Экспериментальное исследование электромагнитных полей, возбуждаемых дипольными источниками и электронными потоками в замагниченной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

= тб ОН - 3 й® К'

На правах рукописи

ГОЛУБЯТНИКОВ Герман Юрьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ДИПОЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ И ЭЛЕКТРОННЫМИ ПОТОКАМИ В ЗАМАГНИЧЕННОЙ ПЛАЗМЕ

01.04.08 — физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород — 1995

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (т.Нижний Новгород) и на физическом факультете Калифорнийского университета (г .Лос-Анджелес).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор физико-математических наук,

профессор А.Г.Литвак

доктор фиоико-математических наук,

профессор Г.М.Батанов

доктор фиоико-математических наук,

профессор Г.А.Марков

ИЗМИР РАН (гЛ^оицк)

¡Защита состоится " 5 " февраля 1996 г. в 14 часов на заседании специализированного совета К 003.38.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук в Институте прикладной физики РАН (603600, г.Нижний Новгород, ул.Ульянова,46).

( ' диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан "_

1996 г.

Учений секретарь ,

специализированного совета

кандидат физико-математических наук А.М.Белянцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы. Исследования свойств антенн в плазме обусловлены разработкой и совершенствованием методов диагностики космической и лабораторной плаомы, адекватных измерений электромагнитных полей, наблюдаемых в ионосферах и магнитосферах планет, и изучением механизмов их возбуждения. При проведении подобных экспериментов одной из основных задач является точное знание отклика применяемых антенн к генерируемым в плазме полям. Параметры антенн в плазме такие, как входной импеданс и диаграмма направленности, существенно отличаются от таковых в свободном пространстве, что является следствием таких факторов, как анизотропия магнитоак-тивной плазмы и эффекты пространственной дисперсии, которые необходимо учитывать даже в холодном приближении из-за наличия области нарушения квазинейтральности плазмы около поверхности антенн (далее двойной слой). Это вызывает серьезные трудности при анализе результатов измерений электромагнитных полей и нередко приводит к ошибочным интерпретациям экспериментальных данных. Кроме того, даже при достаточно малом уровне подводимой мощности (амплитуда сигнала сравнима с потенциалом плазмы) проявляются нелинейные свойства двойного слоя.

Знание входного импеданса необходимо не только для измерений полей и диагностики окружающей среды, но и для согласования генератора с антенной, что связано с задачами по постановке активных космических экспериментов [1], дополнительного нагрева термоядерной плазмы [2], лабораторного моделирования и использования плазменных оболочек с целью увеличения эффективности излучения наземных и самолетных антенн [3,4,5].

Другая часть диссертации касается вопросов исследования шумовых характеристик собственных колебаний магнитоактивной плазмы, а также генерации полей в системе пучок - плазма. Изучение плазменных шумов дает информацию о состоянии плазмы, о тех или иных коллективных процессах в ней происходящих, и имеет общефизический интерес.

Цель диссертационной работы. Диссертация посвящена эхсперимен-

тальному исследованию: (а) основных характеристик, импедансных и излучательных, низкочастотных проволочных антенн в вистлерном диапазоне частот (wjft <u«uee«upe)i

(б) шумовых электромагнитных полей, возбуждаемых в оамагниченной плазме тепловыми электронами и электронными потоками.

Научная новизна.

1. Рассмотрен эффект замедления тока у неизолированных проволочных антенн в зависимости от параметров области неквазинейтраль-ности плазмы вблизи поверхности проводников. Расчетные зависимости импедансов показали лучшее соответствие экспериментальным данным по сравнению с квазистатической моделью.

'2. Предложен способ изменения входного импеданса электрического диполя и управления эффективности излучения в вистдерные моды путем изменения его постоянного потенциала.

3. Показано, что для магнитной рамки механизм диссипации электромагнитной энергии в области частот ы -С ите/^-Б ире (время пролета электронов степловой скоростью через область ближней зоны антенны меньше периода высокочастотного поля) в бесстолкновитель-ной плазме (размер антенны много меньше длины свободного пробега электронов) определяется дробовыми потерями.

4. Проведены исследования тепловых магнитных флуктуаций в за-магниченной плазме. Эксперименты обнаружили два новых свойства : (I) спектральная плотность магнитных шумов в махсвелловской плазме в вистлерном диапазоне частот подобна 1//-шуму без наблюдения особенностей на циклотронных частотах, и (2) "белый" шум в области отсечки для поперечных электромагнитных волн (wcí < ш <С охарактеризованный как дробовой шум.

5. Присутствие в плотной плазме энергичных электронов, имеющих значительные питч-углы относительно внешнего магнитного поля, вызывает усиление флуктуаций квазистатического магнитного поля тока таких электронов на циклотронных частотах п • и>се .

В разреженной плазме (wp& ~ исе ~ ире) зарегистрировано излучение на нецелых циклотронных гармониках (п + 1/2) • а>се, связанное, главным образом, с развитием пучковой неустойчивости.

Практическая и научная ценность.

Результаты, полученные в диссертации, позволяют оценить влияние двойного слоя на входной импеданс и шумовую температуру низкочастотных проволочных антенн, используемых для излучения и намерения электромагнитных полей в лабораторной и космической плазме. Проведенные исследования флуктуации магнитных полей в оамагничен-ной плазме дают информацию о функции распределения электронов по скоростям. Знание частотного спектра шумов собственных волн в равновесной плазме имеет значение, например, для нахождения порогов развития плазменных неустойчиво степ. Отмечается возможность прецизионного измерения квазистационарных магнитных полей и диамагнетизма плазмы с. испольпованием спиральных электронных пучков.

Положения, выносимые на защиту.

1. Область нарушения кваоинейтральности около поверхности проводников в плазме обычно рассматривали как вакуумный промежуток и распределение тока в антеннах принималось близким к вакуумному. Предложена модель, учитывающая замедление волны тока в проволочных антеннах в случае плотной плазмы ■С Л). Измерения импедан-сов неизолированных электрического и магнитного диполей показали лучшее соответствие с приведенными оценками по сравнению с квази-статпческой моделью.

2. В бес.столкновительной плазме (Ае Ь) основным механизмом диссипации электромагнитной энергии для изолированной магнитной рамки в намагниченной плазме (ц>(/, < ш < исе <С ире) являются дробовые потери, связанные с ускорением электронов в области ближнего поля антенн.

3. Пространственный заряд двойного слоя определяется параметрами плазмы и является нелинейной функцией потенциала проводника. Предложен способ электродинамического управления входным импедансом электрического диполя и мощностью излучения в вистлерные волны посредством изменения его постоянного потенциала. Причиной увеличения эффективности излучения диполя является не только уменьшение входного импеданса, но и изменение распределения тока в проводниках при потенциалах антенны близких к плазменному.

4. В магнитоактивной плазме большого объема с максвелловским распределением частиц по скоростям наблюдаются тепловые магнитные флуктуации, обладающие следующими свойствами: (а) в вистлер-ном диапазоне частот спектр магнитного шума подчиняется закону f~" (cv ~ 1) п в области низких частот w <С шсе интенсивность флуктуаций превышает тепловой уровень, оцененный по формуле Найквиста; (б) на частотах и>се < ш <С wTC спектр магнитных флуктуаций становится однородным типа "белого" шума, интенсивность которого хорошо соответствует тепловому уровню; (в) особенностей излучения в макс-велловской плазме на гармониках электронной циклотронной частоты обнаружено не было.

5. Присутствие в плазме энергичных электронов, имеющих значительные питч-углы относительно внешнего магнитного поля, вызыва-от усиление магнитных флуктуаций на циклотронных частотах л-и>се в плотной плазме <Cu>pi) и на нецелых гармониках (п-И]2)-исе в разреженной плазме (uipi,шсе ~ ujpe). Эксперименты показали, что усиление магнитного шума не обусловлено собственными циклотронными волнами и процессами развития циклотронной неустойчивости. Предложенная модель и числовые оценки, адекватные измерениям, объясняют данный эффект интерференцией магнитных полей шумового тока источника электронов, переносимого баллистическими модами с дисперсией Ш - к ■ Vbeam-

Апробация результатов.

Основные результаты диссертации докладывались на IV Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра (Львов,1983), VII школе-семинаре по ОНЧ излучениям (.Якутск,!985), Международном симпозиуме по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1986), Международной конференции по физике плазмы (Киев,1987; Ныо-Дели, 1989), XIX Международной конференции по явлениям в ионизированных газах (Белград, 1989), на конференции Американского Физического Общества (Сиэтл, 1992), Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, 1992), Международной конференции по физике плазмы солнечной системы (Иосомпт национальный парк, Калифорния, 1993).

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Диссертация изложена на 126 страницах, включая 45 рисунков. Список литературы включает 150 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава содержит описание экспериментальной установки и режима ее работы, а также основных методов диагностики плазмы, способов измерений импедансов антенн и электромагнитных полей в плазме. Особое внимание уделяется обсуждению вопросов использования измерительных дипольных антенн для адекватного определения электрических полей в плазме. Данные измерения в отличие от вакуумных усложнены эффектами пространственной дисперсии, гиротропны-мн свойствами магнитоактивной плазмы, ее проводимостью и наличием двойного слоя.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию импе-дансных характеристик ¡электрического и магнитного диполей в нижнегибридном диапазоне частот (ц>;/, < ы <С шсе <С структур электромагнитных полей данных источников и процессов диссипации подводимой мощности в плазме.

Во Введении ко второй главе (п.2.1) кратко даются основные определения и предлагается рассмотрение проволочных антенн в плазме в виде эквивалентных длинных линий, окруженных оболочкой - двойным слоем.

В параграфе 2.2 рассматривается однородная модель двойного слоя [6] и приведены основные выражения, определяющие такие его параметры, как проводимость, емкость, толщина слоя в зависимости от потенциала проводника.

Приближенная методика расчета импедансов проволочных антенн с применением элементов теории обобщенных длинных линий в материальных средах [5], а также эквивалентная схема антенн, окруженных двойным слоем, приведены в п.2.3. Отмечается возможность сильного

7

замедления волны тока в проводниках неизолированных антенн в плотной плазме (А^ <С Л, где А<г - дебаевская длина, <1 - диаметр проволоки).

Далее представлены результаты измерений импедансрв-неизолированных магнитной рамки (п.2.4) и электрического диполя (п.2.5) и сравнение полученных значений с расчетными данными в зависимости от плазменных параметров. Показано, что импеданс проволочных антенн определяется, главным образом, процессами взаимодействия плазменных частиц с поверхностью проводника, то есть параметрами нелинейного, в общем случае, двойного слоя [7]. Замечено существенное уменьшение реактанса для антенн обоих типов с увеличением плотности плазмы вплоть до смены его знака (экспериментальные данные находились в пределах точности измерений, поэтому с уверенностью можно говорить только о стремлении его к нулевому значению), что могло бы служить косвенным свидетельством сильного замедления волны тока в антенне. Антенны по сравнению с вакуумом перестают быть элементарными А3 ~ Ь (А7 - длина волны тока в антенне, Ь - линейный размер антенны).

Для целей активных экспериментов в ионосфере и магнитосфере !3емли по излучению мощных волн вистлерного диапазона частот, дополнительному нагреву окружающей плазмы и созданию искусственных неоднородностей важно знать энергетический баланс между излучением в плазменные волны и нагревом частиц непосредственно в ближней зоне антенн. Поэтому в п.2.С сделана попытка разграничить сопротивления излучения в волны и сопротивления антенны, обусловленного потерями в частицы. Оказалось, что даже в бесстолкнови-тельной плазме (длина свободного пробега электронов много больше размеров источника Ае >> Ь) преобладают потери в пролетные частицы - дробовой эффект [8] (см. также гл.З, где сравниваются интенсивности вистлерного и дробового шумов, а также представлена зависимость активного сопротивления изолированной электрически экранированной магнитной рамки в зависимости от частоты сигнала Рис.3.2). Эффективную частоту столкновений можно оценить как ¡/Ьфф ~ ьт/где ьт -тепловая скорость частиц. Для сравнения приведены результаты измерений импеданса большой (Ь Аск, где Аск - длина скин-слоя) изолированной магнитной рамки в бесстолкновительной изотропной плазме,

8

когда отсутствует излучение и активное сопротивление определяется только нагревом и нелокальной ионизацией плазмы .

В п.'2.7 представлены распределения полей вистлерных волн, излучаемых электрическим диполем в зависимости от плотности плазмы. Подтверждено, что в случае элементарности диполя А£'м Ь (А£'м -длина электромагнитной волны в плазме) возбуждаются волны резонансного копус.а, когда при А§'м ~ Ь превалирует излучение квазипродольного вистлера. Приведены некоторые качественные рассмотрения по оценке спектра возбуждения по волновым числам в зависимости от

Так как эффективность возбуждения вистлерных волн элементарными источниками невелика, в п.2.8 предлагается электродинамический способ повышения мощности излучения. Как отмечалось выше, импеданс неизолированных антенн определяется параметрами двойного слоя. Поэтому, изменяя постоянный потенциал антенны относительно плазменного пространства, можно существенным образом варьировать как входной импеданс антенн, так и распределение тока в антенне, т.е. изменять ее эффективную длину. С уменьшением входного импеданса увеличивается амплитуда тока в антенне, а следовательно, и излучаемая мощность. Сопротивление излучения при этом остается неизменным. Используя высокую проводимость плазмы с целью увеличения стока заряда с концов диполя возможно увеличить его эффективную длину, а значит, и сопротивление излучения (при равномерном распределении тока получим диполь Герца, увеличив эффективную длину в два раза). Ранее было обращено внимание на сильное замедление волны тока в плотной плазме, которое зависит также от величины потенциала антенны. То есть при приближении потенциала антенны к плазменному будет наблюдаться максимальное замедление, что может также привести к перераспределению энергии излучения по спектру волновых векторов [9]. Перечисленные факторы преобладают в разной степени в зависимости от параметров антенн и плазмы.

Экспериментально показано, что при потенциале, электрического диполя близкого к плазменному возрастание мощности излучения достигало значения Р(фа ^ ФГ1)/Р(Фа = Ф;) « 4 (Фа,Фр1,Ф} - потенциалы диполя, плазмы и плавающий потенциал соответственно, Р - мощность

на входе приемника). При дальнейшем повышении потенциала диполя мощность излучения резко падает. Наиболее ярко зтот эффект наблюдался при достаточно высокой проводимости плазмы, когда распределение тока в диполе определяется стоком зарядов с его концов.

Увеличение мощности излучения вблизи плазменного потенциала предлагается как метод диагностики последнего.

В третьей главе приводятся некоторые результаты экспериментальных исследований тепловых магнитных флуктуаций в вистлерном диапазоне частот в максвелловской плазме. Толчком к этим экспериментам послужила теоретическая работа Cablc&.Tajima [10, 1992 г.], в которой предсказывается увеличение интенсивности флуктуаций магнитного поля в области низких частот с пиком на нулевой частоте (подобно шумам f~a в электронных устройствах). Особенности экспериментальной установки не позволили выполнить измерения в альвенов-ском диапазоне, поэтому основные результаты получены для частот ^ih < ш < (>) со се <С wpe. Действительно, зарегистрировано возрастание интенсивности магнитных флуктуаций с уменьшением частоты, которые идентифицированы как тепловой шум распространяющихся вис-тлерных волн. Выше электронной циклотронной частоты шсе шумовой спектр переходит в "белый" шум, индуцируемый в магнитной рамке пролетными электронами (дробовой эффект).

После Введения к третьей главе (п.3.1) в параграфе 3.2 приведено описание экспериментальной установки и методики измерений. Магнитные флуктуации в большой (диаметр 1 м, длина 2 м) замагничен-ной плазме детектировались изолированными электрически экранированными магнитными антеннами. Для проведения корреляционных измерений использовались две идентичные рамки. Далее сигналы подавались через малошумящие усилители (коэффициент шума NF ~ 1.4 дБ) на цифровой осциллограф LeCroy 7200, возможности которого позволяли проводить статистическую обработку и быстрое преобразование Фурье регистрируемых сигналов.

Основные экспериментальные результаты (п.3.3) получены в распадающейся плазме с максвелловским распределением частиц по скоростям. Чтобы оценить уровень теплового шума, проведены также импе-дансные измерения, а именно активного сопротивления потерь приме-

няемых антенн в зависимости от частоты. В диапазоне ысе < ш <С ире мощность тепловых шумов хорошо соответствовала величине, полученной из формулы Найквиста V2 = 4RakTeAf. По мере уменьшения частоты (ш < исе) интенсивность магнитных шумов возрастала, в то время как сопротивление потерь измерительной рамки уменьшалось. Таким образом, если следовать оценкам , флуктуации начинают превышать тепловой уровень. Корреляционные измерения показали, что магнитный шум ы < шее состоит из вистлерных волн, имеющих широкий спектр по волновым числам и равновероятно распространяющихся в обоих направлениях относительно внешнего магнитного поля. В то время как для и> > шсе флуктуации генерируются в окрестности антенны с длиной корреляции порядка ~ с/ыре. Нижний порог измерений по частоте был в основном ограничен нижнегибридной частотой ы/h — (wcpW^i)1/2, что связано с чувствительностью рамки и конечным временем распада плазмы ta > 2т/ыц. Тем не менее, измерения, проведенные большой многовитковой рамкой, не показали никаких особенностей на и¡¡и, кроме дальнейшего роста интенсивности шумов в области низких частот и> < W;/,.

Дополнительно проведены измерения магнитных шумов в плазме с неравновесной функцией распределения электронов. За исключением возрастания интенсивности флуктуации и появления пиков излучения на гармониках циклотронной частоты в разрядной плазме, в целом, характер частотных спектров оставался подобный f~a при и/, < w <

и ее < W/ir .

В п.3.4 приводятся обсуждения экспериментальных результатов с точки зрения предела чувствительности магнитных антенн, установленных на ИСЗ. Также отмечается некоторая общность наблюдаемых спектров излучений f~a — типа для альвеновского и вистлерного диапазонов в плазме токомака [11], магнитосферах планет [12] и солнечном ветре [13].

В четвертой главе рассматриваются магнитные флуктуации вблизи электронной циклотронной частоты и ее гармоник в неравновесной разрядной плазме и в максвелловской плазме с электронным пучком. Возвращение к данной теме, известной с тех пор, когда в i960-x Лан-дауэр [14] наблюдал линии до и = 40 • иее в разряде Пеннинга, про-

диктовано тем, что до настоящего времени не было проведено измерений пространственной структуры магнитного поля излучения на циклотронных частотах внутри плазменного объема. Ранее предполагалось, что потоки спиральных электронов возбуждают электростатические циклотронные волны. Наблюдение излучения вынесенными из плазмы антеннами можно было объяснить трансформацией мод на гра-• ницах небольших плазменных объемов. Альтернативные объяснения, такие как некруговое движение частиц по орбитам [15] и возбуждение локализованных плазменных слоев [16], не были проверены по причине недостатка локальных диагностик.

После Введения (п.4.1) и описания эксперимента (п.4.2), в параграфе 4.:! покапано, что в магнитоактивной плазме при наличии энергичных спиральных электронов имеются ярко выраженные шумы на гармониках электронно-циклотронной частоты, механизм генерации которых отличается от ранее предлагаемых.

Измерение переменных магнитных полей проводилось подвижными магнитнымр рамками, размещенными в окрестности распространения электронного пучка. Собственных циклотронных волн и неустойчи-востей пучка в плотной плазме <С и>ре, где ыръ - плазменная электронная частота для пучка) обнаружит!» не удалось. Источником сигналов является широкополосный тепловой шум тока электронного пучка, спектр которого эволюционирует в линейчатый по мере удаления от места испускания электронов. Частотные компоненты в широкополосном спектре, синхронные с вращением электронов (и = п ■ и>се), производят сфазированные от орбиты к орбите электронов магнитные возмущения с = 0. В результате генерируется вытянутое соленоидальное вч-поле подобное полю спиральной антенны, которая в неизлучающем режиме имеет разность фаз токов в соответствующих точках соседних витков кратный 27г. Однако вне резонансных частот появляется дополнительная фазовая сдвижка, которая в зависимости от знака вызывает прямую или обратную (по отношению к скорости электронов пучка) бегущие волны вдоль эквивалентной спирали с дисперсией и = п-исе -ЬЛгцИац. Когда разность фаз в соответствующих точках соседних витков равна тг, наблюдается максимальное ослабление результирующего магнитного поля.

Элементарные числовые оценки особенностей структуры поля магнитного шума на а) = п-шсе, а также определяемая геометрией системы экспоненциальная форма линий покапывают хорошее соответствие с результатами измерений.

В п.4.4 даются предварительные результаты по исследованию магнитных флуктуаций на нецелых гирогармониках ы ~ (п + 1/2) -шсе. В разреженной плазме шгъ ~ шре ~ иее помимо излучения на и = п-ысе появляются пики излучений между гармониками циклотронной частоты. С увеличением тока электронного пучка зарегистрирована нелинейная зависимость излучения наш ~ (га + "1/2)ыге, которая связана в большей степени с гидродинамической неустойчивостью электронного пучка, чем с неустойчивостями циклотронных мод. Усиление магнитных шумов на гирогармониках снова объясняется эффектами интерференции полей тока спирального пучка.

Таким образом, настоящие исследования флуктуаций показывают важность рассмотрения функции источника (шумы тока электронных пучков) и геометрии движения частиц в дополнение к диэлектрическому отклику плазмы. Важность данного подхода может оказаться особенно уместной для анализа излучений, наблюдаемых в космосе. При этом, регистрируемые спутниковыми антеннами радиосигналы могут быть связаны не с электростатическими циклотронными волнами, а с усилением флуктуаций квазистатических электромагнитных полей потоков заряженных частиц в магнитном поле.

Отмечается полезное применение наблюдаемого эффекта для прецизионных измерений (±0.1%) квазистационарных магнитных полей и диамагнетизма плазмы.

В Заключении приведены основные результаты диссертации.

1. Проведены тщательные измерения импедансных характеристик дипольных антенн и степени влияния их конструктивных особенностей на адекватность измерений полей в плазме.

Выявлено наличие резонансов у неизолированных антенн в диапазоне частот и < шег. <С Шре- Измерения показали, что основным фактором, определяющим импеданс проволочных антенн, является область нарушения квазинейтральности плазмы (двойной слой) вблизи поверхности проводников, помещенных в плазменный объем. В общем случае

параметры двойного слоя являются сильно нелинейной функцией от потенциала проводников.

'2. Рассмотрен эффект ¡замедления тока в проволочных антеннах в зависимости от параметров двойного слоя. Расчетные зависимости нмпедансов показали лучшее, соответствие экспериментальным данным по сравнению с квазистатической моделью.

3. Предложен способ изменения входного импеданса электрического диполя и увеличения мощности излучения в вистлерные волны путем изменения его постоянного потенциала.

4. Показано, чт*о для магнитной рамки механизм диссипации электромагнитной энергии в области частот ш <С «т?/Ье <С и>ре ( время пролета электронов с. тепловой скоростью через область ближней зоны антенны меньше периода высокочастотного поля ) в бес.столкновитель-нон плазме (размер антенны много меньше длины свободного пробега электронов) определяется дробовыми потерями.

Г). Проведены исследования тепловых магнитных флуктуации в за-магннченной плазме. Эксперименты обнаружили два новых свойства : (1) спектральная плотность магнитных шумов в максвелловской плазме в вистлерном диапазоне частот подобна 1//-шуму без наблюдения особенностей на циклотронных частотах, и (2) "белый" шум в области отсечки для поперечных электромагнитных волн (шге < и <С шре), охарактеризованный как дробовой шум.

6. Присутствие в плотной плазме энергичных электронов, имеющих значительные питч-углы относительно внешнего магнитного поля, вызывает усиление магнитных флуктуации на циклотронных частотах ?1 • и?*- В разреженной плазме (шрь ~ шре ~ исе) зарегистрировано излучение на нецелых циклотронных гармониках (п+ 1/2) -Шее, связанное, главным образом, с развитием пучковой неустойчивости.

7. Предложена простая модель усиления квазистатического магнитного поля шумового тока спиральных электронов в плазме на циклотронных частотах без привлечения механизмов возбуждения циклотронных волн.

Отмечена возможность прецизионного измерения квазистационарных магнитных полей в плазме с использованием спиральных электронных пучков.

Результаты, представляемые в диссертации и касающиеся антенной тематики (главы 1 и 2), получены на плазменных установках Института прикладной физики РАН. Эксперименты по исследованию магнитных флуктуации (главы 3 и 4) выполнены на физическом факультете Калифорнийского университета (г. Лос-Анджелес).

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Г.Ю.Голубятников, С.В.Егоров, А.В.Костров, Е.А.Мареев, Ю.В.Чугунов, Возбуждение электростатических и свистовых волн антенной магнитного типа . - ЖЭТФ, 1986, т.94, в.4, с.124-135.

2. Г.Ю.Голубятников, С.В.Егоров, А.В.Костров, Ю.В.Чугунов, Способ излучения электромагнитной энергии в плазму..- A.c. 1324562 СССР, МКИ, Н05Н 1/100, п.3919735/131-25, з. 24.06.85.

3. Г.10.Голубятников, С.В.Егоров, А.В.Костров, Е.А.Мареев, Ю.В.Чугунов, Захват квазнэлектростатических волн в тепловой канал, образованный ближним полем магнитной антенны в замагниченной плазме. - ЖЭТФ, 1989, т.96, в.6(12), с.2009-2017.

4. G.Yu.Golubyatnikov, R.L.Stenzel, Cyclotron Harmonic Lines in Magnetic Fluctuation of Spiralling Electrons in plasmas. - Phys.Rev.Lett., 1993, v.70, n.7, pp.940-942.

5. G.Yu.Golubyatnikov, R.L.Stenzel, Thermal Magnetic Fluctuation of Whistlers in a Maxwellian Plasma. - Phys.Fluids B, 1993, 5(9), pp.31223126.

6. R.L.Stenzel, G.Yu.Golubyatnikov, Cyclotron Harmonic Lines in the Thermal Magnetic Fluctuation Spectrum of Spiralling Electrons in Plasmas. - Phys.Fluids B, 1993,5(10), pp.3789-3797.

7. Г.Ю.Голубятников, С.В.Егоров, Б.Г.Еремин и др., Экспериментальные исследования излучения рамочной антенны в области нижнегибридного резонанса. - IV Межд. симпозиум по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра, 1983, Львов.

8. Г.Ю.Голубятников, С.В.Егоров, A.B.Костров, Ю.В.Чугунов, Низкочастотный резонансный зонд в ионосферной плазме. - VII школа-семинар по ОНЧ излучениям, 1985, Якутск, с.31.

9. G .Yu.Goluby tnikov, S.V.Egorov, A.V.Kostrov, V.A.Mironov, Yu.V.Chugunov, Wave Ducting by Antenna Acting on Collisional Magnetized Plasma. - Int.Conf. on Plasma Phys.,1987, Kiev, USSR, v.4, pp. 145-148.

10. Голубятников Г.Ю., Егоров С.В., Костров А.В., Мареев Е.А., Чугунов Ю.В., Лабораторное моделирование условий излучения магнитной антенны в ионосферной плазме. - Межд.симпозиум "Модификация Ионосферы Мощным Радиоизлучением", 1986, (г.Суздаль), М., ИЗМИРАН, с. 159-160.

11. G.Yu.Golubyatnikov, S.V.Egorov, A.V.Kostrov, E.A.Mareev, Yu.V.Chugunov, The Radiation of Quasi-Static, and Whistler Waves by a Magnetic Antenna in a Weakly Inhomogeneous Plasma. - XIX IGPIG, 1989, Belgrade, pp.258-259. .

12. Golubyatnikov G.Yu., Egorov S.V., Kostrov A.V., Chugunov Yu.V., Control Radiation Efficiency of Dipole Antenna in Plasma. - Int.Conf. on Plasma Phys., 1989, New Daily, v.III, pp.ШЗ-1Н6.

13. G.Golubyatnikov, R.L.Stenzel, Electromagnetic Fluctuation in plasma. - APS, Nov. 1992, Seattle.

14. G.Golubyatnikov, R.L.Stenzel, Thermal Fluctuation Spectra Observed with Magnetic Antennas in a Laboratory Plasma. - AGU, Dec.1992, San Fransisco.

15. R.L.Stenzel, G.Golubyatnikov, J.M.Urrutia, Cyclotron Harmonic Lines in the Magnetic Fluctuation Spectrum of an Oblique Electron Beam. -Int.conf. Yosemite'93: " Solar system plasma physics: resolution of processes in space and time", Feb.1993, Yosemite National Park, California.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

[1] Агафонов 10.И., Бабаев А.П. и др., Плазменно-волновой разряд в ионосфере Земли, Письма в ЖЭТФ, т.15, в.17, с.с.1-5 (1989).

[2] Голант В.Е., Федоров В.И., Нижнегибридный нагрев плазмы в токомаках, Высокочастотный нагрев плазмы: Материалы Всесоюзного совещания, Горький, ИПФ АН СССР, с.71-104 (1983).

[3] А.И.Панфилов, А.И.Смирнов, Влияние резонансных плазменных оболочек на электродинамические характеристики топких антенн, Физика плазмы, т.17, в.1, с.36-41 (1991).

16

[4] А.В.Костров, В.А.Пахотин, А.И.Смирнов и др., Влияние замаг-ниченных плазменных оболочек на эффективность излучения короткой антенны, Физика плазмы, т.21, п.5, с.460-462 (1995).

[5] Р.Кинг, Г.Смит, Антенны в материальных средах, М.,"Мир" (1984).

[6] Модестов А.П., Радиофизический метод исследования ионосферной плазмы с. помощью низкочастотного импедансного зонда, дис...канд.физ.-мат.наук, М., (1983).

[7] Shkarofsky I.P., Nonlinear sheath admittance, currents and charges associated with high peak voltage drive on a VLF/ELF dipole antenna moving in the ionosphere, Radio Sci., v.7, n.4, pp.503-523 (1972).

[8] Андронов А.А., Импеданс и шумы антенны (зонда) в космической плазме, Космические исследования, т.4, в.4, сс.558-567 (196G).

[9] Заборонкова Т.М., Кондратьев ]И.Г., Кудрин А.В., О диаграмме направленности излучения кольцевых электрических токов в магнито-активной плазме в свистовом диапазоне, Радиотехника и электроника, т.38, п.8, сс.1451-1460 (1993).

[10] S.Cable and T.Tajima, Low-frequency fluctuations in plasma magnetic fields, Phys. Rev. A, v.46, no.6, pp.3413-3441 (1992).

[11] S.J.Zweben, C.R.Menyuk, R.J.Taylor, Small-Scale Magnetic Fluctuations Inside the Mac.rotor Tokamak, Phys.Rev.Lett., v.42, no.19, pp.1270-1274, (1979).

[12] Я.Л.Альперт, Волны и искусственные тела в приземной плазме, М.,"Наука" (1974).

[13] D.Lengyel-Frey, W.M.Farrell ej al, it An analysis of whistler waves at interplanetary shocks, J.Geophys.Res., v.99, A7, pp.13,325-13,334 (1994).

[14] (i.Landauer, Generation of Harmonics of Electron-gyrofrequency in a Penning discharge, Plasma Phys., v.4, pp.395-400 (1962).

[15] A.Simon, M.N.Rosenbluth, Phys.Fluids, v.6, p.1566 (1963).

[16] A.F.Kuckes, J.M.Dawson, Electron Cyclotron Harmonic Radiation From a Plasma, Phys.Fluids, v.8, no.5, pp.1007-1008 (1965).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ....................................1

ГЛАВА 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Источник плазмы и его основные параметры . 14

1.2. Методы измерений электромагнитных полей

и импедансов антенн................ 17

ГЛАВА 2. ДИПОЛЬНЫЕ АНТЕННЫ В ПЛАЗМЕ

2.1. Введение........................ 23

2.2. Двойной слой......................25

2.3. Представление дипольных антенн в виде эквивалентной длинной линии...........27

2.4. Импеданс магнитной рамки.....■....... 32

2.5. Импеданс электрического диполя.........34

2.6. О роли бесстолкновительных потерь...... 37

2.7. Излучение волн электрическим диполем.....43

2.8. Проблема увеличения эффективности излучения дипольной антенны.....*......48

ГЛАВА 3. ТЕПЛОВЫЕ МАГНИТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ ВИСТЛЕРНЫХ МОД В МАКСВЕЛЛОВСКОЙ ПЛАЗМЕ

3.1. Введение..........................52

3.2. Экспериментальная установка и методы измерений.......................53

3.3. Экспериментальные результаты..........56

3.4. Обсуждение экспериментальных результатов . .67

ГЛАВА 4. ЛИНИИ ЦИКЛОТРОННЫХ ГАРМОНИК В СПЕКТРЕ ТЕПЛОВЫХ МАГНИТНЫХ ФЛУКТУАЦИЙ СПИРАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

4.1. Введение................................................71

4.2. Организация эксперимента и измерений .... 73

4.3. Циклотронные гармоники пучка в

плотной плазме......................................79

4.4. Циклотронные гармоники пучка в

сильно разреженной плазме......................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................108

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...............111