Введение к работе
Актуальность проблемы. Как известно, различные низкочастотные излучения, существующие в условиях околоземного космического пространства, могут играть весьма важную роль применительно ко многим прикладным проблемам физики ионосферы и магнитосферы Земли. В последнее время широкое распространение получили методы исследования ионосферы и магнитосферы, связанные с активным воздействием' на околоземную плазму. Повышенный интерес при этом вызывают вопросы искусственного возбуждения ОНЧ волн в плазме ионосферного типаС см, например, ). Эффективное возбуждение соответствующих волн открывает дополнительные возможности для активной диагностики околоземной плазмы, управляемого использования низкочастотных излучений и их направленного воздействия на окружающую среду. Однако достижение приемлемого уровня излучаемой мощности, особенно для антенных систем летательных аппаратов - ракет и искусственных спутников Земли, сопряжено в указанном диапазоне со значительными техническими трудностями вследствие низкой эффективности стандартных С элементарных ) излучателей и больших сложностей развертывания в космосе протяженных проводящих структур, например, тросовых привязных систем. Стремление же повысить этот уровень путем увеличения подводимого к антенне сигнала приводит к проявлению различных нелинейных эффектов, возмущающих окружающую плазменную среду и, как следствие, изменяющих условия возбуждения и распространения электромагнитных волн. При определенных условиях нелинейная модификация параметров среды может способствовать повышению эффективности низкочастотных излучателей. В этой связи одним из наиболее перспективных нетрадиционных путей повышения эффективности возбуждения ОНЧ волн представляется использование самосогласованных плазменных излучающих структур - так называемых плазменных антенн, возникающих в плазме ионосферного типа в результате взаимодействия поля с окружающей С фоновой ) средой, Принципиальные возможности реализации соответствующих структур и их позитивное влияние на излучательные характеристики заданных
11 Мареев Е. А. , Чугунов Ю. В. Антенны в плазме. - Нижний Новгород: ИПФ АН СССР, 1991. - 232 с.
источников были продемонстрированы в ряде лабораторных и предварительных натурных С ионосферных ) экспериментов.1)
Настоящая диссертация посвящена изучении особенностей возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот в магнитоактивной - плазменной среде при наличии искусственной неоднородности, имеющей форму квазицилиндрического канала, ориентированного вдоль внешнего магнитного поля. Именно такие самоподдерживающиеся плазменные образования могут возникать Еблизи излучателей в магнитоактивной плазме как при дополнительной ионизации окружающей среды полем источника, так и при преобладающем воздействии тепловых и стрикционных нелинейных эффектов. Целью работы является определение реальных возможностей и перспектив использования соответствующих плазменных структур для повышения уровня излучаемой мощности и управления характеристиками излучения, в частности, диаграммой направленности, распределением излучаемой мощности по пространственному спектру и т, д.
Поставленная цель достигается путем последовательного рассмотрения ряда модельных задач, включающего следующие основные этапы:
1) анализ особенностей возбуждения волн свистоеого диапазона
частот заданными источниками в однородной магнитоактивной
плазменной среде;
2) исследование влияния на излучение заданных источников
плазменной неоднородности в виде бесконечного цилиндрического
плазменного столба, ориентированного вдоль внешнего магнитного
поля и окруженного однородной фоновой плазмой;
3) анализ излучения собственно плазменной антенны, представляющей
собой плазменный канал, возбуждаемый соответствующими источниками
И плавно релаксирующий с удалением от них к фоновой среде.
Поскольку в ОНЧ диапазоне замагниченный плазменный канал мокет являться направляющей системой для волн различных типов,
" Марков Г. А. // Физика плазмы.-1983.-Т. 14, вып. 9.-С. 1094-1098; Агафонов Ю. И. . Бажанов B.C., Исякаеь В. Я. и др. // Письма в ЮТФ. - 1930.- Т. 52, вып. 10. - С. 1127-1130.
к.
рассмотрение перечисленных выше вопросов необходимо, очевидно, дополнить изучением дисперсионных свойств соответствующих волн. Отметим, что из всего свистового диапазона основное внимание мы сосредоточим на интервале частот ы
«... < ы << w„ << ы CD
ЬН п р
lUyj - нижняя гибридная частота, ын и ы - гирочастота и плазменная частота электронов соответственно), представляющем повышенный интерес для многочисленных приложений.
Мы ограничиваемся рассмотрением только рамочных излучателей, ориентированных перпендикулярно внешнему магнитному полю, так как они наиболее адекватны условиям формирования требуемых плазменных неоднородностей.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Исследована зависимость распределения мощности излучения кольцевых токов в однородной магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне по пространственному спектру возбуждаемых волн от размеров излучателя и распределения тока вдоль кольца.
Получено строгое решение задачи об излучении заданных кольцевых токов при наличии цилиндрического плазменного столба, окруженного однородной фоновой плазмой и ориентированного вдоль внешнего магнитного поля.. Изучены дисперсионные свойства и структуры полей собственных (локализованных) и несобственных Сквази-локализованных) мод, направляемых соответствующими искусственными плазменными неоднородностями в свистовом диапазоне. Установлено, что наличие канала с повышенной плотностью плазмы приводит в указанном диапазоне к существенному увеличению полной мощности излучения заданных кольцевых токов.
Показано, что мощность, идущая в длинноволновую часть пространственного спектра квазиплоских волн, возбуждаемых так называемой плазменной антенной, запитываемой кольцевым' электрическим током, может заметно превосходить соответствующую величину, отвечающую случаю размещения того же тока в окружающей однородной среде..
Практическая ценность. Результаты, полученные в работе, имеют важное значение применительно ко всем вопросам, связанным с
практическим использованием ОНЧ излучений (дальняя космическая связь, диагностика ионосферы и магнитосферы и т.д.), а также могут быть использованы для интерпретации данных натурных и модельных лабораторных экспериментов по возбуждению ОНЧ волн в плазме ионосферного типа. '
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XXIII и XXIV Генеральных Ассамблеях УРСИ (Прага, 1990 г.; Киото, 1993 г.), III Суздальском симпозиуме УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами ССуздаль, 1991 г.), I Евроазиатском симпозиуме по космическим наукам и технологиям (Марамара, Турция, 1993 г.), Международной летней школе по физике космической плазмы (Нижний Новгород, 1993), XVI Всесоюзной и XVII Конференциях по распространение радиоволн (Харьков, 1990 г.; Ульяновск, 1993 г.), X Всесоюзном симпозиуме по дифракции и распространению волн (Винница, 1990 г.) III Всесоюзном рабочем совещании по моделированию космических явлений в лабораторной плазме (Новосибирск, 1990 г.), XIV Межведомственном семинаре по распространению километровых и более длинных радиоволн (Горький, 1988 г.). Научно-техническом семинаре РНТОРЭС им.А. С. Попова "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Смоленск, 1992), XLVIII Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1993 г.), а также на ежегодных итоговых научных конференциях ННГУ в 1988-93 гг. и семинарах НИРФИ. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, список работ приведен в конце автореферата.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырех глав, Заключения, трех приложений и списка литературы, включающего 130 наименований, и изложена на 284 страницах, включая основной текст (212 стр.), приложения (11 стр,), рисунки ( 45 стр.) и список литературы (16 стр.). КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Первая глава посвящена исследованию возбуждения волн свистового диапазона частот заданными кольцевыми электрическими и магнитными токе.ми в однородной магнитоактивной плазменной среде.
В разделе 1.1 рассматривается излучение кольцевых электрических токов, расположенных в плоскости, перпендикулярной
внешнему магнитному полю.
В п.1.1.1. приведено строгое выражение ДЛЯ ПОЛНОЙ МОЩНОСТИ
излучения Р| однородного кольцевого электрического тока. Далее,
при конкретных расчетах соответствующая мощность разбивается на
парциальные мощности излучения в кваэиэлектростатическйе волны
(Pq), в вистлерн СР) ив волны промежуточной (относительно
вистлеров и квазиэлектростатических волн) области СР").
Парциальные мощности излучения отвечают следующим участкам
пространственного спектра: Р - интервалу кхс< к±< да, Ру
интервалу 0 < кх< к^, Р* - интервалу kls< к^< к±0; здесь к, -
поперечная (по отношение к направление внешнего магнитного поля
-»
Но) компонента волнового вектора распространяющейся нормальной
волны, значение klg соответствует конусу Стори, значение к1с -
конической рефракции. Полная мощность излучения Р| равна сумме
парциальных мощностей; Р| = Р + Р + Р* . Изучена зависимость
распределения мощности излучения по пространственному спектру
возбуждаемых квазиплоских волн от эффективных электрических
размеров источника и концентрации плазмы.
В следующем п. 1.1.2 исследуется влияние неоднородности распределения электрического тока вдоль кольца на характер распределения мощности по пространственному спектру. Показано, что учет неоднородности токораспределения в таких излучателях может иметь в частотном диапазоне (1) принципиальное значение и приводить, в частности, к заметному увеличению как полной мощности излучения, так и относительной доли энергии, уходящей в квазиэлектростатические волны.
Излучение кольцевых магнитных токов, обнаруживающих в свистовом диапазоне частот ряд принципиальных отличий от своих электрических аналогов, рассматривается в разделе 1.2.
Первый п. 1.2.1. этого раздела посвящен анализу излучения однородного кольцевого магнитного тока, лежащего в плоскости, перпендикулярной внешнему магнитному полю. Здесь получены и проанализированы выражения для полной мощности излучения Р| соответствующего тока, а также парциальных мощностей излучения в кваэиэлектростатическйе волны СР»), вистлерн CPJJ) и волны "промежуточной" области (Pp.
Влияние неоднородности магнитного тока вдоль кольца на распределение излучаемой мощности по пространственному спектру обсуждается в п. 1.2.2.
В разделе 1.3 исследуется диаграмма направленности излучения кольцевых токов в свистовом диапазоне частот. Главное внимание уделяется анализу ее структуры вблизи резонансного конуса и особых каустических направлений, отвечающих углу Стори и конической рефракции. Выделен характер особенностей диаграммы вблизи указанных направлений, проведены подробные численные расчеты для условий, близких к ионосферным.
В заключительном разделе 1.4 первой главы сформулированы основные выводы, вытекающие из проведенного в ней рассмотрения.
Во второй главе исследуются дисперсионные характеристики и структуры полей мод. направляемых замагниченными плазменными каналами Сдактами плотности) в свистовом диапазоне частот. В отличие от работ, посвященных каналированию вистлеров в магнитосферных дактах плотности, здесь главное внимание сосредоточено на довольно "узких" плазменных каналах, имеющих ширину, сравнимую с характерной длиной свистовой волны, и возникающих, в частности, при нелинейном взаимодействии поля источника с окружающей плазменной средой. Первые два раздела С2.1, 2.2) посвящены каналам с повышенной плотностью, отвечающим, как правило, случаю ионизационной нелинейности.
В разделе 2.1 рассматривается цилиндрический канал с простейшим однородным распределением плотности, ориентированный вдоль внешнего магнитного поля и окруженный однородной фоновой плазмой.
В п.2.1.1 записаны общие выражения для полей азимутально-симметричных мод, направляемых таким каналом, и получено дисперсионное уравнение, позволяющее определить постоянные распространения мод. В п.2.1.2 применительно к диапазону CD исследовано решение дисперсионного уравнения для столба с повышенной плотностью, допускающего существование лишь несобственных слабовытекающих Сквазилокализованных) мод. Структура полей соответствующих мод анализируется в п. 2.1.3.
Радиально неоднородный цилиндрический канал с плотностью,
монотонно спадающей к фоновому зяачению, рассмотрен в разделе 2.2. Показано, что основные особенности распространения слабовытекащих мод. исследованные в пп. 2.1.1-2.1.3 для дакта с резкой границей, сохраняются в общих чертах и для канала с плавным профилем плотности плазмы. Отличия состоят главным образом в поведении постоянных затухания мод.
В разделе 2.3 исследуется каналирование волн свистового диапазона в цилиндрическом канале с немонотонным С"двугорбым") распределением плотности по радиусу. Каналы такого типа могут возникать в магнитоактиЕНой плазме вблизи антенных устройств при преобладающем влиянии тепловых нелинейных эффектов.
В п.2.3.1. в рамках ВКБ-приближения рассмотрены возможные частные случаи, отвечающие наличию либо собственных (локализованных), либо несобственных Сквазилокализованных) мод.
Каналирование в более узких дактах, не допускающих использование ВКБ-приближения, обсуждается в пп.2.3.2, 2.3.3 для модельного кусочно-постоянного профиля плотности плазмы.
Сопоставление результатов соответствующих расчетов Спп. 2.3.1-2.3.3) с данными лабораторного моделирования, проводимое в п.2.3.4, демонстрирует хорошее согласие между ними.
Раздел 2.4 посвящен выводу соотношений ортогональности для азимутально-симметричных мод, направляемых радиально неоднородным цилиндрическим каналом в замагниченгой плазме.
Выводы по второй главе ^'формулированы в разделе 2.5
Третья глава посвящена исследованию излучения заданных кольцевых токов при наличии бесконечного плазменнного столба, ориентированного вдоль внешнего магнитного поля и окруженного однородной фоновой плазмой.
В разделе 3.1 получено строгое решение соответствующей задачи, отвечающее однородным кольцевым электрическим и магнитным токам, расположенным перпендикулярно оси столба. Решение представлено в виде так называемого разложения по продольному волновому числу Сразложения в интеграл Фурье по продольной координате).
В п. 3.1.1 приводится общее интегральное представление поля. В п.3.1.2 применительно к диапазону (1) исследуются
аналитические свойства функций, входящих в подынтегральные выражения. В п. 3.1. 3 из общего интегрального представления поля выделены в явном виде собственные и несобственные моды, которые могут существовать в указанной области частот в каналах с пониженной и повышенной плотностью плазмы соответственно.
В разделе 3.2 рассматривается другое возможное представление поля - разложение по поперечному волновому числу С разложение по системе собственных волн волновода). При конкретных расчетах этому представление в ряде случаев может быть отдано методическое предпочтение.
Соответствующая система собственных волн открытого волновода с гиротропным заполнением получена в п.3.2.1. Там же приведено общее представление решения. В отличие от разложения по продольному волновому числу, в .этом представлении собственные волны, -отвечающие дискретному спектру, изначально выделены, а оставшаяся часть поля описывается интегралами по волнам непрерывного спектра. Аналитические свойства соответствующих подынтегральных выражений обсуждаются в п. 3.2. 2.
В п.3,2.3 получены соотношения ортогональности для волн дискретной и непрерывной частей спектра, позволяющие рассчитывать коэффициенты возбуждения этих волн методом, опирающимся на лемму Лоренца и обобщающим известную теорию возбуждения открытых изотропных волноводов" на случай открытых направляющих систем с гиротропным заполнением. Конкретные примеры таких расчетов даны в пп.3.2.4, 3.2.5.
Доказательству того факта, что разложение по продольному волновому числу и разложение по поперечному волновому числу дают одинаковые результаты, посвящен п.3.2.6. Здесь же обсуждается предельный переход к случаю однородной среды.
Поле излучения кольцевых токов в волновой зоне С вне канала) исследуется в разделе 3. 3.
В п.3.3.1. получены выражения для компонент поля и диаграммы направленности излучения. В п.3.3.2 выведено выражение для полной мощности излучения кольцевых токов при наличии плазменного столба
" Шевченко В.В. Плавные переходы в открытых волноводах. Введение в теорию. - М.: Наука, 1969. - 192 с.
Результаты численных расчетов, демонстрирующие влияние плотности плазш в столбе на излучение заданных токов представлены в разделе 3.4.
В разделе 3.5 сформулированы основные выводы по главе.
В четвертой главе на основании результатов, полученных в Гл. 3, исследуется излучение заданных кольцевых токов при наличии квазицилиндрического плазменного образования с конечным продольным размером, запитываемого соответствующими источниками я плавно релаксирующего с удалением от них к фоновой плазме.
Возможная структура такого искусственного образования обсуждается применительно к ионосферным условиям в разделе 4.1.
В разделе 4,2 приведены оценки, иллюстрирующие особенности распространения свистовых мод в соответствующей неоднородности с повышенной плотностью плазмы.
В разделе 4.3 в рамках подхода, основанного на электродинамической формулировке принципа Гюйгенса, анализируется излучение с конца плазменной неоднородности в окружающее пространство.
В разделе 4.4 исследуется распределение мощности, излучаемой из плазменной неоднородности, по пространственному спектру возбуждаемых в окружающей плазме квазиплоских волк
Выводы по главе изложены в разделе 4.5
В Заключении приведены основные результаты диссертации.
В Приложении 1 исследуются дисперсионные характеристики и структура полей мод, направляемых однородным плоским слоем в свистовом диапазоне.
В Приложении 2 даны оценки параметров искусственного плазменно-волноводного канала, формирующегося в ионосфере в результате ионизационного самоканалирования квазиэлектрбстатичес-ких волн.
Некоторые результаты экспериментального моделирования возбуждения свистовых еолн при наличии искусственной плазменной неоднородности изложены в Приложении 3.
