ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................4
1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И
МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ...................................25
1.1. Экспериментальная установка......................25
1.2. Методы диагностики параметров плазмы.............33
1.2.1. Двойной зонд и интерферометр...............33
1.2.2. Определение параметров плазмы по резонансным конусам электромагнитных источников.......................34
1.2.3. Измерения магнитного поля по циклотронному поглощению........................................35
1.2.4. СВЧ-резонаторный зонд......................36
1.3. Измерение высокочастотных полей в магнитоактивной плазме................................................37
2. ИЗЛУЧЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ВИСТЛЕРНОГО
ДИАПАЗОНА В ОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ.........................41
2.1. Результаты эксперимента..........................42
2.2. Теоретический расчёт.............................49
2.2.1. Исходные уравнения и основные соотношения..49
2.2.2. Зависимость поля излучения от распределения тока по антенне...........................................51
2.2.3. Структура полей электрического и магнитного излучателей.......................................58
2.3. Выводы...........................................59
3. ВОЛНОВОДНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ВИСТЛЕРНОГО
ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ДАКТАХ С ПОНИЖЕННОЙ НА ОСИ КАНАЛА ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ..........................60
3.1. Результаты эксперимента..........................62
3.1.1. Постановка эксперимента....................62
3.1.2. Формирование дакта плотности...............63
3.1.3. Фазометрические измерения..................65
3.1.4. Амплитудные измерения......................67
3.2. Теоретический расчет.............................71
3.2.1. Основные уравнения.........................71
2
3.2.2. Особенности волноводного распространения вистлеров. 75
3.2.3. Утечка энергии из волноводов с повышенной на оси плотностью плазмы....................................77
3.2.4. Утечка энергии из волноводов «сложной» формы..82
3.3. Обсуждение результатов..............................83
3.43аключение............................................85
4. КАНАЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ДАКТАХ С ПОВЫШЕННОЙ НА ОСИ ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ..........86
4.1. Постановка эксперимента.............................87
4.2. Теоретический расчёт................................94
4.2.1 Основные характеристики распространения
квазилокализованных мод в канале.................96
4.3. Сравнение результатов амплитудных и фазовых измерений квазилокализованных волн, распространяющихся в канале..................................................102
4.3.1. Амплитудные измерения........................102
4.3.2. Фазовые измерения............................107
4.3.3. Распространение волн свистового диапазона в процессе формирования дакта плотности........................112
4.4. Заключение.........................................115
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................116
ВВЕДЕНИЕ
Исследование излучения электромагнитных волн дипольными антеннами электрического и магнитного типа в магнитоактивной плазме ведутся достаточно давно [27]. Актуальность данных работ определяется использованием таких антенн в космических [1] и лабораторных экспериментах [28-30].
В последние годы заметно возрос интерес к изучению распространения волн вистлерного диапазона частот в магнитоактивной плазме [2]. Это связано с широким использованием низкочастотных (НЧ) антенн для активной диагностики параметров ионосферной плазмы, для получения более полной картины процессов происходящих в околоземной плазме [I, 12]. Некоторые, весьма перспективные радиофизические методы активной диагностики параметров околоземной плазмы связаны с возбуждением в интенсивных волновых полей НЧ-диапазона [15, 16]. Высокая информативность указанных методов исследования Земной ионосферы и магнитосферы приводит к поиску эффективных источников низкочастотного излучения спутникового базирования. Однако, вследствие больших длин волн вистдеров в ионосфере и магнитосфере Земли, эффективность компактных антенных систем обычно оказывается недостаточной. Следовательно, задача возбуждения интенсивных волновых полей в плазме сводится к увеличению подводимой к антенне мощности. При этом ближние поля создаваемые такими антеннами оказываются достаточными для модификации параметров плазмы [4, 5, 19, 31]. Вследствие этого происходит существенное изменение электродинамических характеристик излучателей [32, 33]. Следовательно, представляется целесообразным изучение влияния нелинейных эффектов в ближней зоне излучателя на его параметры [34]. В результате нагрева электронов плазмы ближними полями антенн и термодиффузионного перераспределения плазмы вблизи излучателей образуются также
4
вытянутые вдоль внешнего магнитного поля неоднородности плотности плазмы (дакты), что делает особенно актуальным изучение распространения волн НЧ-диапазона в магнитоактивной плазме при наличии дактов плотности. Исследования распространения ЭМ волн в дактах интересны также и с точки зрения распространения естественных волн вистлерного диапазона в ионосферной плазме, поскольку согласно результатам ряда экспериментальных работ в ионосфере существуют достаточно протяжённые дакты плотности [1, 12].
В условиях ионосферы вистлеры могут переносить энергию на большие расстояния [2, 13, 27], т.к., во-первых, они распространяются вдоль внешнего магнитного поля, а во-вторых, их затухание, определяемое столкновениями в плазме, меньше чем у квазипотенциальных волн. Таким образом, ещё одно направление экспериментальных исследований - поиск путей увеличения отношения мощности, излучаемой в квазипродольные вистлеры к мощности, приЮ2еличения уровня сигнала подводимого к антенне).
Лабораторные эксперименты имеют ряд преимуществ перед ионосферными: дешевизна, оперативность получения информации,
возможность целенаправленно, по своему выбору, меняя параметры плазмы, воспроизводить различные условия излучения антенн для проверки тех или иных гипотез. Лабораторное моделирование позволяет также ответить на ряд вопросов остающихся за рамками рассмотрения при проведении ионосферных экспериментов. Например, появляется возможность, подробно изучить распределения электромагнитных полей источников в широком диапазоне параметров плазмы. В диссертации приведены результаты исследования электромагнитных полей свистового диапазона частот, возбуждаемых элементарными антеннами электрического и магнитного типов. В связи с техническими трудностями при разворачивании со спутников протяженных проводящих структур,
5
подобные модельные исследования представляются вполне целесообразными и имеют практическую ценность.
Целью настоящей работы является лабораторное исследование условий возбуждения и распространения волн вистлерного диапазона частот в магнитоактивной плазме ионосферного типа. Исследования проводились как в однородной плазме, так и при наличии неоднородных плазменных структур (дактов плотности). Изучался механизм формирования дактов плотности вблизи излучателей магнитного типа. В работе предложен и реализован метод формирования каната основанный на термодиффузионном перераспределении плазмы. Исследовано влияние тепловых и стрикционных нелинейных эффектов на излучение рамочной антенной волн свистового диапазона частот. Отдельно рассмотрено появление комбинационных частот при одновременном подводе к излучающей антенне двух сигнатов различной амплитуды.
Моделирование ионосферных процессов проводилось на основании параметров подобия, которые задают соотношения основных физических величин в космической и лабораторной плазме. Понятно, что в силу большого числа параметров, речь идёт лишь о частичном моделировании. Из всей совокупности безразмерных параметров выбирается группа (например: со/а*?с, со/о^) и для них устанавливается количественное соответствие (т.е. значения указанных параметров в космической и ионосферной плазме должны совпадать). По остальным параметрам ограничиваются качественным моделированием, т.е. сохраняют лишь качественные соотношения между соответствующими параметрами.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы. Всего в работе 108 страниц текста, 39 рисунков. Список литературы состоит из 69 наименований. Общий объем диссертации 125 страниц.
Ниже кратко излагается содержание диссертации.
6
Глава 1 посвящена описанию экспериментальной базы проводившихся исследований. В разделе 1.1. приведено описание установки "Ионосфера", на которой были выполнены экспериментальные работы, составившие основу диссертации. На установке, изучались процессы излучения и распространения волн вистлерного диапазона частот, как в однородной плазме, так и при наличии плазменных каналов. Экспериментально исследовалось также взаимодействие мощного электромагнитного излучения с магнитоактивной плазмой. Особое внимание было уделено столь важному вопросу, как влияние нелинейных эффектов на электродинамические характеристики рамочных антенн в магнитоактивной плазме.
Эксперименты проводились в атмосфере аргона при давлениях от 2-10° до 8*10’3 Topp. Примеси других газов не превышали 0,5%. Однородная магнитоактивная плазма создавалась с помощью высокочастотного индукционного разряда. Характерные размеры плазменного столба: длина - 100 см, диаметр - 50 см. Максимальная концентрация плазмы, достигавшаяся в процессе разряда, составляла 1013-см’3, максимальная величина внешнего магнитного поля в экспериментах - 500 Гс. Эксперименты проводились в распадающейся плазме с характерным временем распада 1,5 мс. В процессе распада устанавливалась квазистационарная температура электронов и ионов плазмы, равная 0,5 эВ. Источником высокочастотных полей служил стандартный генератор работающий в полосе от 1 до 500 МГц. Для лабораторной плазмы это перекрывает весь нижнегибридный диапазон. В экспериментах по распространению волн вистлерного диапазона частот в неоднородной плазме, описанных в 3 и 4 главах, создавались однородные по всей длине установки дакты плотности, с различными поперечными профилями электронной концентрации. Для модификации параметров фоновой плазмы использовался импульсный мощный высокочастотный генератор (Ро = 100 Вт при длительности импульса до 1,2 мс и рабочей
частоте 62 МГц). В экспериментах, описанных в 3 гл., сигнал от генератора подводился к передающей антенне. Для создания дактов с повышенной на оси плотностью плазмы (исследованных в гл.4) использовалась специальная формирующая антенна.
В разделе 1.2. приведено описание методов диагностики параметров плазмы: классические зондовые методы наиболее часто использующиеся в лабораторных экспериментах (ленгмюровские и двойные зонды), СВЧ-интерферометрия. Рассматривается и достаточно редко встречающийся метод измерения плотности плазмы с помощью СВЧ-резонаторного зонда. В отдельных экспериментах диагностика параметров плазмы производилась по резонансным конусам источников электрического типа.
В параграфе 1.2.1. описаны двойной зонд и интерферометр. К достоинствам двойных зондов следует отнести локальность проводимых измерений. Однако у данного метода есть два существенных недостатка:
^ зависимость зондового тока от величины внешнего магнитного поля (что не позволяет использовать двойной зонд для абсолютных измерений плотности плазмы)
^ зависимость зондового тока от температуры электронов (что затрудняет применение данного метода в экспериментах с неоднородным распределением температуры в плазменном объёме).
Среднее значение плотности плазмы при проведении экспериментов контролировалось с помощью микроволнового интерферометра с частотой 34ГГц. Конструкция интерферометра позволяла измерять концентрацию электронов плазмы в диапазоне 10П-И013см*3.
Измерения магнитного поля в установке проводились по циклотронному поглощению. Этот метод описан в параграфе 1.2.3. Суть метода заключается в измерении циклотронного поглощения электромагнитной волны распространяющейся вдоль магнитного поля. Для нормальной волны, у которой вращение вектора поляризации электрического поля совпадает с направлением ларморовского вращения
8
электронов, при соц= сон (<**)-частота ЭМ поля, соц -гирочастота электронов) имеется особенность показателя преломления. Использование этого факта позволяет при С0р« (Оц (где со? - электронная плазменная частота) определить абсолютное значение, а также временной ход величины внешнего магнитного поля в установке. Точность данного метода составляет величину около 4%.
В параграфе 1.2.4. описан относительно новый способ диагностики концентрации электронов плазмы с помощью СВЧ-резонаторного зонда. Он представляет собой открытый резонатор, который помещается в исследуемую плазму. Естественно, что резонансная частота системы генератор-зонд-детектор зависит от диэлектрической проницаемости плазмы. Таким образом, по сдвигу резонансной частоты можно судить о значении параметров плазмы.
Известно, что в свистовом диапазоне частот существуют выделенные направления, вдоль которых амплитуда электрических квазистатических полей штыревой антенны достигает значительных величин. В параграфе
1.2.2. описывается метод определения параметров мапштоактивной плазмы предложенный в [35]. Он основан на регистрации квазипотенциааьных полей штыревой антенны. Метод был доработан для использования в условиях конкретной лабораторной установки. Данная диагностика позволяет проводить абсолютные измерения концентрации электронов в плазме в диапазоне сор<сон с точностью не хуже нескольких процентов, а при выполнении условия С0р»С0Н - позволяет с точностью не хуже 2% измерять значение магнитного поля в лабораторной установке.
Из сравнения параметров лабораторной установки, с параметрами ионосферной плазмы делается вывод о возможности корректного моделирования процессов, происходящих в ионосфере и магнитосфере Земли на экспериментальном стенде "Ионосфера".
В разделе 1.3. описаны схемы проводимых измерений и конструкции антенн, применявшихся для измерения электрических и магнитных полей
9
излучаемых электрическими и магнитными антеннами в плазме. Магнитные поля измерялись с помощью рамок диаметром 6-1 Омм. Для регистрации электрических полей использовались штыревые антенны -отрезки коаксиального кабеля с выступающим на 3-10 мм центральным проводом. Таким образом, достигалось высокое пространственное разрешение, при проведении экспериментов в широком диапазоне частот. Простейшие дипольные антенны обладают плохой избирательностью и малым пространственным разрешением. А применение для регистрации полей различных резонансных систем ограничивает частотную полосу исследуемых процессов. Для исключения влияния параметров плазмы на характеристики антенн, поверхности последних покрывались
диэлектриком, толщина которого многократно превышала размер двойного слоя.
Во второй главе представлены результаты исследований
возбуждения электромагнитных волн нижнегибридного диапазона антеннами электрического и магнитного типов. Описаны особенности
распространения ВИСТЛерОВ В ОДНОРОДНОЙ МаГНИТОаКТИВНОЙ ПЛаЗМе. Было
рассмотрено влияние электрического размера антенны на
пространственный спектр возбуждаемых ВОЛН. А также изучена роль
различных участков пространственного спектра возбуждаемых рамочной и дипольной антеннами волн свистового диапазона в формировании структуры электромагнитного поля.
Результаты экспериментов описаны в разделе 2.1. Показано, что при достаточно низких значениях концентрации плазмы (ао)р/с« 1, где а -характерный размер излучателя) антенны возбуждают в основном квазиэлектростатические волны с волновыми числами к»сОр!с. При выполнении обратного условия (асо^/с» 1) мощность излучения сосредоточена в основном в квазипродольном вистлере (волнах с к.|«0). В
„ «г 1 р ^ Н
промежуточной области параметров 1<—— главную роль в
с V со
10
формировании структуры электромагнитных полей рамочной или штыревой антенн играют пространственные гармоники с волновыми числами сУр/с, называемые волнами конической рефракции. Такой вывод был сделан на основании изучения поперечных (по отношению к внешнему магнитному полю) распределений различных компонент электромагнитных полей излучаемых антеннами электрического и магнитного типов. Для получения более детальной картины измерения полей были проведены на различных расстояниях от излучающей антенны. Косвенно вывод о влиянии электрического размера излучателя на пространственный спектр возбуждаемых волн подтверждается также результатами измерений продольных (по отношению к внешнему магнитному полю) распределений Н2 компоненты электромагнитного поля рамочной антенны.
В разделе 2.2 приведены результаты теоретического рассмотрения особенностей возбуждения волн вистлерного диапазона частот антеннами электрического и магнитного типов. На основании расчётов сделан вывод о существовании, при определённых условиях выделенных направлений, вдоль которых величина электрического поля для антенн в нижнегибридном диапазоне резко возрастает. Показана возможность использования коротких антенн электрического типа для точной диагностики параметров плазмы. Подтверждён сделанный в разделе 2.1 вывод о влиянии электрических размеров излучателя на пространственный спектр возбуждаемых волн. Результаты теоретических расчетов хорошо согласуются с экспериментальными данными, приведенными в разделе 2.1.
В главе 3 приведены результаты исследования волноводного распространение волн вистлерного диапазона частот в дактах с пониженной на оси плотностью плазмы. Проводились как измерения апмлитуд полей в пространстве, так и фазовые измерения.
Раздел 3.1.1. посвящён краткому описанию экспериментальной установки и схем проводимых измерений. В разделе 3.1.2. рассмотрен
п
- Київ+380960830922