Введение к работе
Актуальность проблемы. Вопросы распространения и рассеяния электромагнитных волн различных диапазонов частот в плаэ-моподобных средах на протяжении многих десятилетий остаются актуальной темой научных исследований. Их изучение стимулируется многочисленными научно-технпчесхпмп приложениями: радиолокация искусственных плаоменных объектов в верхних слоях атмосферы, космическая радиосвязь, использование плазменных образований в качестве передающих антенн, согласующих устройств и ретрансляторов, микроволновая диагностика плазмы и т.д.
В настоящей работе теоретически рассмотрены такие практически важные проблемы, часто встречающиеся в ионосферной плазме, как излучение и каналирование ' волн свистового диапазона частот в магнптоактпвной плазме, дифракция высокочастотных (ВЧ) электромагнитных волн на гладких плазменных образованиях, нелинейное рассеяние интенсивных электромагнитных волн плазменными объектами.
Несколько обособленное место занимает в работе проблема рассеяния ВЧ электромагнитных волн металлическими рассепвате-лями с локально нелинейной нагрузкой, представляющая интерес для радиотехнических систем, работающих в условиях сильных фоновых отражении. Хотя эта часть работы не содержит плазменной среды и плазменных образований в качестве предмета изучения,
1Имеется в виду іапалирование свистовых воли в искусственных неодпородиостях, вытянутых вдоль внешнего магнитного поля, юторые могут формироваться в фоновой плазме полей :амого элехтроцагнвтвого излучателя при достаточно высожих уровнях подводимой мощности.
однако она связана с остальными электродинамической постановкой задачи, общностью методов решения, конечной целью исследования.
Разнообразие свойств плазмы, сложная структура плазменных образовании и металлических объектов делают практически невозможным решение перечисленных выше задач в их общем виде. Но поскольку в экспериментальных ситуациях определяющими являются одновременно не все, а только некоторые плазменные особенности, то теоретическую постановку задач можно разумно упростить, сохранив в то же время их практическую ценность. В настоящей работе плазма всюду считается регулярной (не флуктуирующей), стационарной (или квазпстацпонарной), как правило с электронной поляризуемостью. В тех случаях, когда нелинейные явления имеют принципиальное значение, учитывается зависимость проницаемости среды є от структуры и величины падающего поля.
Обсуждению вопросов распространения и излучения электромагнитных волн (в том числе и интенсивных) в ппазмоподобных средах посвящено большое число работ [1*, 2*], однако круг вопросов, относящихся к резонансным явлениям остался еще недостаточно изученным и требует дополнительных исследований и уточнений. Поэтому в большинстве рассматриваемых в диссертации задач основное внимание уделяется рассеянию электромагнитных волн в резонансных условиях. Причем термин резонансный может иметь разный смысловой оттенок в зависимости от обсуждаемых явлений. Он употребляется, во-первых, в смысле наличия в данном частотном диапазоне резонансных свойств среды распространения (области, где показатель преломления среды обращается в нуль для случая изотропной плазмы пли в бесконечность для магнитоактив-
ной плазмы); во-вторых, при описании резонансов собственных мод, направляемых ограниченными плазменными объектами, зависящих как от свойств плазменной среды, так и топологии самого объекта рассеяния; в-третьих, в смысле резонансного отклика системы на внешние воздействия. Интерес к изучению именно резонансных объектов обусловлен тем, что резонансные системы наиболее перспективны с точки зрения разнообразных технических приложений, поскольку позволяют разработать на их основе легко управляемые устройства и приборы.
Поскольку в работе рассматриваются волны различных диапазонов частот, то соответственно можно выделить и два основных направления исследования: излучение и каналпрованпе свистовых волн в магнитоактивной бесстолкновптельной плазме и дифракция интенсивных ВЧ электромагнитных волн на гладких плазменных образованиях.
Проблеме излучения волн свистового диапазона частот:
(где wib — нпжнегпбрпдная частота, w# п wp — гпрочастота и плазменная частота электронов соответственно) сторонними электрическими и магнитными токами посвящено большое число работ [2*]. В них, чаще всего, рассматривались излучатели с простейшими распределениями тока: треугольным и прямоугольным для линейных излучателей и однородным для кольцевых. В работах [3*, 4*} были получены общпе выражения для полей в свистовом диапазоне частот, создаваемых произвольно распределенными заданными токамп (как электрическими, так и магнитными), однако подробный анализ мощности излучения был проведен для случая мелкомасштабных источников дипольного и квадрупольного типа. Постоянно возрастающие экспериментальные возможности требуют
теоретического анализа все более широкого круга явлений, связанных с излучением, распространением и рассеянием волн в магни-тоактивной плазме.
В настоящей работе исследуется излучение кольцевых электрических и магнитных токов произвольных электрических размеров как с однородным так и неоднородным заданным распределением тока вдоль кольца. Особое внимание сосредоточено на вопросе об изменении распределения излучаемой мощности по спектру возбуждаемых волн (плазменные волны, волны конической рефракции, вистлеры) с изменением параметров излучателя (его размеров и структуры тока), а также концентрации плазмы.
Интерес к ОНЧ диапазону обусловлен потребностями решения ряда прикладных вопросов в таких областях, как диагностика околоземной плазмы, космическая радиосвязь п т. д. Однако, достижение приемлемого уровня возбуждаемой мощности весьма проблематично ыз-за малой эффективно сти»стандартных (элементарных) излучателей и технических сложностей, возникающих при развертывании в ионосфере протяженных связных систем. Как было продемонстрировано в ряде лабораторных и натурных (ионосферных) экспериментов [5*-8*], плазменные неоднородности, вытянутые вдоль внешнего магнитного поля, могут формироваться в фоновой плазме полем самого электромагнитного излучателя. Каналы с пониженной плотностью плазмы могут возникать вблизи излучателей, расположенных в магнптоактпвной среде, под воздействием тепловых нелинейных эффектов [5*, 9*]. Плазменные каналы с повышенной плотностью плазмы наблюдались в лабораторных экспериментах по ионизационному самоканалнрованию квазиэлектростатических волн [7*] и внстлеров [8*]. Отметим, что однпм из новых нетрадиционных путей увеличения мопщости пз-
лучения антенн как раз и является создание таких самоподдерживающихся каналов с повышенной плотностью плазмы, ориентированных вдоль геомагнитного поля. Искусственные дакты с концентрацией во много раз превышающей фоновые значения, могут быть сформированы в естественных условиях нижней ионосферы также путем инжекщш достаточно интенсивного электромагнитного пучка, способного привести к дополнительной ионизации окружающей плазмы. В работах по исследованию дисперсионных свойств каналов как с пониженной так и с повышенной плотностью, как правило, изучаются широкие в масштабе длины свистовой волны дакты позволяющие при изучении дисперсионных свойств применять либо приближение ВКБ, либо параболическое уравнение [10*]. Вопросы волноводного возбуждения свистовых волн рассматривались в работе [2*] на примере модельной задачи об излучении кругового электрического тока, расположенного в плавнонеоднородном в поперечном сечении канале (с повышенной концентрацией электронов на оси), вытянутом вдоль геомагнитного поля. Коэффициенты возбуждения каналируемых свистовых мод находились с помощью леммы Лоренца, при этом не учитывался захват в канал мелкомасштабных кваэиэлектростатических волн, что не всегда оправдано.
В данной работе получено строгое решение задачи об излучении кольцевых электрических и магнитных токов, расположенных в плоскости перпендикулярной внешнему магнитному полю, при наличии цилиндрического плазменного столба, окруженного однородной фоновой плазмой и ориентированного вдоль внешнего магнитного поля. Рассмотрены как дискретная, так и непрерывная части пространственного спектра возбуждаемых волн. Из непрерывной части выделены и отдельно исследованы квазилокализованные
слабовытекающие моды. Подробно изучены дисперсионные свойства свистовых мод в "узких" (а < А„„ где а — ширина канала, а Ащ — длина распространяющейся свистовой волны) волноводах с повышенной плотностью концентрации плазмы, недопускающих применения ВКБ приближения. Именно такие дакты наблюдаются в лабораторных экспериментах по ионизационному самоканалиро-вашда вистлеров [8*]. Из строго решения задачи следует, что наличие плазменных образований может приводить к заметному изменению характеристик излучения заданных источников по сравнению со случаем однородной плазмы; например, в присутствии канала с повышенной плотностью плазмы имеет место существенное увеличение мощности излучения ОНЧ антенн, что согласуется с экспериментальными данными.
Во второй части работы рассматривается рассеяние ВЧ электромагнитных волн на гладких плазменных образованиях. В настоящее время многочисленные практические приложения такие, как радиосвязь при наличии ионизованных образований искусственного происхождения, микроволновая диагностика плазмы, высокочастотный нагрев плазмы стимулируют дальнейшее развитие теории дифракции волн на различных по своей форме и структуре плазменных объектах.
Как известно, поле, возникающее в результате рассеяния электромагнитных волн на гладких объектах больпшх электрических размеров может быть разбито на геометрооптическую (локально отраженное п преломленное по законам геометрической оптики поле) и собственно дифракционную части (последняя представляется в виде суперпозиции полей отдельных дифракционных мод, направляемых поверхностью объекта). В настоящей работе подробно исследуются резонансные эффекты, связанные с возбужде-
ниєм дифракционных квазиповерхностных мод, направляемых следующими непрозрачными плазменными объектами: круговой цилиндр и шар, эллиптический цилиндр, сфероид; а также обсуждается вопрос о выполнении принципа локальности для таких образований. На основе проведенного анализа изучается эффект бе-оотражательного поглощения падающего излучения плазменными (Re є < —1) объектами, который достигается за счет согласованного возбуждения квазиповерхностных волн (если речь идет о телах больших электрических размеров) или квазистатпческих мультипольних колебаний (в случае объектов малых размеров). Описанный выше эффект является обобщением результатов работы [11*], касающихся плоскослопстой плазмы на случай плазменных двух и трехмерных образовании. Отметим что решение задач по обеспечению максимальной накачки энергии электромагнитных волн в плазму, является очень важным для проблемы термоядерного синтеза.
Во многих областях физики все чаще приходится сталкиваться с дифракционными задачами, в которых нельзя ограничиться только линейными представлениями. На основе результатов линейной теории в работе исследуются некоторые нелинейные дифракционные эффекты, имеющие место при рассеянии интенсивных электромагнитных волн плазменными образованиями пли металлическими рассепвателями с нелинейной нагрузкой. Рассмотрен нелинейный процесс трехволнового параметрического взаимодействия, в результате которого энергия падающей плоской Р-поляризованной волны накачки частоты ш трансформируется в энергию встречных квазиповерхностных волн вдвое меньшей частоты, направляемых искривленной границей раздела. Появление переизлученного поля в другом частотном диапазоне искажает линеитпло дифракционную
картину не только в теневой, но и в освещенной области.
Другим характерным примером того, что нелинейное взаимодействие электромагнитного поля с плазменной средой может приводить к существенному изменению рассеянного поля, является проблема генерации квазпстацнонарных магнитных полей (КМП) в плазме под воздействием интенсивного Р-поляризованного электромагнитного излучения [12*]. В условиях реализации режима оптимального поглощения объектом энергии падающего излучения, следует ожидать увеличения КМП до значений, при которых магнитное поле может играть заметную роль в процессах рассеяния электромагнитного излучения. В настоящей работе рассматривается пространственно-временная эволюция КМП в двумерном случае цилиндрической плазмы. В отличие от предшествующих работ основное внимание уделяется изучению характеристик рассеяния электромагнитных волн в условиях генерации КМП. При определенных условиях удалось решить самосогласованную задачу о генерации КМП (т.е. учитывающую взаимное влияние КМ и ВЧ полей) как в неоднородной плоско-слоистой плазме (включающей область плазменного резонанса), так и для бесконечного плазменного цилиндра (Re < —1) с поглощением. Возбуждение КМП может осуществляться как постоянно действующим во времени источником, так и носить характер самовозбуждения [13*]. В настоящей работе исследовалась магнитная неустойчивость в столкновительной неоднородной плоскослоистой плазме. Показано, что учет пространственной неоднородности приводит к локализации областа неустойчивости, связанной с неоднородностью амплитуды волны накачки, в окрестности плазменного резонанса.
Причиной нелинейных дифракционных эффектов., приводящих
к спектральному изменению рассеянного сигнала, могут служить также "внутренние" нелинейности самого объекта рассеяния. Например, в случае металлических конструкций, нелинейными элементами могут являться сварные швы, контакты разных металлов, места соединения и крепления антенн и т. д. В результате, при облучении их электромагнитными волнами в рассеянном поле возникают дополнительные гармоники. Такое нелинейное рассеяние может приводить как к высокому уровню помех, например, при радиоприеме, так и иметь полезное применение: обнаружение и распознавание объектов на фоне сильных фоновых отражений, выявление скрытых дефектов изделий в промышленности 3 т. д. В диссертации рассматривается рассеяние электромагнитных волн на металлических тонких круговых рамках п вибраторах с локальной НН в установившемся режиме в приближении слабой нелинейности, что естественно, упрощает задачу и позволяет ограничиться лишь учетом второй и третьей гармоник в спектральном представлении поля. С другой стороны, в ракшах отого приближения возможно, во-первых, получение решений в аналитическом виде, что существенно упрощает физическую интерпретацию имеющихся экспериментальных данных, а, во-вторых, допускается решение задач с более сложной геометрической конфигурацией, как-то: рассеяние электромагнитных волн на металлических нелинейных структурах при наличии границ раздела; дифракции волн на системе состоящей из детерминированного числа нелинейных рас-сеивателей, произвольно расположенных в пространстве и т. д.
Таким образом, актуальность диссертационной работы определяется тесной связью поставленных в ней задач с решением прикладных научно-технических проблем.
Целью диссертации является теоретическое асагледование: 1) ro-
лучения заданных кольцевых токов в свистовом диапазоне частот о магнитоактивной плазме (в условиях близких к ионосферным), в том числе при наличии в ней естественных и искусственных ппазменно-волноводных каналов; 2) дифракции ВЧ интенсивных электромагнитных волн на гладких плазменных образованиях 'включая рассеяние волн в условиях генерации КМП) и металлических рассеивателях с нелинейной нагрз'зкоп. Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Исследовано изменение распределения излучаемой мощности кольцевых электрического и магнитного токов в свистовом диапазоне частот по спектру возбуждаемых волн с изменением параметров излучателя.
-
Изучено излучение заданных кольцевых токов в магнитоактивной плазме при наличии цилиндрических каналов, вытянутых вдоль магнитного поля. Установлено, что в свистовом диапазоне частот наличие в плазме каналов с повышенной плотностью приводит х заметному увеличению сопротивления излучения кольцевых источников.
-
Подробно исследованы резонансные эффекты, связанные с возбуждением квазиповерхностных волн, направляемых гладкими плазменными объектами. Показана, возможность использования этих волн для эффекта безотражательного поглощения объектом падающего излучения. Изучена параметрическая неустойчивость квазпповерхностных волн.
-
Проанализировано рассеяние интенсивных электромагнитных волн плазменными образованиями в условиях генерации ква-систационарного магнитного поля.
5. Исследовано в приближении слабой нелинейности рассеяние электромагнитных волн на металлических вибраторах и рамках произвольных электрических размеров, содержащих локальную нелинейную нагрузку.
Практическая ценность. Проведенные в работе исследования могут быть использованы для вопросов "активных" экспериментов в ионосферой плазме, космической радиосвязи, дистанционной диагностики плазменных образований, оценки радиолокационных характеристик плазменных неоднородностей в атмосфере, эффективной передачи энергии электромагнитного поля плазме (нагрева плазмы), поисковых работ металлических конструкций в условиях сильных фоновых отражений, а также при решении других научно-технических задач, составной частью которых являются процессы излучения и каналпрования электромагнитных волн в магнптоак-тивной плазме, рассеяния интенсивных ВЧ волн на плазменных образованиях и металлических структурах.
Полученные в диссертации результаты непосредственно использовались для объяснения результатов экспериментов, проводимых в НИРФИ, ИПФ РАН, ННГУ, а также могут быть использованы в следующих научно-исследовательских учреждениях: Институте земного магнетизма и распространения радиоволн РАН (Москва), Институте радиотехники и электроники РАН (Москва), Московском физико-техническом институте и др.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах, в том числе, на: Международном симпозиуме по теории электромагнитных волн (Тбилиси, 1971), генеральной ассамблее URSI СШП, Прага, ЧСФР, 1990; XXIY. Киото, Япония, 1993), Международной конференции по физике плазмы ^Кпев, 1987), явле-
нпям в ионизованных газах ICPIG XX (Италия, 1991), Ш Суздальском симпозиуме URSI по модификации ионосферы мощными радиоволнами (Суздаль, 1991), первом евро-азиатском симпозиуме по космическим исследованиям и технологиям (Мармара, Турция, 19ЭЗ), на Всесоюзных симпозиумах по дпфракщш и распространению волн (Ш, Цахкадзор, 1973; ЗШ Ростов-на-Дону, 1977; YIII, Львов, 1981; Щ., Тбилиси, 1985), Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитных излучении с плазмой (Алма-Ата, 1982; Ташкент, 1985,1989), всесоюзном семинаре по параметрической турбулентности и нелинейным явлениям в плазме (Алма-Ата, 1986), Всесоюзных конференциях по распространению волн (XIII, Горький, 1981; XIY. Ленинград, 1984), по распространению и дифракции волн в неоднородных средах (Смоленск, 1992), XYHI се-мпиаре по распространению километровых и более длинных волн (Санкт-Петербург, 1992), XYII конференции по распространению волн (Ульяновск, 1993) и т. д.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 40 работах. Личное участие автора в данном исследовании заключается как в постановке рассматриваемых задач, так и в их теоретическом обосновании и расчетах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы (всего 389 страниц). Из них: 298 страниц основного печатного текста, 75 страниц иллюстраций; список литературы содержит 191 наименование и занимает 16 страниц.
