Лабораторное моделирование активных плазменных экспериментов в ионосфере и магнитосфере Земли

ОГЛАНЛЕНИЕ
Введение ..................................................... 6
Глава 1. Экспериментальные стенды и методы диагностики параметров плазмы ................................. 30
1.1. Условия моделирования космических явлений в лабораторной плазме. Параметры подобия ........................ 30
1.2. Экспериментальный стенд “Ионосфера” ................ 33
1.3. Экспериментальный стенд ТН-1 ....................... 38
1.4. Методы диагностики плазмы .......................... 45
Глава 2. Исследование термодиффузионных процессов в
замагниченной плазме .................................... 63
2.1. Особенности термодиффузии плазмы в магнитном
поле ................................................ 63
2.1.1. “Быстрая” диффузия и термодиффузия плазмы в магнитном поле ....................................... 64
2.1.2. Термосила и условие гидродинамического равновесия в замагниченной плазме при локальном нагреве электронов ..................................... 69
2.1.3. Мелкомасштабная неустойчивость высокочастотного поля в замагниченной плазме с дефокусирующей тепловой нелинейностью ........................... 73
2.2. Экспериментальное исследование термодиффузионных
процессов в замагниченной плазме .................... 85
2.2.1. Динамика термодиффузионного перераспределения
плотности замагниченной плазмы при локальном нагреве электронов ............................. 86
2.2.2. Вихревые термодиффузионные токи............... 97
2
2.3. Численное моделирование термодиффузионного перераспределения замагниченной плазмы при локальном нагреве электронов....................................... 104
2.4. Основные выводы ..................................... 114
Глава 3. Нелинейное взаимодействие электромагнитных
волн с плазмой и формирование плазменных линз ... 118
3.1. Изучение модуляционной неустойчивости, возбуждаемой в замагниченной плазме квазиоптическим электромагнитным пучком волн ................................... 118
3.1.1. Анализ функции распределения ускоренных электронов в поле электромагнитной волны ................. 125
3.1.2. Диагностика сильной ленгшоровской турбулентности зондирующим электронным пучком.................... 134
3.1.3. Измерение амплитуды и поляризации высокочастотного поля в турбулентной плазме методом сателлитов запрещенных переходов в Не1 ................. 139
3.1.4. Исследование низкочастотных флуктуаций в турбулентной плазме...................................... 150
3.1.5. Дополнительная ионизация плазмы при развитии модуляционной неустойчивости ......................... 168
3.2. Тепловое “просветление” плазмы в магнитном поле при воздействии пучка электромагнитных волн ................. 176
3.2.1. Формирование диаграммы направленности зондирующих плазму электромагнитных волн в поле сфокусированного излучения волны накачки.............. 176
3.2.2. Лабораторное моделирование авроральной ионосферной линзы, создаваемой мощным электромагнитным излучением .................................. 188
•/
3.3. Основные выводы ..................................... 193
з
Глава 4. Электродинамические характеристики диполь-ных антенн в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот ............................................. 197
4.1. Введение............................................. 197
4.2. Исследование импедансов дипольных антенн ............ 202
4.2.1. Электрическая антенна ......................... 202
4.2.2. Магнитная антенна ............................. 209
4.3. Структура электромагнитных полей дипольных излучателей в однородной магнитоактивной плазме............... 215
4.4. Способы увеличения эффективности излучения волн свистового диапазона частот дипольными антеннами ... 225
4.5. Влияние нелинейных эффектов в ближней зоне рамочной антенны на её излучательные характеристики 235
4.6. Излучение “магнитных токов” ......................... 245
4.7. Основные выводы ..................................... 252
Глава 5. Каналирование волн свистового диапазона частот неоднородными плазменными структурами ............... 256
5.1. Формирование дактов плотности в замагниченной плазме.................................................... 258
5.2. Каналирование вистлеров в “узких” дактах с пониженной плотностью ........................................... 263
5.3. Каналирование вистлеров в “узких” дактах с повышенной плотностью ........................................... 279
Глава 6. Взаимодействие модулированного электронного пучка с магнитоактивной плазмой ..................... 291
6.1. Экспериментальная установка ССМ ..................... 292
6.2. Механизмы возбуждения вистлеров ..................... 294
6.3. Переходное излучение модулированного электронного пучка..................................................... 297
4
6.4. Черепковское возбуждение вистлеров модулированным электронным пучком ................................... 307
6.5. Релаксация модулированного электронного пучка при взаимодействии с магнитоактивной плазмой ............. 321
Приложение. Захват ленгмюровских волн внутри вытянутой неоднородности замагниченной плазмы ............ 324
Заключение ............................................... 330
Литература ............................................... 335
5
ВВЕДЕНИЕ
Распространение и взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой на протяжении многих десятилетий остается актуальной проблемой экспериментальной и теоретической физики плазмы. Интерес к этой теме стимулирован как термоядерными, так и различными прикладными исследованиями, включая геофизические и астрофизические приложения. Особенность проблемы заключается в том, что в плазме уже при относительно низких значениях напряженности электромагнитного поля могут развиваться нелинейные процессы, приводящие к возникновению совершенно новых плазменных эффектов, которые могут существенно модифицировать параметры окружающей среды и, тем самым, повлиять на характеристики распространения высокочастотных волн.
В последние годы достаточно интенсивно проводится изучение основных параметров и физических явлений в околоземной плазме, в связи с многочисленными научными и техническими приложениями. Эти исследования проводятся как пассивными диагностическими методами с помощью приборов, установленных на поверхности Земли и на космических аппаратах (ракетах и ИСЗ), так и методами, основанными на “активном” воздействии на параметры ионосферной и маг-ннтосферной плазмы посредством мощного электромагнитного излучения в различных диапазонах частот (с поверхности Земли и с борта ракет и ИСЗ), инжекции пучков заряженных частиц и т. п. В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал о физических процессах, протекающих в околоземной плазме, однако, полного понимания механизма многих из наблюдаемых эффектов еще не достигнуто. Это обусловлено, главным образом, двумя причинами: недостаточной изученностью процесса, лежащего в основе данного явления, и трудностью оценки относительного вклада уже известных процессов, которые могли бы быть существенными для данного явления.
6
Следует отметить, что при постановке космических исследований приходиться иметь дело с трудными и дорогостоящими экспериментами. Это обстоятельство оправдывает изучение космических эффектов в модельных экспериментах, проводимых на лабораторных установках, тем более, что основные процессы как в космической, так и в лабораторной плазме (при правильном выборе условий эксперимента) подчиняются одним и тем же закономерностям. Кроме того, в лаборатории можно использовать весь арсенал современной диагностики плазмы и многократно воспроизводить исследуемое явление, целенаправленно варьировать условия его протекания.
В 1111 ФРАН созданы крупномасштабные экспериментальные стенды, на которых в соответствии с критериями подобия можно моделировать в лабораторных условиях основные параметры ионосферы и магнитосферы Земли и проводить комплексные научные исследования многих физических явлений, протекающих в околоземной плазме.
В настоящей диссертации представлен цикл экспериментальных исследований по моделированию эффектов, возникающих при воздействии интенсивного электромагнитного излучения на околоземную плазму как с поверхности Земли, так со спутников и ракет.
Исследуемые физические явления, сопровождающие процесс инжек-ции электромагнитного излучения и пучков заряженных частиц в за-магиичешгую плазму, являются актуальными проблемами и для фун-даменталыюй физики плазмы. К этим явлениям относятся: нелинейные эффекты, развивающиеся вблизи области отражения интенсивных электромагнитных волн от замагниченной плазмы, особенности возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот, излучаемых как дипольнымн антеннами, так и пучками заряженных частиц, а также процессы переноса плотности в магнитном поле, определяющие физику нелинейного взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой.
Основные направления лабораторных исследований физических эффектов, возникающих в активных экспериментах в околоземной плазме, сводятся к следующему:
разработка основных критериев и законов подобия для конструирования экспериментальных плазменных стендов, на которых можно моделировать основные характеристики ионосферы и магнитосферы Земли;
— изучение особенностей термодиффузионных процессов в замаг-ниченной плазме при локальном нагреве электронов в условиях, моделирующих эксперименты по воздействию мощного радиоизлучения на /г-слой ію но с ф еры;
— исследование основных характеристик сильной ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой интенсивными пучками электромагнитных волн. Анализ влияния тепловых и стршшионных эффектов на прохождение электромагнитных волн через плотную плазму;
исследование электродинамических характеристик дипольных антенн в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот в условиях, моделирующих “активные" эксперименты по излучению и приему электромагнитных волн с борта ЫСЗ в ионосфере и магнитосфере Земли;
— изучение влияния тепловой и стрикционной нелинейностей на работу рамочных излучателей в свистовом диапазоне частот. Исследование возбуждения и каналирования волн свистового диапазона частот в дактах с пониженной и повышенной плотностью плазмы;
— экспериментальное исследование возбуждения волн свистового диапазона с помощью переходного и черенковского излучения при ин-жекции модулированного продольного электронного пучка в магнито-активную п лазму.
Научная новизна.
1. Разработаны основные критерии подобия для создания лабораторных экспериментальных стендов, позволяющих моделировать основные параметры активных экспериментов, проводимых в ионосфере и маг-нитосфере Земли.
2. В условиях, моделирующих параметры /'’-слоя ионосферы, впервые экспериментально детально исследован процесс термодиффузии замаг-ниченной плазмы при локальном нагреве электронов.
8
3. Предложен повый механизм тепловой нелинейности в замагничен-ной плазме в сильном высокочастотном поле, обусловленный действием поперечной термосилы.
4. В лабораторных экспериментах, моделирующих воздействие мощного радиоизлучения на ионосферу, проведены подробные экспериментальные исследования сильной ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой интенсивным квазиоптическим пучком электромагнитных волн.
5. Экспериментально обнаружено тепловое просветление “непрозрачной” плазмы в магнитном поле при воздействии интенсивного пучка электромагнитных волн. Проведен анализ диаграмм рассеяния зондирующих волн, прошедших через возмущенную интенсивным пучком электромагнитных волн плазму.
6. В лабораторных условиях, моделирующих излучение волн свистового диапазона частот с ИСЗ, установлено, что импедансы электрической и магнитной антенн определяются параметрами области нарушения квазинейтральности плазмы вблизи поверхности излучателей. Исследованы зависимости импедансов дипольных излучателей свистового диапазона частот от плотности окружающей плазмы, частоты и амплитуды переменного напряжения.
7. Показано, что в зависимости от электрической длины антенн структура электромагнитных полей рамочной и электрической антенн в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот определяется различными пространственными гармониками распространяющихся волн в плазме.
8. Предложен способ изменения входного импеданса электрического диполя и управления эффективностью излучения в электромагнитные моды путем изменения его постоянного потенциала.
9. Обнаружено влияние тепловоіг и стрикционной нелинейностей на электродинамические параметры рамочной антенны, излучающей в свистовом диапазоне частот.
10. Экспериментально исследовано излучение и каналирование волн свистового диапазона при наличии цилиндрических каналов (дактов),
9
вытянутых вдоль магнитного поля с пониженной и повышенной плотностью плазмы.
11. Проведены лабораторные эксперименты по возбуждению волн свистового диапазона частот с помощью механизма переходного и че-ренковского излучения при инжекции в плазму модулированного электронного пучка.
Представленные в работе результаты расширяют наши представления но ряду фундаментальных проблем физики плазмы, таких как: взаимодействие мощного радиоизлучения с плазмой, особенности излучения, распространения и каналирования волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме, явления неодномерной диффузии и термодиффузии замагниченной плазмы. Результаты, полученные в диссертации, позволяют детально разобраться в физических эффектах, наблюдаемых в “активных” экспериментах в ионосфере и магнитосфере Земли. Кроме того, достаточно полные исследования, которые были выполнены в лаборатории, в условиях, моделирующих основные параметры околоземной плазмы, позволяют прогнозировать результаты повых планируемых исследований в космосе, а также предлагать программы новых “активных” экспериментов в околоземной плазме.
Лабораторные исследования процессов возбуждения волн свистового диапазона частот сторонними источниками имеют большое практическое значение, в частности, в приложении к проблеме телекоммуникации для излучения низкочастотных волн большой амплитуды в ионосфере и магнитосфере Земли. Несомненную практическую ценность имеют результаты по изучению нелинейных эффектов, развивающихся в ближней зоне антенн. Знание основных свойств и закономерностей развития нелинейных эффектов позволяет управлять эффективностью излучения и диаграммой направленности дипольных источников в свистовом диапазоне частот.
В Первой главе обосновываются критерии подобия, необходимые для моделирования космических явлений в лабораторных условиях. Представлено описание двух специально созданных для задач модели-
10
роваыия экспериментальных стендов. Рассмотрены принципы работы основных диагностик, используемых в представленных в диссертации экспериментах.
Основные условия, предъявляемые к экспериментальным установкам, предназначенных для лабораторного моделирования физических явлений в космосе, приводятся в разделе 1.1. Показано, что возможность моделирования космических электромагнитных явлений основывается на так называемых законах подобия, которые указывают как должны соотноситься между собой основные безразмерные физические величины в космическом объекте и его лабораторном аналоге. Инвариантом для дальнейшего масштабирования является предположение, что все невозмущенные скорости в космических явлениях и в лабораторном эксперименте должны быть одинаковыми. Отсюда следует, что уравнения Максвелла, уравнение движения частиц, кинетическое уравнение удовлетворяют законам подобия. Для моделирования электромагнитных явлении необходимо, чтобы тензор диэлектрической проницаемости плазмы не менялся при пересчете. Обосновывается понятие качественного моделирования. Приводятся требования к размерам экспериментальных установок для проведения моделирования в приближении неограниченной плазмы.
В разделе 1.2 содержится описание экспериментального стенда “Ионосфера”. Широкий диапазон изменения параметров плазмы и магнитного поля, большие размеры стенда позволяют в лабораторных условиях моделировать по параметрам подобия многие физические явления, происходящие в ионосфере и магнитосфере Земли.
В разделе 1.3 рассмотрены основные характеристики экспериментального стенда ТН-1, созданного для моделирования в лабораторных условиях физических эффектов, возникающих в ионосфере при воздействии мощного радиоизлучения. Кваоиоптические условия распространения электромагнитного излучения (Л = 8 мм) позволили максимально приблизить постановку лабораторных экспериментов к натурным по взаимодействию электромагнитных волн с плазмой в ^-слое ионосферы.
11
Исследования на этом стенде проводились в двух направлениях.
1. Изучались основные характеристики сильной ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой пучком электромагнитных волн.
2. Детально исследовалось возмущение плотности плазмы под действием интенсивной волны и изучалось влияние нелинейных изменений электродинамических свойств плазмы на распространение электромагнитных волн.
В разделе 1.4 рассматриваются принципы работы основных диагностик, используемых в экспериментах, таких как: двойной ы многосеточный зонды, антенна-зонд для анализа низкочастотных флуктуаций в плазме, СВЧ резонансный зонд, двойной плоский зонд, измерение амплитуды и поляризации электрического поля в плазме методом запрещенных переходов в Не1, рассеяние С02 лазера на низкочастотных флуктуациях плазмы, анализ турбулентной области плазмы зондирующим электронным пучком, измерение нмпсдансов дипольных источников в плазме, измерение дисперсионных свойств, возбуждаемых волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме.
Изучению особенностей термодиффузионных явлений в замагничен-ной плазме при локальном нагреве электронов посвящена Вторая глава. Эти явления являются определяющими в процессах взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой где, как правило, происходит локальный нагрев электронов и времена перераспределения плотности плазмы под действием градиента электронной температуры определяют характерные инкременты развития тепловых неустойчивостей в активных экспериментах по воздействию мощных радиоволн на ионосферу в области Р'-слоя.
п.2.1.1 посвящен обсуждению возможности и условий реализации “быстрой” неодномерной диффузии и термодиффузии плазмы в магнитном поле. Процессы переноса в замагниченной плазме при наличии локальных неоднородностей в фоновой плазме могут существенно измениться по сравнению с изотропной плазмой. Из условия квазиней-тральности ((Ну = сЙу^, где ^ и ji соответственно электронные и
12
ионные токи) следует, что расплывание неоднородности в анизотропной плазме может происходить с возбуждением замкнутых вихревых электрических токов. При этом электроны диффундируют вдоль магнитного поля, ионы — поперек, а квазинейтральность обеспечивается за счет потоков частиц из фоновой плазмы. Такая неодномерная диффузия или термодиффузия за счет протекания вихревых токов по фоновой плазме происходит значительно быстрее, чем в одномерной ситуации вдоль или поперек магнитного поля. Времена перераспределения плотности определяются электронным продольным или ионным поперечным коэффициентами переноса. Характерной особенностью термодиффузионных явлений в плазме является возможность существования стационарных состояний, когда градиент суммарного давления, определяемый плотностью и температурой электронов и ионов, магнитным полем и давлением нейтрального газа, обращается в нуль (гидродинамическое равновесие).
В п.2.1.2 обсуждается вопрос влияния термосилы на условия одномерного гидродинамического равновесия плазмы. Термосила возникает в случае, когда частота столкновений зависит от скорости частиц и в системе имеется градиент температуры. Рассмотрены условия гидродинамического равновесия с учетом термосилы для изотропной и замагниченпой плазмы. Обращается внимание на тот факт, что при определяющей кулоновской частоте столкновений, что типично для параметров ионосферы в области ^-слоя, коэффициент термодиффузии поперек магнитного поля может быть отрицательным.
В п.2.1.3 теоретически рассмотрена тепловая нелинейность и мелкомасштабное расслоение замагниченнои плазмы с кулоновскими соударениями в высокочастотном поле. Показано, что нагрев электронов высокочастотным нолем может приводить к увеличению плотности плазмы в области нагрева. Эта особенность объясняется влиянием поперечной термосилы на процессы переноса. В такой плазме исследована квазистатическая неустойчивость для случая, когда вектор электрического поля перпендикулярен внешнему магнитному полю. Опре-
13
делены пороговые значения поля для развития неустойчивости, максимальные величины инкрементов и волновых чисел наиболее быстро растущих возмущений. Качественно проанализированы стационарные структуры нелинейных плазменных образований.
Раздел 2.2 посвящен экспериментальному исследованию термодиффузионных эффектов в замагничеыной безграничной плазме с куло-новскими соударениями. Эксперименты выполнялись на стенде “Ионосфера’'. В однородную, изотермическую плазму помещалась миниатюрная рамочная антенна, к которой подводился импульс высокочастотного напряжения, достаточного для нагрева электронов в ближнем поле антенны. Основные параметры эксперимента выбирались таким образом, чтобы характерные пространственные масштабы возмущений температуры, концентрации были значительно меньше характерных размеров установки.
Анализу эволюции температурного профиля электронов и динамики перераспределения плотности замагниченной плазмы при локальном нагреве электронов посвящен н.2.2.1. Установлено, что от источника нагрева вдоль магнитного поля распространяется нелинейная тепловая волна с резким передним фронтом, который движется с постоянной скоростью. Тепловая волна из-за неоднородного поперечного нагрева электронов имеет вид конуса, обращенного основанием к источнику нагрева. Получено, что стационарные пространственные продольные и поперечные масштабы температурного профиля определяются потерями энергии из-за столкновений с тяжелыми частицами.
Одновременно с анализом динамики нагрева температуры электронов исследовалась динамика возмущения плотности плазмы. Обнаружено, что под действием градиента давления частицы из более нагретой области плазмы вытесняются в менее нагретую, образуя канал пониженной плотности, вытянутый вдоль внешнего магнитного поля. Установлено, что времена термодиффузионного перераспределения плотности плазмы практически совпадают с временем энергетиче-
14
ской релаксации электронов (т? = . Этот результат свидетельство-
вал о режиме неодномерной термодиффузии плазмы с возбуждением замкнутых вихревых токов. В условиях эксперимента время перераспределения плотности определялось продольным электронным коэффициентом диффузии ^Д,ц = 1. Установлено, что при достижении ква-
зистационарного состояния системы вблизи источника нагрева, плотность плазмы вне канала начинает уменьшаться, вследствие обратного затекания плазмы внутрь канала. Такое поведение плазмы, как показал дальнейший анализ, связан с действием поперечной термосилы.
В п.2.2.2 представлены экспериментальные результаты исследований вихревых токов, возникающих в замагниченной плазме в процессе неодномерной термодиффузии. Исследование динамики пространственных распределений электронных и ионных потоков в плазме производилось с помощью двойного плоского зонда, Прямыми измерениями установлено, что электроны диффундируют вдоль, ионы — поперек магнитного поля, а замыкание тока происходит по фоновой плазме. Показано, что замыкание потоков по фоновой плазме приводит к перераспределению фоновых частиц и возникновению областей уменьшения концентрации плазмы вне области нагрева. После выключения источника нагрева, направление диффузионных токов электронов и ионов изменяется на противоположное по сравнению с процессом термодиффузии, т. о. релаксация возмущений концентрации плазмы также происходит с протеканием макроскопических вихревых токов.
Численные расчеты динамики неодномерной термодиффузии плазмы для условий нашего эксперимента были выполнены Л. Е. Куриной и представлены в разделе 2.3. Исследовалось совместное распределение концентрации и температуры электронов замагниченной плазмы при нагреве её электронной компоненты внешним локализованным электромагнитным ис точником. Расчеты проведены на временах как больших, так и меньших времен энергетической релаксации температуры электронов. Результаты численного моделирования показали, что процесс
15
неодномерной гермодиффузии сопровождается образованием глобальных ячеек “вихревых токов'5, замкнутых по фоновой плазме. Сопоставление результатов численного моделирования пространственно-динамических структур плотности плазмы, продольного и поперечных токов с реальным экспериментом показало хорошее их соответствие. Кроме того, численное моделирование позволило объяснить некоторые наблюдаемые в эксперименте результаты. В частности, на временах больших энергетической релаксации электронов, когда продольный масштаб области нагрева электронов становится больше поперечного, в области источника нагрева, где VцТ^ = 0, наблюдалось увеличение плотности плазмы на оси системы и уменьшение вне области нагрева. Показано, что этот эффект связан с влиянием поперечной термосилы на процесс одномерной термодиффузии поперек магнитного поля. При этом плазма затекает в область нагрева электронов поперек магнитного поля и затем начинает диффундировать вдоль поля, т.к. условия гидродинамического равновесия в поперечном и продольном направлениях к магнитному нолю различны.
Обсуждение основных результатов, полученных во второй главе, представлено в заключительном разделе 2.6. В этом разделе также представлен анализ экспериментальных данных о динамике развития мелкомасштабных неодиородностей плотности в ионосфере при возбуждении тепловой параметрической неустойчивости вблизи области верхнегибридного резонанса. Оценки характеристик времен перераспределения плотности в неоднородностях показывают, что процесс термодиффузии в ионосфере в области .Р-слоя протекает аналогично, как и в модельном лабораторном эксперименте с возбуждением вихревых токов по фоновой плазме, т.е. с временами, определяемыми униполярными коэффициентами термодиффузии. Анализ результатов исследований нелинейных явлений, возникающих в ^-слое ионосферы при воздействии мощного радиоизлучения, позволил установить, что затравочные мелкомасштабные неоднородности для развития тепловой параметрической неустойчивости создаются вследствие возбуждения
16
стрикционной неустойчивости. Эта неустойчивость развивается в первые моменты времени после включения волны накачки вблизи области плазменного резонанса {и ~
Поэтому следующей задачей модельных экспериментов являлось детальное изучение в лабораторных условиях с использованием разнообразных диагностических средств основных закономерностей развития стрикционной ленгмюровской турбулентности в поле интенсивного электромагнитного излучения. Экспериментальному исследованию не-
линейного взаимодействия интенсивного пучка электромагнитных волн с плотной плазмой посвящена Глава 3.
В качестве источника мощных СВЧ колебаний применялся гиротрон на рабочей длине волны Л = 8 мм в импульсе 200 р,сек. Линейно поляризованный пучок электромагнитных волн с распределением электрического поля по поперечной координате близким к гауссову формировался с помощью зеркал-корректоров и фокусировался в центр вакуумной камер»,]. Столб плазмы с поперечными размерами Ьн ~ 8см, температурой электронов И ИОНОВ соответственно Те ~ 10 эВ И Тг = 1эВ находился в вакуумной камере диаметром 20 см и длиной 100 см. Плазма создавалась в атмосфере трех сортов газа: аргона, гелия и воздуха при давлении от 2 • 10' 1 -г 10 2 Торр в относительно слабом магнитное поле IIо
Важным фактором для понимания процессов, происходящих в области взаимодействия волны накачки с плазмой, является информация о функции распределения электронов по энергии. Результаты соответствующих измерений приведены в п.3.1.1 данной главы. Исследова-
ния, проводимые с помощью многосеточного анализатора и двойных
ии поля волны накачки порого-
близкой к критической, возникает заметное количество надтеиловых электронов. Обнаружено, что средняя энергия ускоренных электронов
области плазмы с плотностью
17
с ростом амплитуды поля достигала насыщения (Т0фф 200 эВ). Число ускоренных частиц монотонно увеличивалось при возрастании поля на-качки.
Функция распределения электронов поля имела существенно немонотонную зависимость от энергии, что свидетельствовало о возникновении в плазме пучков (групп) ускоренных частиц. Вблизи порогового значения поля накачки характерной особенностью наблюдаемых спектров электронов являлось наличие граничной энергии, выше которой ускоренных частиц нет.
На основании экспериментальных результатов сделан вывод, что ускорение электронов в области взаимодействия волны накачки с плазмой связано с развитием модуляционной неустойчивости. При этом образуются солитоноподобные полости — каверны, заполненные высокочастотным полем. Наличие пучков электронов может быть объяснено возбуждением почти периодической решетки ленгмюровских соли-тонов. Пучки электронов формируются вблизи фазовых скоростей бегущих пространственных гармоник. Показано, что основной масштаб периодической структуры, определяемый максимумом инкремента модуляционной неустойчивости, находится в диапазоне от 80 до 200 т^с.
Численное моделирование деформации функции распределения электронов в иоле периодически расположенных ленгмюровских солитонов показало качественное соответствие с экспериментальными результа-тами. Получено, что при случайном расположении солитонов функция распределения электронов является плавной кривой и ни пучков, ни верхней границы по энергиям не наблюдалось.
В п.3.1.2 представлены результаты экспериментальных исследований сильной ленгмюровской турбулентности зондирующим электронным пучком. Основная идея этой диагностики основана на измерении деформации энергетического спектра электронов пучка, прошедших через турбулентнз'ю область плазмы в зависимости от начальной энергии пучка. Обнаружено, что при превышении амплитуды поля накачки порогового значения для развития модуляционной неустойчивости су-
18
шествует выделенная область энергии электронного пучка, при которой наблюдалась деформация энергетического спектра электронов. Показано, что в плазме возбуждается узкий пакет ленгмюровских волн с характерным масштабом А11Л ~ 100г]эс, обладающий, по-видимому, максимумом инкремента модуляционной неустойчивости. Амплитуда поля в такой нелинейной стоячей плазменной волне достигала величины 7 кВ/см, что хорошо согласуется с результатами оптических измерений (см. п.3.1.3).
Установлено, что при значительном увеличении амплитуды волны
!
накачки « 10 относительно порогового значения в плазме воз-^Те ]
буждается широкий пространственный спектр ленгмюровских волн, что свидетельствовало об образовании вблизи критической плотности хаотических структур локализованных не с фазированных сгустков высокочастотного поля — солитонов.
В п.3.1.3 представлены измерения амплитуды и поляризации высокочастотного поля в турбулентной плазме оптической диагностикой, основанной на анализе относительной интенсивности запрещенных переходов в гелии.
о
Для исследований были выбраны две линии гелия (А = 4922 А, А =
о
= 4472 А), вблизи которых имеются запрещенные компоненты.
В “холодной” плазме в отсутствие волны накачки обнаружено излучение на частоте запрещенных переходов. Это излучение связано
с наличием в плазме квазистатических электрических полей, создавае-
^ 2
мых заряженными частицами. В прозрачной плазме (Дге < Аг0 кр = -—
47ге
пг — масса электрона, с — заряд электрона) производилась калибровка относительного излучения линий сателлитов по известному ПОЛЮ ВОЛНЫ накачки. Вблизи критической плотности плазмы (^'е ~ Л^р) возбуждение плазменных волн приводило к увеличению относительной интенсивности линий сателлита. Амплитуда возбуждаемых волн при уве-
(V \
—— > 4 • 10 2) достигала насы-УТс }
щения и плотность энергии плазменных волн соответствовала значе-
19
нию 10 1 ІУєГе. С помощью поляризационного анализа излучения линий сателлитов установлено, что в турбулентной плазме происходило уве-
—ф
личение продольной (вдоль волнового вектора к) составляющей электрического ноля. Амплитуда этой составляющей поля достигала уровня поперечной компоненты.
Исследование низкочастотных флуктуаций в турбулентной плазме представлено в п.3.1.4. Изучение спектров ионно-звуковых колебаний проводилось зондовыми методами, по надтепловому излучению плазмы и методом коллективного рассеяния излучения СО2 лазера.
Экспериментальные результаты по измерению нетеплового электромагнитного излучения турбулентной плазмы приведены в п.3.1.4.1.
Показано, что электромагнитной излучение неравновесной плазмы связано с рассеянием высокочастотных плазменных волн на ионно-звуковых.
Петепловос электромагнитное излучение регистрировалось методом гомодинного преобразования, т.е. выделялась резонансная частота (соответствующая частоте ионного звука) между интенсивным сигналом волны накачки и излучением из плазмы.
Вблизи пороговых значений поля волны накачки в спектре нетепло-вого излучения наблюдалась выделенная частота, что свидетельствовало о наличии в плазме выделенных пространственных масштабов (~ 100 г£)е) плазменных волы.
Показано, что нетепловое излучение имеет диаграмму направленности, которая формируется при распространении излучения в неоднородной плазме. На основании измерения полной мощности нетеплового излучения получено, что плотность энергии ионно-звуковых волн не превышает уровень 10~4РїеТе. В этом разделе приведены также результаты измерений основных характеристик ионно-звуковых волн, полученных с помощью ленгмюровского зонда. По результатам зондовых измерений проведена оценка плотности энергии ионно-звуковых волн и показано, что эта величина не превышает уровень 10 4~10 Пока-
зано, что ионно-звуковая неустойчивость может возбуждаться током в
20
плазме, который возникает для компенсации потока быстрых электронов, покидающих турбулентную область.
Наиболее полная информация о пространственно-временных спектрах и интегральном уровне плотности энергии ионно-звуковых волн, возбуждаемых в плазме интенсивной электромагнитной волной, была получена методом коллективного рассеяния С02 лазера (п.3.1.4.2). Эта работа выполнена совместно с сотрудниками Санкт-Петербургского Политехнического института им. М. И. Калинина.
Для зондирования турбулентной плазмы использовался гибридный С02 лазер. Мощность лазера составляла 10-25 кВт при длительности импульса т„ = 5 /гс. Регистрация рассеянного в плазме излучения проводилась гомодинным детектированием на квадратичном полупроводниковом фотоприемнике. Установлена временная корреляция между появлением сигнала биений с фотоприемника и сигнала ускоренных электронов. Анализ полученных данных показал, что при воздействии на плазму электромагнитной волны вблизи критической плотности возбуждаются ионно-звуковые волны с выделенным направлением максимальной интенсивности вдоль электрического поля накачки. Возбуждаются, в основном, длинноволновые ионно-звуковые волны е длинами
волн А* ~ 102-г103гпе11 плотностью энергии — 10"7) значительно
V А е )
меньшей плотности энергии, запасенной в ленгмюровских колебаниях.
Исследование дополнительной ионизации плазмы быстрыми электронами, возникающими при нелинейном поглощении энергии волны накачки, рассмотрено в п.3.1.5. Дополнительная ионизация изучалась в плазме трех газов: аргона, гелия и воздуха. Получено, что наименьший эффект увеличения плотности вторичной плазмы наблюдался в гелии. Различие эффектов дополнительной ионизации быстрыми электронами в разных газах связано с отличием потенциалов и сечений ионизации. Вследствие того, что время потерь вторичной плазмы значительно больше характерного времени ионизации, наблюдалось накопление вновь образованной плазмы и плотность её могла на несколько по-
21
рядков превышать плотность ускоренных электронов. Появление ускоренных электронов в прооранной плазме (Л:е ^ Агекр) приводило вследствие эффекта накопления плотности вторичной плазмы к экранировке электромагнитного излучения. В пространственно неоднородной плазме ионизация вызывала перемещение области взаимодействия поперек магнитного поля с диффузионной скоростью навстречу падающему излучению волны накачки.
В разделе 3.4 рассмотрены экспериментальные результаты по исследованию макроскопических эффектов изменения плотности плазмы вследствие теплового нагрева электронов при распространении интенсивного пучка электромагнитных воли как поперек, так и вдоль внешнего магнитного поля. Особенностью тепловой нелинейности в замаг-ниченыой плазме является существенная анизотропия теплопроводности электронов, что приводило вследствие термодиффузионного перераспределения плотности к просветлению непрозрачной плазмы и созданию эффективных плазменных линз для зондирующего излучения.
Анализ возмущений плотности плазмы при воздействии интенсивного пучка электромагнитных волп производился с помощью зондирующих воли с частотами близкими к частоте накачки.
При распространении квазиоптического пучка волн поперек внешнего магнитного поля (п.3.2.1) обнаружено, что вследствие столкнови-тельного нагрева электронов и последующей неодномерной термодиффузии в непрозрачной плазме образовывался слой пониженной плотности (Д^ < ДГ€кр), вытянутый вдоль магнитного поля. Показано, что нелинейное поглощение электромагнитной энергии, связанное с возбуждением модуляционной неустойчивости, приводило к более эффективному нагреву и просветлению плазмы по сравнению с омическим столк-нов1 [тельным нагревом.
Исследована пространственная структура поля зондирующих волн необыкновенной п обыкновенной поляризаций, прошедших через возмущенную волной накачки плазму. Установлено, что узкий канал (Ь ~ ~ Ао) с пониженной плотностью в непрозрачной плазме является эф-
22
фективной антенной (линзой) для зондирующих волн, чем при создании аналогичного канала в прозрачной плазме.
При распространении волнового пучка накачки вдоль внешнего магнитного поля (п.3.2.2) и длительности импульса меньше энергетического времени температуры электронов получено, что вследствие “быстрой” термодиффузии происходило перераспределение плотности плазмы поперек магнитного поля. При этом была создана эффективная дол-гоживущая плазменная линза для зондирующих волн с частотами близкими к волне накачки.
В разделе 3.3 обсуждаются основные свойства ленгмюровской турбулентности, возбуждаемой вблизи области плазменного резонанса (а;о ~ ире) полем интенсивного пучка электромагнитных волн.
В Главе 4 приводятся результаты исследований электродинамических характеристик дипольных излучателей волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме (с^нг < < ^нг где сонг — ча-
стота нижнегибридного резонанса). Эти работы были стимулированы проводимыми и планируемыми экспериментами в околоземной плазме по излучению свистовых волн с борта ИСЗ.
Во введении 4.1 рассмотрены дисперсионные свойства волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме. Обсуждается вопрос о влиянии двойного слоя вблизи поверхности излучателей в плотной плазме на их импедансные характеристики.
Измерения импедансов рамочной и штыревой антенн в широком диапазоне изменений плотности плазмы представлены в разделе 4.2. Показано, что импедансы этих дипольных излучателей определяются, главным образом, параметрами нелинейного, в общем случае, двойного слоя вблизи поверхности антенн. Исследованы нелинейные зависимости импедансов антенн от амплитуды высокочастотного напряжения, подводимого к излучателям.
Обнаружена резонансная зависимость импеданса рамочной антенны от плотности плазмы и амплитуды высокочастотного напряжения на источнике. Предложена эквивалентная схема магнитной антенны в плазме, представляющая собой параллельный колебательный контур.
23
Установлено, что высокая эффективность получения квао и про дольных впстлеровских волн рамкой, ориентированной плоскостью перпендикулярно внешнему магнитному полю, свяоана с: замедлением волны тока по проводнику получателя и появлением электрического момента у рамочной антенны.
Раздел 4.3 посвящен исследованию структуры электромагнитных полей дипольиых получателей в однородной магнитоактивной плазме. Установлено, что распределение энергии по пространственному спектру изучаемых волн, т. е. коэффициенты возбуждения электромагнитной и электростатической мод существенно зависят от электрической
длины антенн. В сильно разреженной плазме (— а *С 1, а — эффектив-
' с
ный размер излучателя) антенны электрического и магнитного типа возбуждают преимущественно квазипотенциальные волновые моды. В
более плотной плазме а 1 ^ возбуждаются волны, соответству-
ющие электромагнитной моде — квазипродольным вистлерам и волнам конической рефракции.
В разделе 4.4 предлагается метод электродинамического управления импедансом электрического излучателя (или приемной системы), основанный на “смещении’5 его статического потенциала относительно потенциала среды. Экспериментально показано, что максимальное увеличение излучаемой электрической антенной мощности достигается прп потенциале на излучателе приблизительно равном потенциалу плазмы. Увеличение мощности излучения вблизи потенциала плазмы может быть использовано как метод диагностики температуры электронов.
В разделе 4.5 обсуждаются результаты экспериментов по влиянию нелинейных эффектов в ближней зоне рамочной антенны на её излучат ельные характеристики. В этих экспериментах на. излучающую электростатически экранированную рамочную антенну одновременно подавалось два высокочастотных сигнала — непрерывный зондирующий сигнал малой мощности (Р ~ 1 Вт) и мощный импульс накачки
24
(P0 — 100 Вт) длительностью 1,5 мс. Исследовалось влияние нелинейных эффектов, развивающихся в поле волны накачки, на электродинамические характеристики излучающей антенны для зондирующих сигналов. Показано, что тепловая нелинейность развивающаяся в ближнем поле антенны, формирует вытянутый вдоль внешнего магнитного поля дакт плотности, который изменяет диаграмму направленности излучаемых антенной электромагнитных волн. Установлено, что стрикционная нелинейность, которая модифицирует параметры двойного слоя вблизи поверхности антенны, определяет её входной импеданс для зондирующих волн. Этот эффект может быть использован для согласования излучающих антенн с плазмой. Показано, что в результате нелинейных эффектов в плазме эффективно возбуждались волны на комбинационных частотах волны накачки и зондирующего сигнала.
Экспериментальные результаты по исследованию излучения волн свистового диапазона замкнутыми кольцевыми “магнитными токами” представлены в разделе 4.6. “Магнитный ток” создается с помощью ферритового кольца, внутри которого сосредоточено переменное магнитное поле, возбуждаемое намотанной на магнитопровод катушкой. Показано, что эффективная длина эквивалентного электрического вибратора, созданного “магнитным током”, может значительно превышать геометрические размеры ферритового кольца. Изменением числа возбуждающих витков можно изменять входной импеданс антенны.
Эксперименты показали, что структура поля излучения феррито-вой антенны значительно отличается от структуры поля рамочной антенны. Уровень излучения волн свистового диапазона ферритовой антенны почти на порядок больше, чем у рамки. При уменьшении плотности плазмы, т. е. при уменьшении электрической длины излучателя, ферритовая антенна, как п рамочная, начинает эффективно возбуждать квазипотенциальные волны.
В Главе 5 приведены результаты исследований волноводного распространения волн свистового диапазона частот в дактах с пониженной и повышенной на оси плотностью плазмы. В основном изучалось
25
каналирование волн свистового диапазона частот в “узких” дактах, ширина которых соизмерима с длиной волны продольного вистлсра. Эти исследования представляют интерес для выяснения возможности и физических особенностей каналирования свистовых волн “узкими” как искусственными, так и естественными неоднородностями в ионосфере и магнитосфере Земли.
В работе предложен метод формирования дактов плотности, основанный на термодиффузионном перераспределении плотности плазмы при локальном нагреве ближним полем рамочной антенны (раздел 5.1). Так как структура вихревого электрического поля рамки антенны неоднородна по радиусу, то, изменяя диаметр рамки, который может быть как больше, так и меньше поперечной длины теплопроводности, можно добиться образования в замагниченной плазме сильно вытянутых вдоль магнитного поля дактов как с пониженной, так и повышенной плотностью плазмы.
Результаты численного моделирования процессов формирования дактов различной структуры находятся в хорошем согласии с данными лабораторного эксперимента.
В разделе 5.2 приведены результаты исследований волноводного распространения волн вистлеровского диапазона в дактах с пониженной на оси плотностью плазмы. Для формирования дакта использовалась рамочная антенна диаметром меньшим или порядка поперечной длины теплопроводности. В результате теплового нагрева электронов и термодиффузионного перераспределения плотности вдоль магнитного поля формируется дакт сложной формы, представляющий собой область пониженной концентрации на оси системы, вокруг которой расположен кольцевой слой с повышенной плотностью относительно фонового значения. Результаты амплитудных и фазовых измерений волн, распространяющихся в таком канале, показывают, что при наличии дакта сложной формы происходит пространственное разделение волн конической рефракции и квазипродольных вист леров. В центральной части плазменного канала имеет место волноводное распростране-
26
ние локализованных волн конической рефракции, а в кольцевом слое с повышенной плотностью — волноводное распространение квазилока-лизованных вистлеров. Сопоставление результатов теоретических расчетов высокочастотной компоненты магнитного поля волн в канале с пониженной плотностью с экспериментальными данными показывает хорошее качественное и количественное согласие.
В разделе 5.3 исследуется каналирование электромагнитных волн в “узких” дактах с повышенной на оси плотностью плазмы. Для создания требуемого профиля концентрации плазмы использовалась антенна радиуса, большего поперечной длины теплопроводности. Результаты амплитудных и фазовых измерений показали существование ква-зилокализованных мод свистовых волн, распространяющихся в канале. Показано, что канал лучше удерживает моды с более высокими частотами, что объясняется малым столкновительным затуханием волн в канале и малым эффектом трансформации вистлеров в квазипотенци-альные волны. Установлено, что при увеличении частоты и переходе в диапазон с^//е/2 < и>о < ице утечка энергии из канала возрастает. На основании проведенных исследований показано, что утечка квазилока-лизованных мод вист лера из канала с повышенной на оси плотностью плазмы, имеющего ширину, сравнимую с характерной длиной свистовой волны, мала при условии и)це > когда поперечные масштабы захваченных в канал свистовых мод и вытекающих волн существенно различаются.
В Главе 6 приведены результаты лабораторного моделирования еще одного возможного способа возбуждения волн свистового диапазона частот в околоземной плазме. Способ основан на инжекшш модулированного электронного пучка в магнитоактивную плазму. Эти эксперименты были выполнены в Лаборатории физики газов и плазмы (XI Парижский университет). Результаты экспериментов демонстрируют, что при инжекшш модулированного пучка в плазму свистовые волны возбуждаются двумя принципиально разными механизмами: во-первых, с помошью нерезонансного процесса переходного излучения
27
при пересечении пучком границы раздела двух сред (например, поверхности космического аппарата или стенки вакуумной камеры) и, во-вторых, в процессе резонансного взаимодействия волны с модулированным пучком.
Рассмотрены условия резонансного взаимодействия свистов с модулированным пучком и показаны условия, в которых выполнение этих условий невозможно (в частности, в плотной магнитоактивной плазме с концентрацией, превышающей некоторое критическое значение).
Исследовано черенковское излучение волн свистового диапазона частот для случая продольной инжекцпи пучка. Получено, что продольная длина волны черепковского излучения не зависит от параметров окружающей плазмы и равна пространственному периоду модуляции пучка. Возбуждение вистлеров в процессе резонансного взаимодействия с электронным пучком наблюдается только при концентрациях плазмы, меньших соответствующего критического значения. Проведены исследования процесса релаксации модулированного электронного пучка при взаимодействии с магнитоактивной плазмой. Показано, что эффективное излучение вистлеров сопровождается трансформацией функции распределения пучка, средняя энергия электронов пучка уменьшается, ширина функции распределения растет и на ней формируется область плато.
В Приложении представлены экспериментальные результаты по возбуждению п захвату верхнегибридных ленгмюровских волн в мелкомасштабную цилиндрическую неоднородность с пониженной плотностью плазмы. Постановка этих экспериментов была стимулирована теоретическими работами, в которых обсуждается возможность дополнительного нагрева электронов ленгмюровскими волнами, захваченными в плазменные неоднородности, которые наблюдаются в активных экспериментах по воздействию мощного радиоизлучения на ионосферу. В лабораторном эксперименте обнаружено, что в искусственно созданной цилиндрической неоднородности плазмы происходил захват ленгмюровских волн только в том случае, если плотность плазмы внутри не-
28
однородности в некоторой точке пересекает уровень верхнегибридного резонанса. Установлено, что возбуждение стоячей структуры плазменного резонатора наблюдалось только в случае, когда частота высокочастотного поля была больше двойной циклотронной частоты. Этот результат свидетельствовал о захвате в плазменную неоднородность верхнегибридных волн, для которых существенна пространственная дисперсия, определяемая тепловыми эффектами. В проведенных экспериментах показано, что возможно накопление энергии верхнегибридных ленгмюровскпх волн в плазменном резонаторе, представляющем собой неоднородность цилиндрической формы с пониженным значением электронной плотности.
*29
ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТЕНДЫ И МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПАРАМЕТРОВ
ПЛАЗМЫ
1.1. УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЕ. ПАРАМЕТРЫ ПОДОБИЯ
Возможность моделирования космических электромагнитных явлений в лабораторной плазме основывается на так называемых законах подобия [51-53]. Последние указывают, как должны соотноситься между собой основные безразмерные физические величины в космическом объекте и его лабораторном аналоге. В общем случае такое масштабное моделирование для плазменно-волновых электромагнитных явлений провести не удается. Реально необходимы всегда некоторые дополнительные соображения, позволяющие качественно (а иногда и количественно) сопоставить лабораторные и натурные эксперименты. По существу, речь идет только о частичном моделировании, и оно сводится к двум основным предположениям. Первое из них состоит в следующем. Из всей совокупности безразмерных параметров, характеризующих данное явление, выделяется один основной (или несколько основных), и по нему (по ним) проводится количественное моделирование, которое заключается в требовании равенства этого параметра (параметров) в космосе и лабораторной плазме. По всем остальным параметрам можно ограничиться качественным моделированием, которое сохраняет лишь качественные пропорции отношения безразмерных величин. Второе предположение относится к функциям, описывающим исследуемое явление (электрические и магнитные поля, токи и заряды, и т.д.). Постулирование или обоснованное утверждение об инвариантности какой-либо из этих функций является определяющим положением для дальне йшего масштабированы я.
30
В качестве такого разумного постулата является предположение, что все невозмущенные скорости в космических явлениях и в лабораторном эксперименте, включая скорости частиц, движения плазмы как целого и т.п., должны быть одинаковы. Исходным при получении законов подобия служит то обстоятельство, что в обоих случаях (в космосе и в лаборатории) скорость света одна и та же. Это означает, что при изменении пространственных размеров в у раз, временные масштабы явления должны изменяться тоже в 7 раз. Из уравнения движения заряжен н ы х ч ас т и ц:
(IV е
т —— = єЕ Н— (П с
V х Н
(ид)
—»
следует, что поля Еи II должны увеличиться в 7 раз. При этом уравнения Максвелла не нарушаются, если при указанном пересчете пространственных, временных интервалов и напряженности полей величи-
_2
на полного тока и плотности заряда ре в плазме изменяются з у раз. Отсюда следует, что концентрация заряженных частиц должна увеличиться в 7 раз.
Поскольку уравнения Максвелла и уравнения движения частин удовлетворяют законам подобия, этим законам будет удовлетворять также кинетическое уравнение. Ясно, что тогда указанным законам будут соответствовать следствия из этих уравнений, автоматически масштабируя ряд основных безразмерных параметров.
В качестве важного для нас примера приведем систему линейных уравнений для плоской электромагнитной волны в магнитоактивной плазме:
к26ц - Щ - ^ є„ (<^, к) | Е} (о,, к) = 0, (1.1.2)
где кі (г = 1,2,3) п Е) — проекции волнового вектора к и электрического поля Е на координатные оси, (и, к) — тензор диэлектри-
ческой проницаемости плазмы, — символ Кронекера. Видно, что эта. система удовлетворяет законам подобия, если €г} не меняется при пересчете. Однако, при заданной форме функции распределения (которая,
31
благодаря сохранению скоростей, должна быть одна и та же в космической плазме и в лабораторном эксперименте) величина тензора є#
и Мке Мре
зависит от отношения —, —. -£-. Поскольку и и к (величины оорат-
к ы ' и;
ные, соответствующие временным и пространственным интервалам)
-і ‘ к
меняются в 7 раз, отношение — сохраняется, равно, как и величина
и
— (пропорционально Я, которое, в свою очередь, меняется как 7"1)-ш
Далее, для сохранения отношения — необходимо, чтобы и>ре тоже ме-
и;
ішлось как 7“1, т. е. концентрация заряженных частиц 1Уе как у“2 — в полном соответствии с законом подобия, установленном выше.
Однако, ясно, что в этом примере допустимо ограниченное моделирование [52, 53] тех явлении и процессов, в которых параметры, не подчиняющиеся законам подобия, играют второстепенную роль и не определяют картину явления. Качественный характер электромагнитных
процессов в плазме существенным образом определяется значением та-
и и) V
ких параметров, как: —, —, —, по сравнению с единицей. Поэтому
Ыре '^ке и
качественное моделирование многих электродинамических процессов в лабораторных условиях возможно и в случае, когда, какие-то параметры не соответствуют законам подобия, но сохраняют сильные неравенства
/ (л) и) \
для характерных безразмерных величин I — < 1 или — > 1).
\^ке Шре )
Еше одна трудность лабораторного моделирования связана с ограниченным объемом плазменной камеры, которой навязывают заданные масштабы неоднородности плазмы, и здесь трудности масштабного моделирования очевидны. Естественно, что большие вакуумные камеры здесь предпочтительны. Например, одним из существенных параметров, определяющих процессы в безграничной плазме, является длина теплопроводности, которая должна быть меньше размеров экспериментальной установки. Длина теплопроводности — характерный пространственный масштаб распределения температуры при точечном источнике нагрева электронов. В элементарном приближении продольная (вдоль магнитного поля) длина теплопроводности определяется как
32
^2]| = где £съ — длина свободного пробега, 6 — доля теряемой энергии при столкновениях с ионами или нейтралами ~ 2 • По-
т- Рс11
перечная длина теплопроводности определяется Ьт± — —т=, где реП —
у б
ларморовскии радиус электронов.
Таким образом, при моделировании тепловых процессов в замаг-ниченной плазме необходимо, чтобы продольный и поперечный масштабы теплопроводности, а соответственно и область занятая высокочастотным полем, были меньше размеров плазменной установки. Как будет показано ниже, изменяя сорт нейтрального газа (например, аргон или гелий) можно изменять длину теплопроводности и создавать характерные пространственные масштабы изменения температуры электронов как меньше, так и больше масштабов экспериментальной установки.
В настоящее время в МИФ РАН существуют несколько экспериментальных стендов, позволяющих моделировать и исследовать многие космические явления в приближении неогрпниченной плазмы, т. е. устранить влияние стенок установки. Многие задачи вполне реальны и выполнимы и сводятся к подбору условий лабораторного эксперимента, соответствующим по безразмерным параметрам космической плазме.
1.2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД “ИОНОСФЕРА”
Постановка и проведение экспериментов по воздействию электромагнитного излучения на плазму ионосферы и магнитосферы Земли (активные эксперименты) стимулировали проведение аналогичных исследований в лабораторных условиях. Для этих целей был создан экспериментальный стенд “Ионосфера“ (рис. 1.1). Широкий диапазон изменения параметров плазмы и магнитного поля, большие размеры стенда, позволили в лабораторных условиях моделировать по параметрам подобия основные характеристики ионосферы и магнитосферы Земли.
Основной экспериментальной установки является вакуумная камера цилиндрической формы диаметром 1200 мм и длиной 1500 мм. Внешнее
зз