ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ...................................................................3
1 ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ . УСТАНОВКИ И МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ................................................................16
1.1. Проблемы лабораторного моделирования волновых процессов в околоземной плазме.....................................................................16
1.2. Экспериментальная установка «Крот»....................................19
1.3. Системы диагностики параметров плазмы и магнитного поля ;.............22
1.4. Системы для возбуждения и регистрации высокочастотных полей...........24
2 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛН СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА В ПЛАЗМЕ С НЕСТАЦИОНАРНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ.............................................28
2.1. Описание волн свистового ’диапазона частот в плазме с нестационарным магнитным полем............................................................29
2.1.1. Общая характеристика волн свистового диапазона......................29
2.1.2. Преобразование частоты волн свистового диапазона в плазме с нестационарным магнитным полем............................................................32
2.2. Описание эксперимента.................................................37
2.2.1. Источник возмущения магнитного поля................................3 8
2.2.2. Дакт с пониженной плотностью плазмы.................................40
2.3. Экспериментальные результаты.........................................42
2.3.1. Структура возбуждаемых волновых полей...............................42
2.3.2. Квазистатическое периодическое изменение магнитного поля во времени.44
2.3.3. Импульсное зондирование плазмы с нестационарным магнитным полем.....51
2.3.4. Возмущение магнитного поля низкочастотными свистовыми волнами.......51
2.3.5. Влияние дакта с пониженной плотностью плазмы на процессы параметрического преобразования частоты свистовых волн......................................54
2.3.6. Распространение частотно-модулированных вистлеров в плазме с невозмущенным магнитным полем..............................................57
2.3.7. Механизмы затухания свистовых волн..................................59
2.3.8. Апериодические возмущения магнитного поля...........................64
3 ВОЗБУЖДЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА В ПЛАЗМЕ С ПРОСТРАНСТВЕННО-НЕОДНОРОДНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ............................................................70
3.1. Рассеяние вистлеров пространственно-неоднородными возмущениями
магнитного
1
71
3.1.1. Описание экспериментов................................................71
3.1.2. Экспериментальные результаты..........................................73
3.1.2.1. Локальное возмущение магнитного поля одиночным витком с током:
«магнитная линза»............................................................73
3.1.2.2. Распространение волн свистового диапазона в плазме с вытянутой
неоднородностью (дактом) магнитного поля.....................................77
3.1.2.3. Параметрическое преобразование частоты вистлеров в дактах с
нестационарным магнитным полем............................................. 82
3.2. Электродинамический способ управления излучением рамочной антенны в
свистовом диапазоне частот...................................................84
3.2.1 Принцип управления работой рамочной антенны...........................84
3.2.2. Описание экспериментов................................................85
3.2.3. Результаты экспериментов............................................ 87
3.2.3.1. Режим «излучение»...................................................87
3.3.3.2. Режим «прием».......................................................92
3.3.4. Обсуждение результатов эксперимента...................................95
3.3.4.1. Импедансные характеристики рамочной антенны в магнитоактивной плазме. 95
3.3.4.2. Ближнее поле рамочной антенны в магиитоактивной плазме..............96
3.3.4.3. Качественный анализ полей рамочной антенны при локальном возмущении
магнитного поля..............................................................97
4 МОДУЛЯЦИЯ СВИСТОВЫХ ВОЛН НЕСТАЦИОНАРНЫМИ И
НЕОДНОРОДНЫМИ ВОЗМУЩЕНИЯМИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В МАГНИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ..........................................................103
4.1. УНЧ волны и проблема формирования структурированных пульсаций Рс1
(«жемчужин»)................................................................103
4.2. Модуляция ОНЧ волн неоднородными и нестационарными вариациями магнитного
поля .......................................................................109
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................114
СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................116
2
ВВЕДЕНИЕ
Низкочастотные волны, возбуждаемые в околоземной плазме наземными и спутниковыми передатчиками, а также естественные низкочастотные излучения, формирующиеся в ионосфере и магнитосфере Земли, представляют большой интерес в связи с разнообразными научными и техническими приложениями [1-8]. Значительная часть сигналов очень низкочастотного (ОНЧ) диапазона распространяется в магнитоактивной плазме ближнего космоса в виде вистлеров или свистов -правополяризованных мод с частотами ниже циклотронной частоты электронов. Как естественные, так и искусственные волны свистового диапазона, возбуждаемые с поверхности Земли и борта космических аппаратов, могут использоваться для диагностики и мониторинга плазменного окружения Земли [4], исследования структуры магнитосферы [5,6], при проведении экспериментов по контролируемым высыпаниям частиц [7]. В настоящее время интенсивно разрабатываются программы спутниковых экспериментов по активному волновому воздействию на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [8].
Исследования свистовых волн не ограничиваются околоземной плазмой, где они были изучены первоначально [9]. К настоящему времени вистлеры обнаружены практически во всех планетарных магнитосферах Солнечной системы [10-14]. Волны свистового диапазона регистрируются в экспериментах по магнитному перезамыканию [15-17], в горячей плазме токамаков [18] и в прямых магнитных ловушках [19]. В последние десятилетия активно обсуждается генерация плотной плазмы волнами свистового диапазона в так называемых «геликоиных» источниках [20]. Вистлеры участвуют в быстром недиффузионном переносе магнитных полей и токов, описываемом в приближении электронной магнитной гидродинамики [21,22], который важен, в частности, для задач инерциального термоядерного синтеза. Таким образом, исследование свистовых волн не только необходимо для понимания процессов в ближнем космосе, но и представляет большой общефизический интерес.
Космические исследования, как правило, сопряжены с проведением трудных и дорогостоящих экспериментов. Это обстоятельство оправдывает изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории [112]. Требования адекватного моделирования космических явлений накладывают на лабораторные эксперименты ряд ограничений, связанных, в частности, с размерами установок, которые должны быть достаточно велики. Исследования, результаты которых
3
представлены в диссертации, выполнялись на стенде «Крот» [23], созданном в ИПФ РАН для моделирования космической плазмы, который, являясь одной из самых больших установок своего класса, удовлетворяет большинству критериев качественного моделирования плазменно-волновых процессов. Масштабы стенда допускают изучение вистлеров в приближении безграничной плазмы, а используемый диагностический комплекс позволяет получать исчерпывающую информацию о плазме и возбуждаемых в ней электромагнитных полях.
При анализе влияния возмущений магнитосферы на ОНЧ волны традиционно рассматриваются пространственные или временные вариации плотности околоземной плазмы. Однако важнейшей особенностью вистлеров является сильная зависимость их дисперсионных свойств от величины внешнего магнитного поля, которое, с одной стороны, определяет резонансные направления, резонансные частоты и структуру поверхности волновых векторов в свистовом диапазоне, а с другой - постоянно возмущается низкочастотными волнами и корпускулярными потоками. Диссертация посвящена исследованию процессов возбуждения и распространения вистлеров в плазме при наличии пространственно-неоднородных и нестационарных вариаций магнитного поля, не сопровождаемых модуляцией электронной концентрации.
В космических условиях амплитудно-частотные характеристики вистлеров часто искажаются из-за нестационарных возмущений параметров околоземной плазмы. Ранее предлагались разнообразные резонансные механизмы обогащения частотного спектра вистлеров при их параметрическом взаимодействии с ионосферными и магнитосферными колебаниями [26,27,105,106]. Между тем, большой интерес представляют нерезонансные параметрические явления, которые, по-видимому, более распространены в природе, и обычно не приводят к накоплению электромагнитной энергии на фиксированных частотах, но, напротив, могут сопровождаться преобразованием спектра в широкой полосе частот [28]. В диссертации экспериментально исследована нерезонансная параметрическая модуляция частоты вистлеров в плазме с нестационарными возмущениями магнитного поля, а также комплекс дисперсионных явлений, приводящих к компрессии частотно-модулированных свистовых волн.
По сложившимся к настоящему времени представлениям, неоднородности магнитосферы и ионосферы играют ключевую роль в процессе распространения ОНЧ сигналов, формируя для вистлеров специфические волноводные структуры. Чаще всего транспортировка излучения по длинным магнитосферным трассам объясняется наличием вытянутых областей, или дактов, с повышенной или пониженной плотностью
4
плазмы. В диссертации экспериментально изучены неоднородности иного типа -пространственно-неоднородные возмущения магнитного поля, которые, как показывают эксперименты, фокусируют волны свистового диапазона, и могут эффективно их направлять. В космических условиях неоднородности данного типа могут возникать из-за диамагнитного эффекта, при возбуждении интенсивных МГД колебаний, за счет развития различных нелинейных процессов.
При проведении активных экспериментов в околоземной плазме остро стоят вопросы увеличения эффективности возбуждения вистлеров с помощью компактных антенн спутникового базирования. Один из путей решения проблемы заключается в использовании электродинамических методов управления излучением, реализуемых при изменении электродинамических параметров системы «фидер-антенна-плазма» сторонним источником, либо за счет нелинейных эффектов в собственном поле антенны. К настоящему времени известно достаточное число таких методов, связанных с локальной модификацией плотности плазмы или параметров слоя пространственного заряда у поверхности излучателя. В диссертации предложен способ управления эффективностью рамочной антенны, используемой для излучения или приема вистлеров, за счет формирования около антенны неоднородности внешнего магнитного поля, без возмущения плотности плазмы.
Результаты, представленные в диссертации, могут использоваться для объяснения явлений, наблюдаемых как в магнитосфере и ионосфере Земли, так и в других плазменных системах, где возбуждаются волны свистового типа, и присутствуют магнитные возмущения с различными пространственными и временными масштабами.
Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, заключения и списка литературы. Список литературы включает 140 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 58 рисунков и 3 таблицы.
Ниже кратко излагается содержание диссертации.
Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, кратко изложено содержание диссертации.
В главе 1 приводится описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования, составляющие основу диссертации. Проблемы, связанные с лабораторным моделированием волновых процессов в околоземной плазме, изложены в разделе 1.1. Адекватное моделирование процессов возбуждения и распространения волн, при условии измерения параметров плазмы и волновых полей с высоким пространственно-временным разрешением, возможно только на
5
крупномасштабных установках. Стенд «Крот» был специально создан для моделирования физических явлений в плазме ближнего космоса. Его параметры приводятся в разделе 1.2. Квазиоднородный столб магнитоактивной плазмы длиной 4 м и диаметром до 1.5 м формируется в результате импульсного индукционного высокочастотного разряда в аргоне (давление нейтрального газа р = 4-7* КГЧорр, мощность плазмосоздающих генераторов порядка 1 МВт, частота 5 МГц). Максимальная концентрация плазмы достигает значения 2* 1013см'3, максимальная величина магнитного поля 1 кГс. Эксперименты, описанные в диссертации, производились в распадающейся плазме, при плотностях щ - Ю10-1012 см'3, значениях температуры электронов Г* = 0.2-1.5 эВ, ионной температуре Т/<0.5эВ. Раздел 13 содержит описание методов, использовавшихся для диагностики параметров плазмы и магнитного поля. Применялись традиционные зондовые методы (одиночные и двойные электростатические зонды), методы бесконтактной диагностики (СВЧ-интерферометр), миниатюрные зонды с СВЧ-резонаторами, многосеточный анализатор энергий электронов. Измерение и контроль возмущений магнитного поля осуществлялись магнитными зондами, а также методом циклотронного резонанса. Возбуждение и детектирование высокочастотных полей в плазме производились с помощью антенн, описанных в разделе 1.4. В экспериментах использовались, главным образом, изолированные электрически экранированные рамочные антенны.
Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию эффектов преобразования частоты и амплитуды волн свистового диапазона, распространяющихся в плазме с нестационарными возмущениями магнитного поля. Экспериментальная деятельность в данном направлении была стимулирована наблюдением в магнитосфере Земли низкочастотных излучений с выраженной амплитудно-частотной модуляцией, регистрируемых одновременно с нестационарными вариациями магнитного поля. Раздел 2.1 посвящен теоретическому описанию вистлеров в плазме с нестационарным магнитным полем. Анализ дисперсионных свойств волн свистового диапазона (раздел 2.1.1) показывает, что магнитные возмущения могут существенно изменять амплитудно-частотные характеристики излучения. В диссертации исследуется «нерезонансный» [6] механизм параметрического преобразование частоты и амплитуды вистлеров, который, в отличие от резонансного рассеяния, редко рассматривался теоретически, и не исследовался в экспериментах. В разделе 2.1.2 из уравнения переноса частоты получено приближенное аналитическое выражение для девиации частоты волны свистового диапазона, после ее прохождения через область с
6
нестационарным возмущением магнитного поля. Экспериментальные данные подтверждают оценки, сделанные на базе указанного выражения.
Раздел 2.2 посвящен описанию экспериментов, в которых исследовались эффекты нерезонансной параметрической модуляции вистлеров в нестационарном магнитном поле. В разделе 2.2.1 описан способ генерации возмущений магнитного поля. В качестве источника магнитных возмущений использовалась дополнительная рамочная антенна (индуктор), установленная внутри основного соленоида установки. Переменный ток, пропускавшийся по индуктору, обеспечивал относительное возмущение поля до АВ/Во ~ 20%; характерные времена возмущения г были достаточно малы, и интенсивные возмущения магнитного поля не сопровождались модуляцией
9
плотности плазмы на временах порядка т. В экспериментах изучались гармонические и апериодические магнитные возмущения. Исследования выполнялись как при однородном распределении плотности плазмы по радиусу, так и при наличии вытянутой вдоль магнитного поля неоднородности (дакта) с пониженной плотностью. В разделе 2.2.2 описан термодиффузионный механизм формирования неоднородности за счет локального нагрева плазмы ВЧ полем.
Раздел 23 посвящен изложению экспериментальных результатов. В разделе 23Л анализируется структура возбуждаемых антеннами электромагнитных полей. В выбранном режиме параметров в плазму излучались пробные волны с волновым вектором, направленным под углом 0о = 35°-45° относительно направления магнитного поля.
В разделе 2.3.2 рассмотрены характеристики пробных волн свистового диапазона, прошедших через область с гармоническим возмущением магнитного поля. Эксперименты показывают, что частота зондирующей волны модулируется с периодом, равным периоду модуляции магнитного поля. Индекс частотной модуляции зависит от отношения частоты излучения к электронной циклотронной частоте; экспериментальные результаты согласуются с теоретическими оценками. Максимальная девиация частоты Дсо/оо ~ АВ/Во - 5 х К)*2 наблюдается, когда групповая задержка волны в возмущенной области сравнима с периодом возмущения магнитного поля, на частотах, близких к резонансной частоте для «косых» свистовых волн сои со8 0о. В этих же условиях становятся существенными дисперсионные эффекты: разные участки частотно-модулированной (ЧМ) волны распространяются с различными групповыми скоростями. В результате наблюдается дисперсионное сжатие ЧМ свистовой волны, из-за которого непрерывный сигнал дробится на отдельные волновые пакеты, длительность которых уменьшается по мере удаления от источника и от
7
области с возмущенным магнитным полем. Минимальная длительность, до которой сжимаются волновые пакеты, составляет Д/ - л!А со.
В разделе 2.33 приведены результаты, полученные при зондировании области с гармонической модуляцией магнитного поля коротким импульсом монохроматических свистовых волн. Длительность импульса выбиралась меньшей периода модуляции поля, он излучался в плазму в различных фазах возмущения. В зависимости от фазы запуска, после прохождения через возмущенную область частота импульса смещается в «красную» или в «синюю» сторону. Также с помощью короткого импульса были выполнены измерения групповой скорости вистлеров в зависимости от угла распространения относительно направления магнитного поля.
Раздел 2.3.4 посвящен распространению вистлеров в плазме с магнитным полем, возмущенным интенсивными низкочастотными волнами. Низкочастотные волны с амплитудой до ДВ/Во~ 10', как и зондирующее излучение, относились к свистовому диапазону. Наблюдается амплитудно-частотная модуляция вистлеров, глубина модуляции зависит от их группового угла. Результаты аналогичны данным, полученным при облучении пробными волнами области вблизи источника возмущения магнитного поля (индуктора). Несмотря на теоретическую возможность фазового синхронизма высокочастотных вистлеров с низкочастотными, резонансные эффекты в эксперименте не наблюдались.
Дополнительные эффекты амплитудно-частотной модуляции вистлеров, обусловленные наличием вытянутой плазменной неоднородности (дакта) на трассе их распространения, обсуждаются в разделе 2.3.5. Если антеннами возбуждается набор собственных мод дакта, имеющих различные групповые скорости, то при появлении частотной модуляции в нестационарном магнитном поле интерференция мод приводит к усложнению форм спектров сигналов, принимаемых из плазмы. Эффекты межмодовой дисперсии проявляются тем сильнее, чем больше длина трассы распространения вистлеров.
В разделе 2.3.6 приведены результаты, полученные при зондировании плазмы с невозмущенным магнитным полем ЧМ свистовыми волнами. Целью экспериментов было выявление механизмов, приводящих к амплитудной модуляции ЧМ излучения. Продемонстрировано два механизма: (1) дисперсионное сжатие и (2) подавление высокочастотных спектральных составляющих за счет зависимости декремента затухания от частоты вблизи резонанса <у#соз0о. Последний механизм приводит к смещению спектра вистлеров, как целого, вниз по частоте. Зависимость декремента затухания вистлеров от частоты рассмотрена в разделе 2.3.7. Оценки показывают, что
затухание приблизительно в равной степени обусловлено электрон-ионными столкновениями и поглощением тепловыми электронами плазмы на циклотронном резонансе (нормальный эффект Доплера).
Свойства вистлеров, распространяющихся в плазме с магнитным полем, изменяющимся во времени не по гармоническому закону, рассмотрены в разделе 23.8. Качественно частотная модуляция в этом случае не отличается от эффектов, наблюдаемых при периодическом возмущении поля. Интересно, что в условиях эксперимента спектрограмма зондирующей волны практически воспроизводит форму магнитного возмущения. Последнее обстоятельство может использоваться в диагностических целях.
Глава 3 посвящена исследованию волновых полей, возбуждаемых в плазме при наличии пространственно-неоднородных вариаций магнитного поля. Распространение вистлеров при наличии пространственных вариаций плотности плазмы исследуется на протяжении нескольких десятилетий, однако вопросы, касающиеся влияния возмущений магнитного поля на волны свистового диапазона частот, ранее практически не обсуждались. Между тем, неоднородные магнитные структуры могут формироваться в околоземной плазме, особенно в областях с высоким значением /?=8яио(Ге + 7/)//?о2~ 1 (турбулентный слой, нейтральный слой) или при наличии вариаций плотности горячих частиц (экваториальная зона внутренней магнитосферы).
В разделе 3.1 описываются эксперименты по рассеянию вистлеров пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля. Возмущения формировались с помощью дополнительных одиночных витков с током, введенных в плазменный объем, а также с помощью компактного проволочного соленоида, установленного внутри основного соленоида установки (раздел 3.1.1). Подбор режима работы стенда и конструктивные особенности токонесущих элементов позволили минимизировать возмущение параметров фоновой плазмы (&п!по«\) даже при сильных пространственных вариациях магнитного поля (Д£/2?о~1). Раздел 3.1.2 посвящен изложению экспериментальных результатов. В разделе 3.1.2.1 рассмотрена структура электромагнитных полей, возбуждаемых в плазме при наличии локального магнитного возмущения, создаваемого одиночным витком с током, «магнитной линзы». Показано, что область с увеличенным магнитным полем фокусирует косые свистовые волны с $ ~кХ (I? и 1с~- волновые числа вдоль и поперек направления магнитного поля, соответственно); локальный минимум магнитного поля, напротив, обладает дефокусирующими свойствами. В последнем случае регистрируется свистовая волна, отраженная от неоднородности. В разделе 3.1.2.2 изучены высокочастотные волновые
9
- Київ+380960830922