в замагниченной плазме сильно вытянутых вдоль магнитного поля дактов как с пониженной, так и повышенной плотностью плазмы.
Результаты численного моделирования процессов формирования дактов различной структуры находятся в хорошем согласии с данными лабораторного эксперимента. В разделе 5.2 приведены результаты исследований волноводного распространения волн вистлеровского диапазона в дактах с пониженной на оси плотностью плазмы. Для формирования дакта использовалась рамочная антенна диаметром меньшим или порядка поперечной длины теплопроводности. В результате теплового нагрева электронов и термодиффузионного перераспределения плотности вдоль магнитного поля формируется дакт сложной формы, представляющий собой область пониженной концентрации на оси системы, вокруг которой расположен кольцевой слой с повышенной плотностью относительно фонового значения. Результаты амплитудных и фазовых измерений волн, распространяющихся в таком канале, показывают, что при наличии дакта сложной формы происходит пространственное разделение волн конической рефракции и квазипродольных вистлеров. В центральной части плазменного канала имеет место волноводное распространениє локализованных волн конической рефракции, а в кольцевом слое с повышенной плотностью — полноводное распространение квазилока-лизованных вистлеров. Сопоставление результатов теоретических расчетов высокочастотной компоненты магнитного поля волн в канале с пониженной плотностью с экспериментальными данными показывает хорошее качественное и количественное согласие.
В разделе 5.3 исследуется каналирование электромагнитных волн в "узких" дактах с повышенной на оси плотностью плазмы. Для создания требуемого профиля концентрации плазмы использовалась антенна радиуса, большего поперечной длины теплопроводности. Резлгль-таты амплитудных и фазовых измерений показали существование ква-зилокализованных мод свистовых волн, распространяющихся в канале. Показано, что канал лучше удерживает моды с более высокими частотами, что объясняется малым столкновительным затуханием волн в канале и малым эффектом трансформации вистлеров в квазипотенциальные волны. Установлено, что при увеличении частоты и переходе в диапазон а;#е/2 со0 соце утечка энергии из канала возрастает. На основании проведенных исследований показано, что утечка квазилока-лизованных мод вистлера из канала с повышенной на оси плотностью плазмы, имеющего ширину, сравнимую с характерной длиной свистовой волны, мала при условии сиНе а 0, когда поперечные масштабы захваченных в канал свистовых мод и вытекающих волн существенно различаются.
В Главе 6 приведены результаты лабораторного моделирования еще одного возможного способа возбуждения волн свистового диапазона частот в околоземной плазме. Способ основан на инжекции модулированного электронного пучка в магнитоактивную плазму. Эти эксперименты были выполнены в Лаборатории физики газов и плазмы (XI Парижский университет). Результаты экспериментов демонстрируют, что при инжекции модулированного пучка в плазму свистовые волны возбуждаются двумя принципиально разными механизмами: во-первых, с помощью нерезонансного процесса переходного излучения при пересечении пучком границы раздела двух сред (например, поверхности космического аппарата или стенки вакуумной камеры) и, во-вторых, в процессе резонансного взаимодействия волны с модулированным пучком.
Рассмотрены условия резонансного взаимодействия свистов с модулированным пучком и показаны условия, в которых выполнение этих условий невозможно (в частности, в плотной магнитоактивной плазме с концентрацией, превышающей некоторое критическое значение).
Исследовано черенковское излучение волн свистового диапазона частот для случая продольной инжекции пучка. Получено, что продольная длина волны черенковского излучения не зависит от параметров окружающей плазмы и равна пространственному периоду модуляции пучка. Возбуждение вистлеров в процессе резонансного взаимодействия с электронным пучком наблюдается только при концентрациях плазмы, меньших соответствующего критического значения. Проведены исследования процесса релаксации модулированного электронного пучка при взаимодействии с магнит оактивной плазмой. Показано, что эффективное излучение вистлеров сопровождается трансформацией функции распределения пучка, средняя энергия электронов пучка уменьшается, ширина функции распределения растет и на ней формируется область плато.
В Приложении представлены экспериментальные результаты по возбуждению и захвату верхнегибридных ленгмюровских волн в меп-комасштабн} ю цилиндрическую неоднородность с пониженной плотностью плазмы. Постановка этих экспериментов была стимулирована теоретическими работами, в которых обсуждается возможность дополнительного нагрева электронов ленгмюровскими волнами, захваченными в плазменные неоднорюдности, которые наблюдаются в активных экспериментах по воздействию мощного радиоизлучения на ионосферу. В лабораторном эксперименте обнаружено, что в искусственно созданной цилиндрической неоднородности плазмы происходил захват ленгмюровских волн только в том случае, если плотность плазмы внутри не- однородности в некоторой точке пересекает уровень верхнегибридного резонанса. Установлено, что возбуждение стоячей структуры плазменного резонатора наблюдалось только в случае, когда частота высокочастотного поля и о была больше двойной циклотронной частоты. Этот результат свидетельствовал о захвате в плазменную неоднородность верхнегибридных волн, для которых существенна пространственная дисперсия, определяемая тепловыми эффектами. В проведенных экспериментах показано, что возможно накопление энергии верхнегибридных ленгмюровских волн в плазменном резонаторе, представляющем собой неоднородность цилиндрической формы с пониженным значением электронной плотности.
Мелкомасштабная неустойчивость высокочастотного поля в замагниченной плазме с дефокусирующей тепловой нелинейностью
При излучении и распространении интенсивных электромагнитных волн как в плазме ионосферы Земли, так и лабораторной плазме существенную роль играют тепловые нелинейные эффекты, приводящие к самофокусировке и самодефокусировке волн, их вынужденному рассеянию, модуляционной неустойчивости, образованию волноводных каналов, аномальному поглощению и просветлению плазмы. Предсказание и количественное описание этих явлений затруднено тем, что магни-тоактивная плазма представляет весьма сложную среду как с точки зрения электродинамики, так и в отношении процессов переноса тепла и вещества.
Одним из эффектов, обнаруженных при воздействии мощного радиоизлучения на ионосферу в области F-слоя, является мелкомасштабное расслоение плазмы [81-83, 107], представляющее собой сильно вытянутые вдоль магнитного поля неоднородности плотности с поперечными масштабами много меньше длины воздействующей волны. Теоретический анализ этой проблемы свидетельствует, что мелкомасштабное расслоение плазмы можно объяснить возбуждением тепловой само-фокусировочной и параметрической неустойчивостью. Термодиффузионное перераспределение плотности плазмы в этом случае определяет процесс нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой, а именно, характерные пространственные масштабы и инкременты развития неустойчивости.
Поэтому одной из первоочередных задач лабораторных экспериментов является изучение основных закономерностей динамики развития и образования неоднородностеи плотности в замагниченнои плазме при локальном нагреве электронов. Эти эксперименты могут способствовать пониманию и интерпретации результатов активных экспериментов по воздействию мощных радиоволн на ионосферу в области .F-слоя.
В последние десятилетия получены существенные теоретические результаты в создании общей картины диффузионного и термодиффузионного перераспределения плотности при наличии произвольного градиента давления в замагниченной плазме.
Наиболее строго и последовательно вопрос диффузии слабой неоднородности в безграничной однородной замагниченной плазме исследован в работах [84, 119]. Анализу термодиффузии плазмы посвящено меньшее число работ и наиболее полное обобщение приведено в работе [89].
Кратко остановимся на основных особенностях диффузии плазмы в магнитном поле. Хорошо известно, что для неоднородностей, характерный размер которых превышает дебаевский радиус гр (т.е. гр С С N/\VN\) на Диффузию заряженных частиц плазмы существенное влияние оказывает внутреннее (амбиполярное) электрическое поле. Благодаря различию в коэффициентах переноса электронов и ионов эти компоненты плазменной неоднородности стремятся разделиться. Однако, образующееся внутреннее самосогласованное электрическое поле препятствует разделению зарядов. В результате неоднородность расплывается такими образом, что концентрация электронов и ионов в ней почти одинакова, т.е. Ne 7VZ. В этом случае, уравнение непрерывности для электронов и ионов можно заменить одним уравнением для их совместной концентрации Ne — Ni = N
В изотропной плазме (внешнее поле равно нулю) условие квазинейтральности приводит к амбиполярности диффузии, определяемой Je = — Ji — h ГДе Je и ЗІ плотности токов электронов и ионов соответственно, т. е. электроны и ионы диффундируют совместно (амбиполярно) в одном направлении.
Ситуация изменяется при наличии в плазме внешнего магнитного поля. Действие амбиполярного электрического поля на движение электронов и ионов в анизотропной плазме приводит не только к изменению величины коэффициентов диффузии, но и к возникновению замкнутых вихревых электрических токов. Условие квазинейтральности в анизотропной плазме заменяется на
Вследствие этого процесс диффузионного расплывания неоднородно стей в замагниченной плазме качественно отличается от одномерной амбиполярной диффузии вдоль или поперек магнитного поля.
Решение задачи об эволюции малого точечного возмущения плотности в неограниченной замагниченной однородной плазме было получено в работе [84]. Качественно картина диффузии состоит в следующем. Процессы расплывания локализованного возмущения плотности определяются, в первую очередь, электрическими полями, обеспечивающими квазинейтральность плазмы. Известно, что вдоль магнитного поля в процессе диффузии наиболее подвижными частицами являются электроны, а поперек магнитного поля — ионы. Уход наиболее подвижных частиц из объема неоднородности приводит к появлению электрических полей, под действием которых для сохранения квазинейтральности могут возникнуть потоки электронов и ионов в фоновой плазме, которые, в свою очередь, приводят к изменению распределения электрического поля в плазме. В этом случае электроны диффундируют вдоль магнитного поля, ионы — поперек, а замыкание вихревых токов обеспечивается за счет потоков частиц из фоновой плазмы. При этом в фоновой плазме возникают области уменьшения плотности (области обеднения) [119] вследствие ухода частиц для компенсации пространственного заряда (т.е. для сохранения квазинейтральности (рис. 2.1). Такой процесс неодномерного расплывания (диффузии) неоднородности с возбуждением вихревых токов по плазме протекает с временами значительно меньшими, чем времена одномерного амбиполярного расплывания вдоль или поперек магнитного поля.
Впервые идея об ускоренной диффузии замагниченной плазмы в металлической камере была высказана Саймоном [99]. Он обратил внимание на то, что в вакуумной камере с проводящими стенками возможна раздельная диффузия частиц: электронов вдоль магнитного поля, а ионов — поперек. Возникающий при этом вихревой ток замыкается по стенкам, что существенно изменяет времена и характер диффузии плазмы в магнитном поле. Позднее, в экспериментальных работах [100-102], в которых изучался распад плазмы в замкнутых металлических камерах, было убедительно показано, что ускоренная диффузия плазмы в магнитном поле определяется замыканием диффузионных токов электронов и ионов по проводящим стенкам камеры. По существу физический механизм эволюции возмущения концентрации в неограниченной однородной замагниченной плазме, как было показано выше, сходен с эффектом Саймона с тем различием, что роль проводящих стенок играет фоновая плазма. Следует отметить, что лабораторных исследований процессов неодномерной диффузии плотности в неограниченной замагниченной плазме нам неизвестно. Относительно исследований в этом направлении следует выделить натурные эксперименты по диффузии бариевых облаков в ионосфере [103, 104]. В этих экспериментах в некоторых ситуациях наблюдалось ускоренное расплывание бариевого облака, что связывалось с протеканием по плазме вихревых токов, вызванных самосогласованным полем.
Анализ функции распределения ускоренных электронов в поле электромагнитной волны
Анализ экспериментальных результатов по воздействию мощного радиоизлучения на .F-слой ионосферы [81-83] позволил установить, что в первые моменты времени (г 0,1 с) после включения передатчика, определяющими физику взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой, являются эффекты, связанные со стрикционными параметрическими неустойчивостями в области отражения волны накачки. Возбуждаемые при развитии этой неустойчивости плазменные волны создают затравочные неоднородности для развития тепловой параметрической неустойчивости, которая возникает вблизи уровня верхнегибридного резонанса, который находится ниже области отражения волны накачки. В результате эффективной трансформации поля волны накачки в плазменные верхнегибридные волны амплитуда отраженного сигнала испытывает сильное аномальное ослабление. При развитии аномального ослабления область отражения экранируется тепловой параметрической турбулентностью и возбуждение стрикционнои параметрической неустойчивости прекращается. Полная физическая картина развития и конкуренции тепловой и стрикционнои неустойчивости еще далека до завершения. Однако, ясно, что стрикционная параметрическая неустойчивость существенно влияет на формирование пространственного спектра квазистационарной турбулентности. Поэтому одной из задач лабораторных исследований является целенаправленное изучение стрикционных параметрических явлений с использованием для этого разнообразных современных диагностических средств. В данной главе представлены экспериментальные результаты по исследованию основных закономерностей развития сильной ленгмюров-ской турбулентности, возбуждаемой вблизи области плазменного резонанса интенсивным пучком электромагнитных волн.
Кратко ниже приведен обзор теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению процессов, сопровождающих развитие сильной ленгмюровской турбулентности. Основной задачей исследований нелинейного взаимодействия высокочастотной волны накачки с плазмой является изучение эффективности поглощения электромагнитной энергии, вид спектра возбуждаемых плазменных волн, влияние турбулентных явлений на макроскопические свойства плазмы [170-173].
В последнее время основное внимание теории и немногочисленных экспериментов было посвящено исследованию изучения сильной ленгмюровской турбулентности [123, 124, 168, 169, 174]. Незавершенный в настоящее время теоретический анализ показал, что при достаточно большой плотности ленгмюровских шумов включается новый механизм диссипации энергии, выходящей за рамки слабой турбулентности и связанный с возбуждением модуляционной неустойчивости. Высокая плотность энергии возбужденных собственных волн приводит к искажениям дисперсионных характеристик этих волн и, благодаря эффектам самовоздействия, сопровождается обужением области их пространственной локализации (самофокусировка). Плазма вытесняется из области сильного поля и образуются солитоноподобные полости — каверны. Подобная "самофокусировка" плазменных колебаний энергетически выгодна, поскольку для стационарного распределения типа солитон достигается абсолютный минимум полной энергии внешнего поля плазмы [175].
Направление перекачки энергии ленгмюровских колебаний в этом случае изменяется относительно случая слабой турбулентности, а спектральная плотность колебаний из длинноволнового конденсата перекачивается в короткие масштабы (fcmax T D )-I где, вследствие затухания Ландау, передается быстрым электронам. Для наиболее простой одномерной ситуации теоретически были выдвинуты две возможные модели сильной ленгмюровской турбулентности, которые могут реализовываться на нелинейной стадии параметрической неустойчивости.
Первая модель ленгмюровской турбулентности [175, 176] состоит в том, что сильная турбулентность представляет собой "газ" солито-нов, которые слипаются и дробятся при взаимодействии. В этой модели расположение отдельных солитонов случайное и, следовательно, спектр пространственных гармоник не коррелирован.
Другая модель рассмотрена в работе [177]. В рамках этой модели предполагается, что на нелинейной стадии параметрической неустойчивости происходит генерация сфазированных пространственных гармоник исходных неустойчивых колебаний. При этом создается динамическое распределение типа почти периодической нелинейной структуры с основным масштабом, определяемым максимумом инкремента модуляционной неустойчивости. Рост амплитуды поля волн с основным масштабом в нелинейной среде может привести к подавлению неустойчивости других масштабов.
Для образования динамического распределения в этом случае определяющую роль играет взаимодействие сфазированных пространственных гармоник, возбуждению которых способствует то обстоятельство, одинаково эффективно возбуждаются две встречных плазменных волны, образующих стоячую волну. Высокочастотная усредненная сила, создаваемая этой стоячей волной, служит источником генерации пространственных гармоник.
В трехмерной ситуации показано [174, 178], что одномерные образования типа солитон неустойчивы по отношению к трехмерным возмущениям. В этом случае, согласно существующей гипотезе [174], солитон коллапсирует, т. е. "сходится в точку" за конечное время, дисси-пируя при этом свою энергию через коротковолновую область своего спектра. Как в одномерном, так и в трехмерном случаях поглощение коротковолновых плазменных колебаний, в результате которого возникают быстрые электроны на "хвостах" функции распределения, стабилизирует модуляционную неустойчивость, нарушая "взрывной" характер нелинейной стадии, т. е. увеличение электростатической энергии в системе. В ограниченной плазме или при воздействии ограниченного пучка волны накачки стабилизация неустойчивости может быть связана также с выносом энергии плазменными волнами из области взаимодействия.
В лабораторных экспериментах ), в которых исследовалось воздействие интенсивного излучения на плазму, почти во всех случаях наблюдались ускоренные электроны, энергия которых во много раз превышала тепловую энергию электронной компоненты плазмы. В настоящее время наблюдение этих быстрых частиц стало своеобразным индикатором развития сильной турбулентности в плазме. Наибольшая экспериментально возможная информация о турбулентности получена в условиях, когда характерный размер плазменного объема меньше или соизмерим с длиной волны СВЧ излучения. Это обстоятельство затрудняет в некоторых случаях интерпретацию полученных результатов.
Из лабораторных экспериментов выделим те, в которых исследовалась модуляционная неустойчивость и были обнаружены эффекты самомодуляции волн, образование солитонов и каверн в плазме. Существенный интерес также представляют немногочисленные эксперименты с протяженными плазменными объектами (L Ао, Ln LE- где LN — размер плазмы, L — размер области взаимодействия), где возможно наблюдение нелинейного распространения электромагнитных волн через плазму.
Способы увеличения эффективности излучения волн свистового диапазона частот дипольными антеннами
Эксперименты по исследованию изменения плотности плазмы, вследствие дополнительной ионизации нейтрального газа быстрыми электронами, производились в аргоновой, гелиевой и воздушной плазмах при давлении 3 10" 3 — 10 2Торр. Магнитное поле не превышало 200 Э. Использовался режим "нарастающей" плазмы. Момент появления критической плотности (Ne iVKp) в области взаимодействия фиксировался по "отсечке" слабой зондирующей волны и волны накачки.
Относительное увеличение плотности плазмы из-за дополнительной ионизации регистрировалось по увеличению ионного тока насыщения двойных зондов, расположенных в разных сечениях вакуумной камеры.
Типичные осциллограммы прохождения слабого зондирующего излучения через "холодную" плазму на частоте, слегка отличной от частоты волны накачки, приведены на рис. 3.23. "Отсечка" проходящего сигнала волны накачки наступала раньше, чем для слабого зондирующего сигнала, проходящего через "холодную" плазму. Осциллограмма рис. 3.23в показывает ионный ток насыщения на двойной зонд в "холодной" плазме и при воздействии импульса волны накачки.
При превышении напряженности электрического поля волны накачки порогового значения — 10 2 при Ne 7Ve в плазме появлялись быстрые электроны с энергией, превышающей тепловую энергию "холодной" плазмы (раздел 3.1). Энергия ускоренных электронов при Е 2Енор достигала своего стационарного значения (Гэфф = 200 эВ) и не менялась при дальнейшем увеличении поля. Одновременно в 1,5-2 раза увеличивалась температура электронов первичной плазмы.
В аргоновой плазме и воздушной плазме (степень ионизации 10%) дополнительная ионизация нейтрального газа, которая регистрировалась по увеличению ионного тока насыщения двойных зондов, возникала при превышении порогового поля волны накачки примерно в 2 раза. В гелиевой плазме при тех же з словиях (стационарное значение температуры быстрых электронов и увеличение их плотности) для получения заметной дополнительной ионизации необходимо было почти на порядок превысить пороговое поле. Такое различие связано, по-видимому, с меньшим сечением ионизации гелия (сяетах 3 10 17см2; сгАГтах 3-10 16 см2 [201]) и большим потенциалом ионизации гелия. По этим причинам снижалась эффективность ионизации как ускоренными электронами, так и в результате повышения температуры электронов основной части плазмы.
С ростом поля волны накачки дополнительная ионизация появлялась при меньших, докритических концентрациях первичной плазмы и экранировала (iVeBT N6K ) излучение волны накачки. Это обстоятельство, с одной стороны, может быть использовано для регистрации развития параметрической неустойчивости в плазме, а с другой стороны — позволяет оценить (снизу) увеличение плотности плазмы из-за дополнительной ионизации. На рис. 3.24 показаны результаты измерений амплитуды волны накачки, вызывающей увеличение плотности плазмы до критической N6K ("отсечки" сигнала) от плотности "холодной" плазмы Neo. Из приведенной зависимости следует, что при превышении поро-гового поля — 2 10 , нелинейный нагрев электронов происходил уже при Ne іУЄк и вызывал дополнительную ионизацию нейтрального газа.
Функция распределения ускоренных электронов исследовалась в аргоновой, воздушной и гелиевой плазмах. Было обнаружено, что "насыщение" температуры быстрых электронов, увеличение их плотности, а также наличие пучков ускоренных электронов и граничной энергии на энергетическом спектре при Е 2?пор наблюдалось как при наличии дополнительной ионизации (в аргоне, в воздухе), так и при её отсутствии (в гелии). Это обстоятельство позволяет предположить, что дополнительная ионизация не оказывает влияния на процесс ускорения электронов в поле нелинейных плазменных волн и, следовательно, на формирование стационарного спектра турбулентности.
Увеличение плотности плазмы из-за дополнительной ионизации приводит, как будет показано ниже, к медленному, относительно характерных времен развития модуляционной неустойчивости, смещению области взаимодействия (8 0) навстречу падающей волне накачки.
Для исследования деформации профиля плазмы импульс волны накачки посылался на плазму в момент, когда область с критической плотностью находилась на участке спада плотности плазмы (рис. 3.25, кривая I). Радиальное распределение плазмы измерялось на расстоянии 5 см от сечения ввода квазиоптического электромагнитного пучка. Деформация поперечного профиля плазмы в различные моменты времени при —- 10 представлена на рис. 3.25. На этом рисунке кривая 2 — VTe профиль плазмы через 30 fie после подачи импульса волны накачки, 3 — через 60, 4 — через 90, 5 — через 120/хс. В начальный момент (кривая 2) ионизация наблюдалась в окрестности точки 8 = 0, затем, по мере роста концентрации из-за дополнительной ионизации, область с 8 = 0 двигалась навстречу волне накачки со скоростью 5 104см/с, совпадающей по порядку величины со скоростью диффузии электронов поперек магнитного поля.
