Генерация и диагностика квазистационарных электромагнитных полей в ионизованных средах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

о

у/ (У ¿)

с г

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

{ е

решение о-

:суй

- --г V г'ОССИИ I

Иг МляЖ.^^З

'" -': ;С7:::::снь ДОКТОР.' ■.

На правах рукописи

МАРЕЕВ Евгений Анатольевич

УДК 533.9, 550.3

ГЕНЕРАЦИЯ И ДИАГНОСТИКА КВАЗИСТАЦИОНАРНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ИОНИЗОВАННЫХ СРЕДАХ

01.04.08 - физика и химия плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород 1998

Содержание

Введение............................................... <5

1 Особенности полей сторонних источников в однородной магнитоактивной плазме............................. 21

1.1 Квазистационарное приближение для описания полей источников в плазме........................ 22

1.2 Резонансное возбуждение плазменных волн и факторы, ограничивающие амплитуду поля. ................ 27

1.3 Магнитный диполь (виток с током) в магнитоактивной

*

плазме и его ближнее электрическое поле............ -35

1.4 Энергетические характеристики источников в различных частотных диапазонах....................... 43

1.5 Установление резонансной структуры поля. Модуляция сигнала................................ 45

1.6 Выводы............................... 51

2 Генерация полей сторонними источниками в неоднородной плазме............................................................................................53

2.1 Кусочно-однородная плазма ......................................55

2.2 Плавно-неоднородная плазма......................................68

2.3 Укороченное уравнение для поля источника в плавно-неоднородной плазме ..............................................77

2.4 Антенна магнитного типа в неоднородной плазме..............80

2.5 Выводы..............................................................83

3 Влияние нелинейных эффектов на структуру поля и импедансные характеристики источников в плазме..... 85

3.1 Основные типы нелинейных эффектов при излучении антенн

в плазме............................... 86

3.2 Низкочастотный зонд в изотропной плазме........... 88

3.2.1 Вольт-амперная и вольт-кулонная характеристики . . 90

3.2.2 Емкость зонда при потенциале, близком к плазменному 96

3.2.3 Общий вид вольт-кулонной характеристики большого

и малого зондов ......................101

3.3 Источник в разреженной магнитоактивной плазме ......105

3.3.1 Основные уравнения....................105

3.3.2 Образование скачков концентрации и поля. Гистерезис. 108

3.3.3 Влияние столкновений ..................117

3.3.4 Влияние пространственной дисперсии .........121

3.4 Эффекты нелокальной нелинейности в ближнем поле антенны в замагниченной плазме................132

3.4.1 Ионизационное самовоздействие поля..........134

3.4.2 Тепловое самовоздействие поля.............139

3.4.3 Структуры высокочастотного разряда, поддерживаемые источником плазменных волн в сильном магнитном поле.............................141

3.5 Выводы...............................152

4 Основы электрогидродинамики слабопроводящей среды . 156

4.1 Общие замечания .........................157

4.2 Основные уравнения однокомпонентной ЭГД..........160

4.3 Анализ простых ЭГД моделей..................165

4.3.1 Неустойчивость слабопроводящей среды в скрещенных электрическом и магнитном полях .... 165

4.3.2 Волны в униполярно заряженной среде.........167

4.3.3 Волны и ЭГД течения в слабопроводящих диэлектриках. 170

4.3.4 Возможно ли электромагнитное динамо? (связь ЭГД

и МГД) . .........................173

4.4 Проблема турбулентного электрического динамо.......175

4.4.1 Одножидкостная электрогидродинамика........176

4.4.2 Турбулентный конвективный ток, генерируемый монохроматической волной и стационарной

турбулентностью .....................179

4.5 Выводы...............................183

5 Генерация и диагностика флуктуаций электрического поля

в слабоионизованной среде............................185

5.1 Короткопериодные пульсации электрического поля в приземном слое атмосферы....................186

5.1.1 Спектральные характеристики варйаций поля и тока 187

5.1.2 -Базовая модель.......................191

5.1.3 Вычисление спектров флуктуаций поля и тока .... 193

5.2 Пространственно-временные структуры электрического поля

и заряда в атмосфере.......................198

5.2.1 Разнесенный прием пульсаций электрического поля . 198

5.2.2 Вычисление структурных функций...........209

5.3 Нелинейные структуры электрического поля и заряда в приземном слое атмосферы....................213

5.3.1 Ступенька плотности заряда...............216

5.3.2 Уравнение для возмущений заряда конечной амплптуды218

5.3.3 Уравнение Бюргерса ...................219

5.3.4 Разные подвижности легких аэроионов.........220

5.4 Электродный эффект в атмосфере . . . .............223

5.5 Турбулентное динамо в приземном слое ............230

5.6 Выводы...............................234

6 Коллективные эффекты в аэрозольной плазме..........236

6.1 Эффекты коллективной зарядки в многопотоковой

аэрозольной плазме........................237

6.1.1 Механизмы зарядки аэрозольных частиц........238

6.1.2 Уравнения коллективной зарядки.............240

6.1.3 Стационарные состояния..................242

6.2 Динамика поля и заряда в условиях заданного движения аэрозолей..............................244

6.3 Моды коллективной электризации в общем случае......248

6.3.1 Безындукционная неустойчивость............250

6.3.2 Индукционная неустойчивость..............257

6.4 Диффузионное уравнение для электрического поля в распределенной ЭГД системе...................262

6.5 Турбулентное динамо в системе сталкивающихся аэрозольных частиц........................268

6.6 Диссипативная неустойчивость в системе легких аэроионов, взаимодействующих с аэрозольными частицами .......272

6.7 Формирование пространственных структур в неидеальной пылевой плазме...........................277

6.8 Выводы...............................284

Заключение ............................................286

Библиография..........................................291

Введение

Круг проблем, связанных с исследованием квазистационарных электромагнитных полей в ионизованных средах, очень широк. Он включает вопросы анализа полей излучения и импедансных характеристик антенн, традиционными сферами применения которых служат диагностика параметров космической и лабораторной плазмы, регистрация шумовых излучений в магнитосфере, ионосфере и атмосфере, генерация электромагнитного излучения [1, 2]. В последние годы, в связи с проведением активных космических экспериментов в целях создания искусственных плазменных структур с регулируемыми свойствами, воздействия на геофизические процессы и т.п., возрастающее внимание уделяется изучению нелинейных эффектов в ближнем поле антенны [3]. Вместе с тем, антенные измерения электромагнитных полей и зондовые измерения параметров плазмы (концентрации, температуры, функции распределения электронов и ионов) продолжают служить важнейшим источником информации об ионосфере, магнитосфере и солнечном ветре, добываемой с помощью космических аппаратов [4] - [10]. Поэтому проблемы надежности и адекватности таких измерений, а также вопросы разработки новых диагностических методов (как пассивных, так и активных) с использованием антенн и зондов в космической плазме, остаются в центре внимания и при анализе получаемых данных, и при планировании новых ракетных и спутниковых экспериментов [11], что делает развитие теории антенн и зондов в плазме весьма актуальной задачей. В связи с этим особый интерес представляют условия, при которых резонансы плазмы, временная и пространственная дисперсия, неоднородность, а также нелинейные эффекты существенно меняют структуру электромагнитного поля и импеданс антенны по сравнению с вакуумными [12]. Именно такие условия (как правило, реализуемые в экспериментах) порождают наибольшее количество проблем и дискуссий [13] - [18], и развитие теории антенн применительно к указанным условиям занимает центральное место в первой части диссертации (главы 1-я - 3-я).

С другой стороны, в последнее время возрастающее внимание уделяется анализу квазистационарных электрических полей в плазме, степень ионизации которой столь мала, а время релаксации заряда настолько большое, что движение среды во внешнем электрическом поле приводит к существенному перераспределению заряда и поля, и обычное условие квазинейтральности для процессов с масштабами, много большими дебаевского радиуса, нарушается. Это требует разработки специальных, в том числе электрогидродинамических (ЭГД) [19]-[21], методов описания такой плазмы. Наиболее общей проблемой электрогидродинамики является проблема генерации крупномасштабного квазистационарного электрического поля и пространственного заряда в движущейся слабопроводящей среде (электрическое динамо), имеющая большое практическое значение применительно к физике атмосферы (грозовое электричество, энергообмен между атмосферой и ионосферой), астрофизике, электроэнергетике. В последнее время интерес к этой проблеме заметно возрос в связи с новыми экспериментальными данными по тонкой структуре и динамике грозовых облаков и мезомасштабных конвективных систем [22] - [26], генерации электрических полей в средней атмосфере [27] - [28], оптическим явлениям в мезосфере и нижней ионосфере, связанным с грозовой активностью [29] - [32], формированию аэроэлектрических структур в приземном слое атмосферы [33, 34]. К этому же кругу вопросов непосредственно примыкают интенсивно обсуждаемые в настоящее время коллективные эффекты в пылевой плазме (dusty plasmas), включая формирование квазикристаллических структур заряженными аэрозольными частицами [35], а также волны и неустойчивости в пылевой плазме [38]. Вторая часть диссертации (главы 4-я - 6-я) посвящена разработке актуальных вопросов теории генерации квазистационарных электромагнитных полей в слабоионизованной плазме, а также проблемам диагностики таких полей применительно к условиям атмосферы. Данная работа объединяет, таким образом, проблемы излучения источников в плазме, генерации квазистационарных электрических полей в слабоионизованных средах (в том числе в пылевой плазме), и их активной и пассивной антенной диагностики.

Отмеченные выше обстоятельства позволяют сформулировать цели настоящей диссертационной работы:

1. Теоретическое исследование распределений поля и плазмы.

формируемых сторонними источниками, и анализ эффективности излучения антенн в магнитоактивной плазме с учетом особенностей поля и импеданса, обусловленных возбуждением резонансов среды. '

2. Совершенствование методов антенной диагностики (в том числе активных) квазистационарных полей в ионизованных средах.

3. Развитие электрогидродинамики (ЭГД) слабопроводяшей среды и ее применений к исследованию аэрозольной плазмы и атмосферного электричества.

4. Анализ коллективных электрогидродинамических явлений, т.е. волн, неустойчивостей и структур в многофазных дисперсных средах.

Научную новизну проделанной работы характеризуют следующие основные достижения:

л

1. С учетом неоднородности, пространственной дисперсии, непотенциальности и столкновений исследована структура поля и найдены резонансные потери дипольных источников, возбуждающих собственные колебания магнитоактивной

плазмы, в различных диапазонах частот.

2. Изучены особенности стрикционного, ионизационного и теплового самовоздействия поля источника в замагниченной плазме в резонансных условиях.

3. Развиты теоретические основы описания электрического динамо (включая турбулентное динамо) в распределенных электрогидродинамических системах.

4. Предложены новые методы теоретического анализа коллективных процессов в аэрозольной плазме и на их основе исследовано явление коллективной зарядки аэрозольных частиц и формирование структур в слабоионизованном газе.

Многие из рассматриваемых в диссертации проблем имеют не только теоретическое, но и практическое значение. К таким проблемам, относятся: генерация мощного электромагнитного излучения антеннами в плазме: диагностика электрических полей в космической плазме; анализ проблемы электрического динамо (в интересах электроэнергетики): развитие теории грозового электричества; диагностика электрических полей в атмосфере (в интересах изучения окрулсаюшей среды); разработка новых методов описания пылевой плазмы (в интересах развития плазменных технологий).

Диссертация состоит из шести глав, Введения и Заключения.

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируется цель работы и кратко излагается ее содержание. г

В главах 1-3 анализируются особенности поля и импеданса сторонних источников в плазме в условиях, при которых влияние плазмы приводит к качественным отличиям характеристик антенны от соответствующих вакуумных. Важнейший фактор, способствующий появлению особенностей структуры поля и импеданса антенны, - наличие собственных электростатических колебаний - резонансов плазмы, на возбуждение которых может расходоваться значительная часть энергии, подводимой к антенне [11, 12]. В магнитоактивной плазме диапазон частот, в котором могут возбуждаться собственные колебания плазмы (называемый обычно резонансным), достаточно широк: в холодном приближении он состоит из трех интервалов: т&х.{ире1Ы]1е} < л < ОицН-< со < тт^ре,^}; си < иы, где О-ин - верхнегибридная частота, Оьн ~ нижнегибридная частота, ире и и11е - плазменная частота и гирочастота электронов, си^ - гирочастота ионов. Если частота излучения источника (антенны) относится к резонансному диапазону, а характерный размер Ь мал по сравнению с длиной волны электромагнитной моды Л, источник эффективно возбуждает собственные колебания плазмы, распространяющиеся в виде медленных квазистатических волн. При этом резко возрастают действительная часть импеданса и поле источника на резонансной поверхности (в однородной плазме - на резонансном конусе) [12]. Заметим, что анализ излучения антенн в резонансных условиях представляет и теоретический, и большой практический интерес, так как во многих космических и лабораторных экспериментах резонансные условия оказываются неизбежными. Так, длина свистовых волн, как правило, велика по сравнению с реально достижимыми масштабами антенной системы, а частота излучения относится к резонансному (нижнегибридному) диапазону [3. 18].

1-я глава посвящена анализу поля и импеданса сторонних источников в однородной магнитоактивной плазме в линейном приближении. После первых работ, где было исследовано поле точечного источника в анизотропной среде [39] - [42]. особенности резонансной структуры поля наблюдались в лабораторном эксперименте [43] и анализировались в линейном приближении многими авторами (подробный список литературы

приведен в книге [11]). Исследовались, в частности, вопросы влияния пространственной дисперсии на резонансную структуру поля в однородной магнитоактивной плазме [44, 45]. В связи с приложениями в области СВЧ нагрева изучались также поля источников в неоднородной магнитоактивной плазме [46] - [49]. Однако ряд вопросов линейной теории требовал дальнейшей разработки, в том числе: совместное влияние пространственной дисперсии, столкновений и непотенциальности на резонансную структуру поля электрических [60] и магнитных [96] источников, установление резонансной структуры поля [11], энергетические характеристики источников в разных диапазонах частот [11, 97]. Результаты соответствующих исследований представлены в 1-й главе.

В разделе Х.1 приводятся уравнения Максвелла в форме, удобной для анализа особенностей поля и импеданса источников электрического и магнитного типа, находящихся в магнитоактивной плазме, в квазистационарном приближении. В разделе 1.2 в достаточно общем виде аналитически исследовано влияние пространственной дисперсии, столкновительной диссипации и дифракционных эффектов (т.е. поправок, связанных с непотенциальностью) на резонансную структуру поля гармонического источника электрического типа. Относительная роль дисперсии, столкновений и непотенциальности характеризуется соотношением малых параметров в([ = (Я/Ь)2. ве = (Ь/Х)1, в,$ = »е/и>, где Л - эффективный дебаевский радиус; А - длина волны электромагнитной моды, ие - эффективная частота столкновений электронов. Условие слабости пространственной дисперсии предполагает выполнение неравенства й < I. а условие квазистатики - Ь А; с учетом последнего условия резонансная структура поля источника в магнитоактивной плазме может простираться на расстояние А2/Ь, много большее длины электромагнитной волны.

Как известно, источник магнитного типа (рамка с током) также эффективно возбуждет резонансные колебания магнитоактивной плазмы [62]. Резонансная^ структура поля источника магнитного типа анализируется в разделе 1.3. Оказывается возможным изучить совместное влияние дисперсии, столкновений и непотенциальности на структуру поля аналогично случаю электрического источника, введя распределение эффективного заряда для витка с током в магнитоактивной плазме [97].

Важнейшей особенностью излучения источников в резонансных условиях

является резкое возрастание активной части его импеданса вследствие резонансных потерь. Методика и примеры расчета энергетических характеристики источников в однородной плазме представлены в разделе 1.4.

В разделе 1.5 исследуется влияние частотного спектра источника на резонансную структуру поля; рассмотрены вопросы установления поля при плав