ВВЕДЕНИЕ......................................................................... 4
1. ОСНОВНАЯ АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ..........................................9
1.1 .Экспериментальная установка.................................................9
1.2. Методика лазерного рассеяния...............................................13
. 1.2.1. Основы теории томсоновского рассеяния в плазме.........................13
1.2.2. Когерентное рассеяние..................................................18
1.2.2.А. Выбор схемы.........................................................19
1.2.2.Б. Лазер.............................................................. 21
1.2.2.В. Детекторы...........................................................24
1.2.2.Г. Аммиачный фильтр-пробка.............................................25
1.2.2.Д. Калибровка..........................................................28
1.2.3. Аппаратура для некогерентного рассеяния................................30
1.2.3.А. Лазер на рубине.....................................................32
1.2.3.Б. N(1 Лазер...........................................................32
1.3.Основы ТЕОРИИштарковского уширения линии На.................................35
1.3.1.Профиль линии На в равновесной плазме...................................37
1.3.2.Профиль линии На в поле высокочастотной турбулентности..................38
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛЕНГМЮРОВСКИХ КОЛЕБАНИЙ...........................................41
2.1 .Методика и аппаратура......................................................41
2.1.1. Геометрия эксперимента.................................................41
2.1.2. со-Спектрометр.........................................................44
2.1.3. к-Спектрометр..........................................................46
2.2.Результаты измерений........................................................47
2.2.1. Частотный спектр.......................................................47
2.2.2.Пространственный спектр.................................................49
2.3.Обсуждение измеренных спектров ленгмюровских волн...........................54
2.4 .Сопоставление со сішктсоскопическими данными...............................60
2.4.1 .Аппаратура для эмиссионной и лазерной спектроскопии....................60
2.4.2. Результаты спектральных измерений......................................64
2.5.Наблюдение СВЧ излучения плазмы.............................................70
з
3. СТРУКТУРА НАГРЕВА ЭЛЕКТРОНОВ ПЛАЗМЫ..........................................72
3.1. Методика измерения функции распределения плазменных электронов по скоростям...................................................................72
3.1.1.Метод некогерентного лазерного рассеяния..............................72
3.1.1. А.90°-Рассеяние.....................................................72
3.1.1 .Б.Рассеяние на малый угол...........................................73
3.1.2. Методика анализа покидающих плазму электронов высоких энергий по их поглощению в тонких фольгах.............................................80
3.2. Напрев основной компоненты плазменных электронов.........................82
3.3. Неравновесная часть электронной функции распределения....................85
3.4. Обсуждение результатов................................................. 89
4. МЕХАНИЗМ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЛЕНГМЮРОВСКИХ ВОЛН ПО СПЕКТРУ ..93
4.1 Роль ионного звука в неизотермической плазме с СЛТ........................93
4.2.Методик а измерений ионного звука.........................................94
4.2.1. Схема без поглощающей ячейки.........................................95
4.2.1.А. Схема эксперимента................................................95
4.2.1.Б. Схема измерения пространственного спектра.........................98
4.2.2. Схема рассеяния, использующая N113 фильтр............................99
4.2.2.А.Лазе р........................................................... 100
4.2.2.Б.. Поглощающая ячейка............................................ 104
4.2.2.В.Схема эксперимента........‘.......................................105
4.3. Результаты измерений ионно-звуковых колебаний...........................107
4.3.1 Идентификация ветви колебаний....................................... 108
4.3.2. Пространственный спектр ионно-звуковых колебаний и анализ механизмов генерации звука......................................................../12
4.4. Механизм замедления ленгмюровских волн и нагрева плазменных электронов 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................127
ЛИТЕРАТУРА
130
4
Введение
После классической публикации В.Е. Захарова[1] в 1972 году сильная ленгмю-ровская турбулентность (СЛТ) постоянно привлекает внимание исследователей: как
3
интереснейшее фундаментальное нелинейное явление в физике плазмы, имеющее место как в лабораторных так и в природных условиях. СЛТ играет роль в экспериментах по нагреву плазмы с помощью лазеров [2,3], электронных пучков [4, 5], а также при воздействии на ионосферную плазму мощным импульсным СВЧ излучением [6, 7]. С возбуждением ленгмюровской турбулентности связывают наблюдаемое электромагнитное излучение при естественных процессах: в активных ядрах галактик [8, 9], в магнитосфере пульсаров [10, 11], в плазме солнечной короны [12], в межпланетной [13] и околопланетной плазме [14, 15, 16]. В аналитической теории и численном моделировании СЛТ наибольшее понимание достигнуто в физике отдельного элемента турбулентности - кавитона в изотропной максвелловской плазме (см.[17, 18] и приведённую там литературу). В тоже время коллапс ленгмюровских волн в практически важных условиях наличия сверхтепловых плазменных электронов, которые являются прямым следствием СЛТ, и внешнего магнитного поля исследован только в небольшом числе частных случаев. Это связано с резким возрастанием трудностей в теории при учёте упомянутых факторов. Так модифицированные с учётом магнитного поля уравнения Захарова решались для узкого по спектру пакета ленгмюровских волн, распространяющихся параллельно [19, 20, 21] или перпендикулярно [22] направлению магнитного поля. Рассматривался случай относительно низкого уровня СЛТ (адиабатический коллапс) [23, 24, 25], а также возникновение крупномасштабных каверн к « (сореЮсеУс [26]. Наличие «хвостов» на функции распределения плазменных электронов включалось в численные расчёты уравнений Захарова
в виде заданного двухтемпературного максвелловского распределения [27]. Самосогласованный расчёт функции распределения и коллапса выполнен лишь для одномерного уравнения Власова [28] и для 2, 5-мерного варианта метода частиц в ячейках для сетки 128x128 [29].
Гораздо менее изучены теоретически усреднённые характеристики турбулентности такие, как спектры волн и функция распределения нагретых электронов, которые представляют главный практический интерес. Аналитические расчёты спектра СЛТ выполнены только для одномерного случая [30, 31, 32], кроме того, они требуют много допущений относительно механизмов переноса и поглощения энергии турбулентности. Численное моделирование стационарной области турбулентности, включающей достаточно большое число кавитонов, выходит далеко за возможности современных компьютеров и пока позволяет лишь делать оценки [33].
Интересно, что сходным образом обстоит дело и с экспериментальным исследованием СЛТ, генерируемой с помощью электронных пучков. Наиболее впечатляющие результаты получены по динамике отдельной каверны [34], но не в условиях реальной турбулентности, а в специальном случае, когда размер области, где генерировалась неустойчивость, был равен размеру каверны. Каверна при этом от импульса к импульсу возникала в строго определённой точке пространства. Впоследствии эксперименты [34] были продолжены при больших длительностях существования нелинейных ленгмюровских колебаний [35, 36], однако, при прежнем соотношении
размеров каверны и сечения области, занятой колебаниями. Лабораторные экспери-
1
менты, где размер области, занятой турбулентностью, намного превышал все характерные длины нелинейных процессов, немногочисленны. Исследование турбулентных колебаний здесь проводилось либо по электромагнитному излучению [37, 38] либо по штарковским профилям спектральных линий [39, 40, 41]. Временное поведе-
ние СВЧ излучения авторы публикации [38] связали с проявлением коллапса лен-гмюровских волн. В этой же работе был измерен частотный спектр ионно-звуковых колебаний и обнаружены сверхтепловые плазменные электроны. Данные спектральных измерений турбулентных микрополей в плазме часто допускают неоднозначную интерпретацию и позволяют получить лишь оценку общего уровня турбулентности. Из всех упомянутых экспериментов только в работе [40] магнитное поле заметно влияло на дисперсию ленгмюровских волн в области их генерации, однако никак не
I
было учтено при интерпретации эксперимента. Недостаток информации о СЛТ в обсуждаемом режиме в значительной степени связан с отсутствием в арсенале экспериментаторов адекватных задаче средств диагностики, в частности, томсоновского рассеяния.
Целью настоящей работы является подробное исследование картины СЛТ, возбуждаемой электронным пучком, в магнитоактивной немаксвелловской плазме. Это включает в себя измерение частотного спектра и спектра по волновым векторам ленгмюровских волн и ионно-звуковых волн, обычно сопровождающих СЛТ, диагностику функции распределения плазменных электронов и исследование микроскопической динамики плотности плазмы. Для выполнения этой задачи выбрано томсоновское рассеяние лазерного излучения в качестве базового метода и разработаны соответствующие диагностические системы. Кроме того, развиты и использованы другие методы исследования, дополняющие метод томсоновского рассеяния.
Ценность представляемой работы определяется выбором режима СЛТ интересного практически, но трудно доступного для исследования другими средствами, развитием методов диагностики СЛТ и обширностью проведённого экспериментального изучения СЛТ в магнитоактивной немаксвелловской плазме.
7
Измеренные впервые подробные спектры турбулентных ленгмюровских осцил-
1
ляций совместно с спектром ионно-звуковых колебаний и функцией распределения нагретых электронов дают возможность понять физику переноса энергии в СЛТ. Полученные экспериментальные данные позволили предложить механизм передачи энергии колебаний плазменным электронам, альтернативный господствующему в настоящее время в теории [18] механизму сжатия и поглощения волн в коллапси-рующих кавернах, Эти результаты важны, поскольку изученный в наших работах режим СДТ может встречаться как в экспериментах, так и в природной космической
плазме. Разработанные для исследования СЛТ методики оказываются также полез-
:
ными в работах по УТС [42, 43, 44, 45 ].
Диссертация состоит из четырёх глав и основана на публикациях [46-78].
В первой главе описана экспериментальная установка и основные методы измерений. Томсоновскому рассеянию, которое является основной диагностикой в работе, уделено главное внимание. После изложения особенностей применения в экспериментах по СЛТ коллективного и неколлекгивного рассеяния даются подробные характеристики основных элементов разработанной аппаратуры. В первой главе также излагаются основы метода штарковской спектроскопии турбулентных микрополей в плазме, используемой в качестве дополнительного инструмента для исследования СЛТ.
Вторая глава посвящена методике проведения эксперимента по измерению спектров ленгмюровских волн и изложению полученных результатов. Частотный спектр однозначно характеризует детектируемые с помощью лазерного рассеяния волны как ленгмюровские. Полученный впервые подробный пространственный спектр оказывается достаточно широким и удовлетворяет условию СЛТ. Согласно расчётам ленгмюровские волны являются неустойчивыми по отношению к низкочас-
тотным поперечным модуляционным возмущениям. Спектроскопические наблюдения также обнаруживают наличие интенсивных микрополей в плазме одновременно с существованием высокого уровня ленгмюровских колебаний. Измерения собственного излучения турбулентной плазмы в районе двойной электронной плазменной частоты даёт мощность излучения, близкую к мощности спонтанного излучения плазмы, рассчитанной по полученным в эксперименте спектрам ленгмюровских волн.
В третьей главе изучается структура поглощения электронами плазмы энергии турбулентных колебаний. Основным методом измерения здесь является некогерентное томсоновское рассеяние. Экспериментальные данные показывают, что нагревается как основная компонента плазменных электронов, так и высокоэнергетичные
«хвосты» функции распределения. Лазерное рассеяние перекрывает область энер-
1
гий практически от нуля до ~10 кэВ. Плотность энергии в электронах с энергией,.превышающей 20 кэВ, оценивалась из данных по поглощению в фольгах электронов, вытекающих через выходной торец установки. Исходя из экспериментально измеренной функции распределения плазменных электронов и спектра турбулентных ленгмюровских колебаний, строится картина, демонстрирующая структуру накачки и поглощения СЛТ в наших экспериментах.
В четвёртой главе основное внимание уделяется выяснению механизмов передачи энергии от волн частицам плазмы.. Важным элементом здесь являются неравновесные ионно-звуковые колебания. Измерение пространственного спектра высокочастотной части спектра этих колебаний описано в начале главы. На основании экспериментальных данных предлагается отличный от волнового коллапса механизм переноса энергии по спектру в магнитоактивной, неизотермической, немаксвелловской плазме.
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
9
1. Основная аппаратура и методы измерений
1.1.Экспериментальная установка
Эксперименты, описываемые в данной работе, производились на модифицированной установке ГОЛ-М. Установка ГОЛ-М была построена в 1987 году в Институте ядерной физики и предназначена для исследования взаимодействия мощных релятивистских электронных пучков (РЭП) с плазмой в сильном магнитном поле [51]. Схема установки представлена на рис. 1.1. Основными её элементами являются: генератор РЭП, система формирования импульсного магнитного поля, вакуумная камера с системой откачки и напуска газа, диагностические методики, система регистрации, обработки и хранения экспериментальных данных.
Рис. 1.1 Схема установки ГОЛ-М: 1- генератор РЭП; 2- соленоид; 3- магнитные пробки; 4- токоподводы от конденсаторных батарей; 5- система томсоновского рассеяния; 6- девятиканальный интерферометр (А.=3.3.9мкм); 7- одноканальные интерферометры; 8- детекторы интерферометров.
10
Генератор сильноточного пучка релятивистских электронов выполнен на основе коаксиальной формирующей линии с водяной изоляцией. Один из торцов внутреннего электрода линии подключён к импульсному резонансному трансформатору, от которого осуществляется зарядка линии до напряжения 0.6-1 МВ. Другой торец подключён к управляемому газовому разряднику, коммутирующему заряженную линию на вакуумный диод ускорителя. В большинстве экспериментов нами использовался бесфольговый диод [79]. Схему этого устройства можно увидеть на рис. 1.2. Использование анодной трубки вместо обычно применяемой анодной фольги существенно уменьшает угловой разброс пучка, что приводит к увеличению эффективности взаимодействия РЭП с плазмой.
Параметры релятивистского электронного пучка приведены в таблице 1.
Таблица. 1. Параметры релятивистского электронного пучка
Энергия 600 кэВ
Ток 2+3 кА .
Диаметр 2 см
Длительность 200 не
Угловой разброс <5°
Энергосодержание 0.3 кДж
Плотность тока 1 кА/см2
Плотность частиц 2.51011см‘5
11
Соленоид состоит из жестких одиночных витков, включённых последовательно. Общая длина магнитной системы 7.5 м, однако, большинство экспериментов проводилось на укороченном соленоиде 2.8 м. Максимальное магнитное поле, создаваемое в соленоиде 50 кГс. На торцах соленоида смонтированы две пробки длиной 0.5 м. Максимальное магнитное поле в пробках 100 кГс. Обычно в экспериментах выходная пробка питалась так, что. поле было однородным. Внутри витков соленоида располагается вакуумная камера диаметром 10.8 см.
Катушки
Рис. 1.2. Схема катодного узла ускорителя.
Для создания предварительной плазмы в камере использовался осциллирующий разряд типа Пеннинга. Напряжение 25-^50 кВ от конденсаторной батареи ёмкостью 1.2-3 мкФ прикладывается к электроду в форме кольца, размещённому в середине установки. Плотность получающейся предварительной водородной плазмы может изменяться в зависимости от приложенного напряжения, длительности тока
,12
разряда и от давления напускаемого газа в пределах 5-1014тЗ-1015см'3. Типичное значение плотности плазмы в экспериментах составляет Пе«1-1.5-1015см'3.
ЛИНЗА
ЛИНЗА
ЛИНЗА
ЗЕРКАЛА
ПОЛИХРОМАТОР 8 КАНАЛОВ
ПОЛИХРОМАТОР 5 КАНАЛОВ
і0.3 цСОг ЛАЗЕР
ЗЕРКАЛО
НА ДЕТЕКТОРЫ Х«10|х
ДИХРОИЧТЮЕ
ЗЕРКАЛО
РЭП
ПЛАЗМА
1.06 р Ш-ЛАЗЕР
ИНТЕРФЕРОМЕТЕР
ФАБРИ-ПЕРО
КЮВЕТТАС
АСИТЕЛЕМ
В ПОЛИХРОМАТОР
ЗЕРКАЛО
.ФОЛЬГОВЫЙ
АНАЛИЗАТОР
Рис. 1.3. Схема диагностик для исследования СЛТ
- Київ+380960830922