Импульсные режимы электронно-циклотронной неустойчивости плазмы в открытой магнитной ловушке

Викторов, Михаил Евгеньевич

Импульсные режимы электронно-циклотронной неустойчивости плазмы в открытой магнитной ловушке тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Викторов, Михаил Евгеньевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Импульсные режимы электронно-циклотронной неустойчивости плазмы в открытой магнитной ловушке»

Автореферат диссертации на тему "Импульсные режимы электронно-циклотронной неустойчивости плазмы в открытой магнитной ловушке"

На правах рукописи

ВИКТОРОВ Михаил Евгеньевич

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПЛАЗМЫ В ОТКРЫТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ

01.04.08 — физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации иа соискание учёной стеиени кандидата физико-математических наук

5 ДЕК 2013

Нижний Новгород — 2013

005543243

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор

Голубев Сергей Владимирович (Институт прикладной физики РАН)

доктор физико-математических наук, профессор

Демехов Андрей Геннадьевич (Институт прикладной физики РАН)

доктор физико-математических наук Грач Савелий Максимович (Нижегородский государственный университет имени Н.И. Лобачевского)

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук

Защита состоится 23 декабря 2013 г. в 1700 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова. 46).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю.В. Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов генерации электромагнитного излучения плазмой, удерживаемой в магнитных ловушках, в результате взаимодействия волн и частиц в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) связан, с одной стороны, с определяющей ролью, которую эти процессы играют в образовании электромагнитного излучения Земли и планет, формировании их радиационных поясов, а с другой стороны - с целым рядом возможных практических приложений такой плазмы.

Активные исследования электромагнитного излучения, генерируемого в магнитосфере Земли [1] и планет-гигантов [2], привели к созданию концепции циклотронных мазеров [3-6]. Наиболее изученный тип циклотронных мазеров, свистовые (электронные) и альфвеновские (ионные) мазеры, реализуется в магнитных силовых трубках ловушечной конфигурации, заполненных плотной холодной плазмой с малой добавкой энергичных частиц с анизотропной функцией распределения [4]. Например, во внутренней магнитосфере Земли в таких системах в результате развития электронно-циклотронных неустойчивостей возможна генерация волн свистового диапазона частот: крайне-низкочастотного излучения (КНЧ) в диапазоне от 3 Гц до 3 кГц и очеиь-иизкочастотного излучения (ОНЧ) в диапазоне от 3 до 30 кГц [7]. В магнитосфере Земли наблюдается большое разнообразие типов КНЧ-ОНЧ излучений. Хорошо известны квазипериодические КНЧ излучения С2Р-1 и С}Р-2 с периодом 10-150 с [3] и хоровые КНЧ излучения с характерными периодами 0.1-1 с [4]. Появляется все больше работ, в которых обсуждаются новые экспериментальные данные по исследованию различных типов импульсных квазипериодических излучений с околоземных спутников [8, 9]. В этих работах большое внимание уделяется объяснению, как временных особенностей регистрируемого излучения, так и анализу его частотного спектра. Успешный анализ топкой структуры спектров КНЧ-ОНЧ излучения на основе теории циклотронных мазеров [3, 10] позволяет диагностировать недоступные для прямого измерения глобальные свойства магнитосфер-ной плазмы [11]: степень анизотропии функции распределения захваченных частиц, концентрацию фоновой плазмы, мощность источника энергичных частиц, время жизни энергичных частиц в магнитной ловушке, режим питч-угловой диффузии при конкретных геофизических условиях, частотную зависимость добротности магнитосферного резонатора и некоторые другие.

Другой тип циклотронных неустойчивостей реализуется в достаточно разреженной плазме при плотности энергичной компоненты сравнимой или превышающей плотность холодных электронов [5]. Именно в таких условиях генерируются всплески авроральпого километрового радиоизлучения (АКР) Земли в диапазоне частот от 50 до 600 кГц, которое является самым мощным естественным нетепловым излучением магнитосферы планеты [12, 13]. Предложенная в [14] электронно-циклотронная мазер-ная неустойчивость в настоящее время является общепризнанным механизмом, позволившим с единых позиций объяснить природу и основные свойства АКР, а также генерацию аврорального радиоизлучения в магнитосферах Юпитера [15-17], Сатурна [18, 19], Урана [20, 21] и Нептуна [22]. С функционированием данного типа циклотронного мазера связывают происхождение солнечных радио всплесков [23] и некоторых типов всплесков излучения звезд [24-26].

За последнее время теоретические и экспериментальные (спутниковые) исследования позволили, используя механизм циклотронной мазер-ной неустойчивости, объяснить многие свойства АКР, такие как: генерацию излучения в областях пониженной плотности на локальной гироча-стоте электронов, высокую интенсивность излучения и ее связь с магни-тосферными суббурями, поляризацию излучения. Однако, несмотря на значительные успехи теории, все еще остаются открытыми вопросы как количественного, так и качественного характера в понимании свойств электромагнитного излучения в космических циклотронных мазерах и его взаимосвязи с глобальными процессами в магнитосфере Земли. Одним из актуальных вопросов в изучении АКР является проблема понимания природы и уточнения свойств тонкой структуры в спектре излучения [27].

ионов для ускорителей тяжелых частиц [33], для разработки интенсивных источников электромагнитного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Во всех этих приложениях неустойчивости плазмы (в том числе и циклотронные) негативно влияют на работу плазменных установок. Например, в недавней работе [34] показано, что развитие электронно-циклотронной неустойчивости в плазме ЭЦР источника многозарядных ионов приводит к уменьшению заряда и тока экстрагируемых ионов.

Таким образом, можно утверждать, что исследование механизмов циклотронных неустойчивостей магнитоактивной плазмы является важной и актуальной задачей, имеющей как фундаментальное, так и практическое значение.

Как уже отмечалось, экспериментальные исследования циклотронных неустойчивостей плазмы проводились как в природных магнитных ловушках - в мапштосфере Земли и планет, так и в лабораторных условиях. Причем, несмотря на различия в масштабах и параметрах плазмы эти исследования дополняют друг друга, поскольку физические механизмы, определяющие развитие неустойчивостей, похожи. Отметим, что натурные эксперименты, прежде всего спутниковые измерения, подвержены существенным ограничениям в силу локального характера измерений и сложности разделения пространственных и временных зависимостей, особенно существенных для нестационарных процессов. В связи с этим, особую актуальность приобретает моделирование подобных процессов и механизмов вспышечной активности плазмы в лабораторных магнитных ловушках. Ценность лабораторного моделирования обусловлена тем, что, во-первых, в лаборатории есть возможность управлять параметрами плазмы, а во-вторых, обеспечить многократную повторяемость результатов.

Первые исследования но изучению электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной плазмы в лабораторных открытых магнитных ловушках были проведены в [35-37], объяснения которых даны в [38, 39]. В настоящее время активно ведутся работы по лабораторному моделированию процессов, протекающих в мапштосфере Земли, планет и солнечных корональных петель. Можно отметить успехи научных групп, занимающихся исследованием образования токовых структур в магнитосфере Земли при обтекании ее потоками солнечного ветра [40-42], проводящих лабораторное моделирование нестационарной динамики токовых слоев и генерации радиовсплесков [43, 44], моделирующих процессы в иоиосферно-магпитосферпых дактах плотности [45]. Уже более десяти лет ведутся активные эксперименты по лабораторному моделированию явлений, протекающих во внутренней магнитосфере Земли [46-48].

Наиболее близкими к данной работе являются исследования по целенаправленному моделированию авроралыюго излучения [49]. В используемом подходе монознергетический пучок электронов распространяется в увеличивающемся аксиально-симметричном магнитном поле, тем самым создается "подковообразная" функция распределения электронов по скоростям [50]. В результате возникает генерация импульсов микроволнового излучения, которую авторы отождествляют с процессом генерации авроралыюго излучения потоками энергичных электронов. Отметим, что в новой работе этих авторов [51] электронный пучок распространяется в фоновой плазме, которая создается с помощью разряда Пеннинга.

Фоновая плазма играет важную, порой даже определяющую, роль в процессе развития циклотронных неустойчивостей. В частности, для циклотронных неустойчивостей волн свистового диапазона частот фоновая плазма определяет дисперсионные характеристики волн, а ее границы могут служить зеркалами плазменного резонатора [3]. В случае разреженной плазмы фоновая плазма по-прежнему определяет дисперсию воли, а также потери энергии волн и, следовательно, порог возбуждения и динамические режимы неустойчивости [52-54].

Представленная диссертационная работа посвящена исследованию резонансного взаимодействия электромагнитных воли' и частиц в сильнонеравновесной плазме ЭЦР разряда на начальной его стадии и в распадающейся плазме, когда плотности горячей и холодной компоненты сравнимы. Основное внимание в диссертационной работе уделено изучению импульсных процессов циклотронной неустойчивости. Данная работа является продолжением исследований, результаты которых опубликованы в [52, 53, 55]. В этих работах использовался импульсный разряд, поддерживаемый в открытой магнитной ловушке в условиях электронно-циклотронного резонанса. Впервые одиночные всплески тока электронов и электромагнитное излучение в распадающейся плазме были зарегистрированы в [36]. Квазипериодические всплески импульсных высыпаний электронов на стадии распада плазмы впервые были обнаружены в работе [53]. Они были проинтерпретированы как результат резонансного взаимодействия энергичных электронов с необыкновенной волной, распространяющейся в разреженной плазме поперек магнитного поля. Механизм генерации последовательностей импульсных высыпаний частиц на нелинейной стадии развития неустойчивости удалось объяснить, рассмотрев новый режим работы циклотронного мазера, в котором превышение порога неустойчивости происходит за счет характерного для распада плазмы быстрого уменьшения потерь электромагнитной энергии [52]. Однако исчерпывающие исследования электромагнитной активности плазмы, в

частности измерения спектрального состава и абсолютной интенсивности электромагнитных вспышек плазмы, проведены не были. Именно этим вопросам посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование импульсных режимов электронио-циклотроп-ных неустойчивостей неравновесной разреженной плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого в открытых магнитиых ловушках мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн, включая

1) исследование пространственно-временных и спектральных характеристик собственного электромагнитного излучения разреженной плазмы, сопровождающего развитие электронно-циклотронных неустойчивостей на начальной стадии его развития и после окончания действия импульса поддерживающего разряд микроволнового излучения;

2) определение энергетических характеристик вспышечной активности плазмы па основании измерений абсолютного значения интенсивности электромагнитного излучения и плотности энергии, выносимой из ловушки потоком энергичных электронов;

3) разработку теоретических моделей импульсных режимов развития электронно-циклотронных неустойчивостей плазмы на основе балансных уравнений для концентрации частиц и плотности энергии электромагнитного излучения.

Научная новизна

1. Впервые проведены экспериментальные исследования абсолютной интенсивности, спектрального состава и временных характеристик собственного электромагнитного излучения неравновесной разреженной плазмы в магнитной ловушке.

2. На начальной стадии ЭЦР разряда при постоянно действующей накачке энергии в горячую анизотропную фракцию электронов впервые исследованы электронно-циклотронные неустойчивости плазмы, обнаружены два качественно различных режима генерации: квазииериодические вспышки широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой и режим квазипепре-рывной генерации излучения с широким (до 20% от центральной частоты) спектром.

3. Предложена теоретическая модель, учитывающая когерентное взаимодействие двух волн, распространяющихся навстречу друг другу, в нелинейном режиме, которая позволяет воспроизводить различные временные характеристики вспышек электромагнитного излучения и высыпающихся энергичных электронов.

4. Исследованы энергетические характеристики импульсного режима

электронно-циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда, измерены абсолютные значения энергии электромагнитного излучения плазмы и поток энергии выносимой энергичными электронами, показано, что энергичные электроны, вылетающие из плазмы, выносят до 65%, а излучение выносит около 1% энергии, запасенной в энергичных компоненте плазмы.

Практическая значимость

Исследования циклотронных неустойчивостей неравновесной плазмы проводятся также применительно к установкам по созданию управляемого термоядерного синтеза с целью улучшения параметров удержания плазмы и увеличения эффективности ее нагрева. В частности, ионно-циклотронное излучение дейтерий-тритиевой плазмы в токамаках имеет много общего с аналогичными процессами в описанных ранее космических циклотронных мазерах [56, 57]. В последнее время исследуется влияние иошю-циклотрониых неустойчивостей при инжекции пучков нейтральных атомов в стеллараторах [58].

Необходимо также отметить интенсивные, в последние несколько лет, исследования влияния электронно-циклотронных неустойчивостей на качество пучков многозарядных ионов в источниках на основе ЭЦР нагрева, которые имеют большое количество приложений, например, в медицине [59] и физике высоких энергий [60, 61]. Так, в [34, 62]-периодическое падение тока экстрагируемых из плазмы многозарядных ионов, сопровождающееся мощными всплесками тормозного рентгеновского излучения, удалось связать именно с развитием электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной разреженной плазмы.

Одной из интересных особенностей нагрева электронов микроволновым излучением в открытых магнитных ловушках в условиях ЭЦР является возможность получения электронов с релятивистскими и даже ультрарелятивистскими энергиями [37, 63—66]. В данной работе обсуждаются собственные неустойчивости такой плазмы и экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании более эффективного механизма потерь энергичных электронов на начальном этапе возникновения ЭЦР разряда, связанного с рассеянием электронов в конус потерь, но не за счет взаимодействия с волной накачки, а за счет развития собственных циклотронных неустойчивостей сильнонеравновесной плазмы. Таким образом, обсуждается новый механизм потерь энергичных электронов, который может играть важную роль и в лабораторных, и в космических магнитных ловушках.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Генерация импульсов электромагнитного излучения и синхронные с ними выбросы энергичных электронов в неравновесной разреженной

плазме, удерживаемой в магнитной ловушке, вызвана возникновением электронно-циклотронной неустойчивости быстрой необыкновенной волны, распространяющейся поперек магнитного поля ловушки.

2. Переход от генерации квазипериодических вспышек широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой к режиму квазиненрерывной генерации излучения с широким (до 20% от центральной частоты) спектром на начальной стадии ЭЦР разряда при постоянно действующей накачке энергии в горячую анизотропную фракцию электронов обусловлен плавным увеличением потерь быстрой необыкновенной волны с ростом концентрации плазмы.

3. Обнаруженные в экспериментах сложные временные структуры стимулированного электромагнитного излучения плазмы ЭЦР разряда - квазипериодические последовательности импульсов, последовательности парных импульсов, случайное следование импульсов - объясняются в рамках теоретической модели, учитывающей когерентного взаимодействия двух волн распространяющихся навстречу друг другу в нелинейном режиме.

4. Высыпания электронов из-за циклотронной неустойчивости разреженной плазмы обеспечивают быструю (по сравнению с потерями за счет кулоновских столкновений) релаксацию запасенной в горячей компоненте плазмы энергии. Энергичные электроны, вылетающие из плазмы, выносят до 65%, а электромагнитное циклотронное излучение около 1% энергии, запасенной в энергичной компоненте плазмы.

Достоверность

Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого служит хорошее качественное и количественное совпадение расчетов и экспериментально полученных различными методами результатов. Экспериментальные исследования проводились как с использованием апробированных методик, так и оригинальными методами, частично дублирующими друг друга. В исследованиях применялись падежные и хорошо апробированные методы численного расчета, позволяющие производить проверку правильности их работы на хорошо известных моделях. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих мировых и российских журналах, докладывались на российских и международных конференциях, обсуждались па семинарах ИПФ РАН.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на семинарах ИПФ РАН, XIV и XV Конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН, а также на 13

международных и российских научных конференциях (в том числе лично автором - на 9): 12th International Workshop on the Interrelationship between Plasma Experiments in Laboratory and Space (Hakuba, Japan, 2013), European Planetary Science Congress (London, United Kingdom, 2013), 40th European Physical Society Conference on Plasma Physics (Espoo, Finland, 2013), 22nd International Crimean Conference "Microwave and Telecommunication Technology" (Sevastopol, Ukraine, 2012), International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Alushta, Ukraine, 2012), 8th International Workshop "Strong Microwaves and Terahertz Waves: Sources and Applications" (Нижний Новгород, 2011), VI, VII и VIII конференциях "Физика плазмы в солнечной системе" (Москва, 2011, 2012, 2013), XVI Научной школе "Нелинейные волны - 2012" (Нижний Новгород, 2012), Международной байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике "Физические процессы в космосе и околоземной среде" (Иркутск, 2011), 16-й и 17-й Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2011, 2012).

Проведенные исследования были поддержаны стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки rio приоритетным направлениям модернизации российской экономики в 2013-2015 гг., грантами для целевых аспирантов ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (Гос. контракт 14.740.11.1333, Гос. соглашение 14.132.21.1438), грантом для аспирантов и молодых ученых без степени Фонда некоммерческих программ "Династия" в 2013 г., стипендией Правительства Нижегородской области им. академика Г.А. Разуваева в 2011 г., отмечены дипломами I степепи на 16 -й Нижегородской сессии молодых ученых и XII Конференции молодых ученых "Взаимодействие полей и излучения с веществом" (Иркутск, 2011), поощрительным дипломом XV Конкурса работ молодых ученых ИПФ РАН.

Результаты исследований также использовались при выполнении работ по грантам РФФИ (09-02-00822 а, 10-02-00441 а, 10-02-00646 а, 12-02-31206 мол_а, 13-02-00951 а), по гранту Президента РФ МК-7563.2010.2.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 20 печатных работах, из них 5 статей в рецензируемых журналах [А1-А5], 8 статей в сборниках трудов конференций и 7 тезисов докладов.

Личный вклад автора

Автор принимал участие в постановке задач и определении направле-

ний исследований. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все результаты оригинальных исследований, представленные в главах 1-3, получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором проведена обработка и физическая интерпретация всех представленных в работе экспериментальных измерений, а также их сопоставление с теоретическими результатами.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 137 страниц, включая 45 рисунков. Библиография включает 106 наименований, в том числе работы автора.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава диссертации посвящена описанию стенда, используемого в экспериментах по исследованию циклотронных неустойчивостей силыюнеравновесной плазмы ЭЦР разряда в магнитной ловушке, описанию особенностей проведения экспериментальных исследований неустойчивостей и оригинальных методов диагностики.

Экспериментальные исследования электронно-циклотронной неустойчивости проводились в неравновесной плазме разряда, поддерживаемого при низких давления газа (10_6 Ю-4 Topp) в открытой аксиально-симметричной магнитной ловушке (максимальная напряженность магнитного поля 4.3 Тл, пробочное соотношение 4-6) мощным миллиметровым излучением гиротропа (частота 37.5 ГГц, мощность 80 кВт, длительность импульса 1 мс) в условиях ЭЦР на основной гармонике гирочастоты.

Использование ЭЦР нагрева позволяет создавать неравновесную плазму с двумя фракциями электронов: холодной с высокой плотностью и изотропным распределением электронов но скоростям и горячей с меньшей плотностью и анизотропным распределением по скоростям. Плотность фоновой плазмы, которая образуется за счет иошгаации поступающего в ловушку нейтрального газа, можно регулировать, изменяя скорость его поступления в ловушку. Поглощение энергии подцерживаю-

щего разряд излучения в условиях электронно-циклотронного резонанса обеспечивает передачу энергии излучения в поперечную по отношению к магнитному полю энергию движения электронов. В экспериментах зона электронно-циклотронного резонанса занимает промежуточное положение между максимальным значением напряженности магнитного поля в пробке магнитной ловушки и минимальным — в центральном сечением ловушки. Затем, по мере движения электронов к центру ловушки, в соответствии с первым адиабатическим инвариантом, часть полученной электронами кинетической энергии поперечного движения переходит в продольную. Таким образом, меняя ток в магнитных катушках, можно менять положение зоны ЭЦР и, следовательно, зоны энерговыделения. При этом изменяется и функция распределения горячих электронов по скоростям.

Использование ЭЦР разряда открывает большие перспективы экспериментального исследования взаимодействия волн и частиц в условиях электрошю-циклотроиного резонанса в широком диапазоне условий в плазме с регулируемой степенью неравновесности при различных плотностях фоновой плазмы, в том числе и в условиях, близких к реализующимся в плазме космических магнитных ловушек в магнитосферах Земли и планет, в корональных вспышках на Солнце.

Для исследования электронно-циклотронных неустойчивостей плазмы использовались специально разработанные оригинальные методы диагностики. Большое внимание в работе уделено исследованию электродинамических характеристик: измерению абсолютного значения интенсивности и спектрального состава собственного излучения плазмы на частотах, соответствующим электронно-циклотронным частотам в диапазоне от 10 до 47 ГГц. Для этого в работе использовались два подхода: детектирование электромагнитного излучения на частотах от 10 до 47 ГГц с помощью набора абсолютно калиброванных полупроводниковых детекторов с волноводными фильтрами ("параллельный" спектральный анализ) и прямые измерения осцилляций электрического поля в электромагнитной волне частотой до 20 ГГц с помощью антенны, сигнал с которой подавался на вход широкополосного осциллографа Tektronix MSO 72004С (полоса пропускания аналогового канала 20 ГГц, максимальное временное разрешение 10 пс). Характерные осциллограммы электрического поля собственного излучения плазмы приведены на рисунке 1.

Для измерения быстрых короткоимпульсных выбросов плазмы из магнитной ловушки с целыо оценить энергию, выносимую из плазмы энергичными электронами в процессе развития неустойчивости, использовался диамагнитный зонд. В качестве детекторов электронов использовался

МО 400 410 470 4)0 440 450 <60 4ГО 4» 49Э 400. ><« «О «О МО ЬЮ 5Ю ¡ТО МО

422 4» 424 42» Й» - 427 42в 42« 4*

'—I—1—1—1—!—1—1 1 | 1 у -г. 1 1 1 1 1 1 I 1 I 1 | Т-. 1.................:

-.1.1.1.1 .^-кт Г ~ н 1 _] . 1 1.1 1 .

422 9705 422*71 422 6715 422 972 422 0726 422*75 422 *734 422)74 422*745

Рис. 1. Характерные осциллограммы электрического поля собственного излучения плазмы с различным временным разрешением. Па нижней панели представлена осциллограмма с наилучшим временным разрешением, которая представляет собой биения в результате сложения двух волн с частотами 15.6 ГГц и 16.6 ГГц. Осциллограммы записаны с использованием широкополосной рупорной антенны с равномерной полосой пропускания в диапазоне от 2 до 20 ГГц и фильтра нижних частот с граничной частотой 18 ГГц.

набор абсолютно калиброванных кремниевых р4-п диодов (калибровка осуществлялась электронным пучком с известными характеристиками) и одиночный плоский электрический зонд. Эти методы позволили с временным разрешением на уровне 1 не изучать временные характеристики всплесков тока высыпающихся электронов. Другие параметры ЭЦР разряда, необходимые для определения порогов, условий и областей существования неустойчивостей, измерялись разработанными ранее методами.

Во второй главе описаны результаты экспериментального исследования электронно-циклотронных неустойчивостей разреженной плазмы ЭЦР разряда.

В разделе 2.1 обсуждаются особенности развития циклотронных неустойчивостей на различных стадиях ЭЦР разряда. Можно выделить три характерные стадии, отличающиеся параметрами плазмы, которые для сравнения приведены в таблице 1. На первой стадии, длительностью порядка 100 мке, концентрация плазмы невелика и энергии СВЧ излучения, поглощенной в плазме, хватает для нагрева электронов до релятивистских энергий [66]. На второй стадии, вплоть до конца импульса греющего излучения гиротрона, концентрация плазмы более чем на два порядка превосходит концентрацию на первой стадии. Начало третьей стадии определяется моментом выключения микроволнового излучения гиротрона, поддерживающего плотную плазму в ловушке, после чего плотная холодная плазма быстро распадается. При этом концентрация горячей компоненты уменьшается медленнее и через некоторое время становится сравнимой с концентрацией распадающейся холодной плазмы.

На всех трех стадиях в сильнонеравновесной плазме ЭЦР разряда в результате взаимодействия энергичных электронов с электромагнитными волнами возможно развитие циклотронных неустойчивостей. Для эффективной генерации волн необходимо наличие фракции неравновесных частиц в функции распределения и выполнение условия электронно-циклотронного резонанса

(1)

где ш - частота электромагнитной волны, шсе = еВ/тс - нерелятивистская электронная гирочастота, Агц - продольная относительно внешнего магнитного поля В компонента волнового вектора волны, «ц - продольная компонента скорости резонансного электрона, п - порядок резонанса, 7 = (1 — /З2)-1/2 — релятивистский фактор, /3 = у/с. При выполнении резонансного условия (1) неустойчивыми являются эллиптически поляризованные моды, у которых направление вращения вектора электрического поля совпадает с направлением вращения электронов в магнитном поле

Таблица 1. Параметры плазмы на трех стадиях ЭЦР разряда

Параметры Начальная стадия Стадия развитого разряда Распадающаяся плазма

концентрация ЛЬ ~ 1011 см~а, ~ 10" см-4, Ис ~ 1013 см-3, А^ < ЛГС Nh ~ 10ucm-j, Nh~Nc

температура Тн< 300 кэВ Тн < 100кэВ, Тс ~ 300эВ Th < 100 кэВ, Тс<1эВ

шре/шсе Шре/Шее 1 Шре/Шсе > 1 Шре/Шсе < 1

неустойчивая мода быстрая необыкновенная волна свистовые волны быстрая необыкновенная волна

направление распространения излучения квазипоперечное квазипродольное квазипоперечное

ловушки. В холодной замагпичениой плазме это условие выполняется при ЮрС < со для необыкновенных волн (шре - плазменная частота колебаний электронов фоновой плазмы).

Диссертационная работа посвящена исследованиям циклотронных неустойчивостей в разреженной плазме, поэтому в изложении остановимся на рассмотрении циклотронных неустойчивостей на начальной стадии ЭЦР разряда и в распадающейся плазме, где выполняется условие шре -С шсе. Как уже отмечалось, на второй стадии разряда в плотной плазме развитие циклотронных неустойчивостей обусловлено резонансным взаимодействием электронов с электромагнитными волнами свистового диапазона частот [46, 55].

Области, где реализуется сильнонеравиовеспая разреженная плазма, значительно отличаются параметрами плазмы и функцией распределения частиц по энергиям: на начальной стадии разряда концентрация горячих частиц {Nh) превосходит концентрацию холодных (Nc), а в распадающейся плазме Nh ~ Nc- Кроме того, на начальной стадии разряда неустойчивость развивается в условиях постоянно действующей сильной накачки эиергии излучением гиротропа, а в распадающейся плазме (когда накачка выключена) источником свободной энергии для развития неустойчивости является энергия, запасенная в быстрых электронах.

В разделе 2.2 обсуждаются экспериментальные данные, свидетель-

ствующие о развитии электронно-циклотронных неустойчивостей на первой стадии ЭЦР разряда в условиях интенсивной накачки энергии в анизотропную фракцию энергичных электронов.

На данной стадии развития разряда были обнаружены всплески микроволнового излучения плазмы. Осциллограммы, записанные с временным разрешением до 10 пс, позволили исследовать быстрое изменение во времени спектра электромагнитного излучения. Для каждой осциллограммы вычислялся динамический спектр при помощи оконного преобразования Фурье с окном типа Хэмминга. В экспериментах наряду со всплесками СВЧ излучения были исследованы соответствующие синхронные кратковременные выбросы энергичных электронов из ловушки в виде квазипериодических импульсов с характерным периодом единицы микросекунд.

На рисунке 2 хорошо видны два различных режима развития неустойчивости. Сначала наблюдаются квазипериодические короткие высыпания электронов из ловушки и синхронные с ними всплески широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой (см. рисунок 2в). Затем происходит изменение вида регистрируемых сигналов: ток высыпающихся электронов становится более плавным и теряет строго периодическую структуру, а спектр излучения представляет собой квазиравномерно заполненную полосу частот с шириной несколько гигагерц. Смена режимов развития неустойчивости происходит сравнительно быстро, за время около Юмкс. Отметим, что нижняя частотная граница спектра электромагнитного излучения соответствует увеличивающейся во времени электронной гирочастоте в центре магнитной ловушки, где магнитное поле минимально.

Частотный интервал, в котором наблюдается излучение, свидетельствует о том, что развивается циклотронная неустойчивость быстрой необыкновенной волны, распространяющейся под углом к магнитному полю. Это, в свою очередь, позволяет судить о характерной энергии быстрых электронов. Действительно, наиболее выгодные условия возбуждения циклотронных неустойчивостей реализуются в том случае, если резонансная кривая целиком лежит в области потерь в пространстве скоростей и при этом касается конуса потерь [23]. В приближении однородной плазмы данные условия определяются как

Ь> ~ *||1>|| — ^сеч/1 - у2/С2 = О, у±/У = \/ВтЫ/Втйх,

где г>ц и у± - компоненты скорости электрона и вдоль и поперек магнитного поля, Вт1„/Втах ~ отношение минимального и максимального

25000

20000

Рис. 2. Динамический спектр собственного излучения плазмы на начальной стадии разряда (панели (а) и (в)) и соответствующая осциллограмма сигнала с детектора электронов (панель (б)). На рисунке 2а приведена общая осциллограмма, а на рисунке 2в - отдельно взятый временной интервал с большим разрешением. Белая сплошная линия на динамических спектрах - значение электронной гнрочастоты а»„/2тг в центре ловушки. На рисунке 2г приведен пример моделирования динамики неустойчивости для данного эксперимента, где показано изменение во времени интенсивности микроволнэвого излучения плазмы. Горизонтальная линия па рисунке 2г соответствует чувствительности детектора микроволнового излучения (детектор регистрирует сигнал только выше некоторого уровня).

магнитного поля вдоль силовой линии, определяющее конус потерь в пространстве скоростей, с - скорость света в вакууме. Первоз условие в (2) совпадает с (1) для п = 1, а второе выражение определяет угол конуса потерь ого = arcsin y/IÏ,nin/Втлх.

Условие (2) позволяет связать кинетическую энергию излучающего электрона (определяемую в точке касании резонансной кривой и конуса потерь) с частотой излучеиин:

К = тс2 (7 - 1) = vu? (ы/ысе - 1). (3)

Наличие верхней границы частот, при которых наблюдается излучение, позволяет оценить максимальную энергию быстрых электронов. В эксперименте Wmax/Wce ~ 1.6. Откуда получаем, что на начальной стадии разряда электроны ускорены до 300 кэВ, что находится в удовлетворительном согласии с ранее опубликованными данными но измерению функции распределения электронов но энергиям на данной установке |66].

Раздел 2.3 диссертации посвящен исследованиям электронно-циклотронной неустойчивости на стадии распада плазмы в отсутствие излучения накачки.

Пример динамического спектра регистрируемых всплесков электромагнитного излучения на стадии распада плазмы приведен на рисунке 3. Импульсы электромагнитного излучении в направлении перпендикулярном магнитному полю ловушки наблюдались синхронно со всилесками высыпаний энергичных электронов спустя 0.3-0.8 мс после выключения ЭЦР нагрева. Частота импульсов излучения значительно препосходит величину гирочастоты электронов в центре ловушки, но меньше удвоенной гирочастоты электронов в центре и частоты ЭЦР нагрева плазмы 37.5 ГГц. Показано, что область генерации волн в результате резонансного взаимодействия с энергичным» электронами на основной гармонике гирочастоты расно л шлется между областью ЭЦР нагрева и центром ловушки.

В этом же разделе описаны исследования энергетических характеристик всиышечной активности плазмы. Для концентрации горячей компоненты плазмы 101осм~3 и температуры ЮкэВ энергия, запасенная в ней в объеме 103 см3, равна 16мДж. В результате неустойчивости, согласно измерениям диамагнитным зондом и p-i-н диодами, высыпающимися энергичными электронами за одну вспышку выносится 1 6 мДж, что составляет 10% энергии, запасенной в горячей компоненте. Как показывают измерения мощности микроволнового излучения плазмы полупроводниковыми детекторами с полноводными фильтрами, на генерацию электромагнитного излучения тратится от 50 до 200мкДж, т.е. менее 1% запасенной

..»Ч

Рис. 3. Пример динамического спектра регистрируемых всплесков электромагнитного излучения на стадии распада плазмы. Сверху и на панели (а) показан ток высыпающихся из ловушки электронов, (6) осциллограмма электрического поля электромагнитной волны, регистрируемой приемной антенной, (в) динамический спектр сигнала на панели (6). Белая сплошная линия на динамических спектрах - удвоенное значение электронной гирочастоты и)с*/2ж в центре ловушки.

энергии. За все время распада регистрируется 5-7 вспышек циклотронной неустойчивости, уносящих до 2/3 начальной энергии, запасенной в горячей компоненте плазмы. Таким образом, циклотронная неустойчивость играет важную роль в энергетическом балансе распадающейся плазмы, предоставляя более быстрый канал потерь, по сравнению с потерями за счет кулоновских столкновений, обеспечивая поток частиц через пробки в открытых магнитных ловушках.

При экспериментальном исследовании динамики циклотронной неустойчивости на стадии распада плазмы удалось обнаружить сложные временные последовательности всплесков высыпаний энергичных электронов из магнитной ловушки. Все записанные временные серии можно условно разделить на три группы: квазипериодические структуры, не периодические структуры и структуры, где всплески объединяются в периодические пары, чаще всего с убывающей амплитудой. Важной особенностью обнаруженных режимов является то, что при одних и тех же условиях эксперимента наблюдаются разные временные структуры. Теоретическое описание формирования данных временных структур дано в главе 3.

Результаты второй главы опубликованы в работах [А2, А4, А5].

Третья глава диссертации посвящена теоретическому моделированию вспышечной активности разреженной плазмы ЭЦР разряда

В разделе 3.1 описан новый нелинейный режим развития циклотронной неустойчивости в неравновесной распадающейся плазме ЭЦР разряда. Этот режим характеризуется самомодуляцией циклотронного излучения плазмы за счет когерентной интерференции двух встречных неустойчивых волн с равными частотами, приводящей к пространственной модуляции коэффициента усиления воли.

Взаимодействие резонансных электронов с экспоненциально растущей на линейной стадии электромагнитной волной приводит к уменьшению их поперечной энергии, в результате часть горячих электронов попадает в конус потерь и выносится из ловушки. Эти потери приводят к уменьшению инкремента неустойчивости и, в конечном итоге, к ограничению роста плотности электромагнитной энергии в системе. Совместная эволюция концентрации горячих электронов N и плотности электромагнитной энергии Е, соответствующей рабочей моде, может быть приближенно описана в рамках системы балансных уравнений:

= (7 - и) Е, 7 = ИЯ. 20

Первое уравнение описывает накопление и индуцированные высокочастотным полем потери горячих электронов, остальные каналы потерь мы не учитываем. Второе уравнение описывает рост пли затухание поля в зависимости от соотношения между инкрементом 7 и декрементом V в правой части. Коэффициенты к и к определяют потери горячих частиц и усредненный по линии усиления инкремент соответственно.

В рассматриваемом случае (4) затухание обусловлено столкновениями горячих электронов с фоновой плазмой, поэтому у{£) предполагается известной функцией, монотонно убывающей в течение распада плазмы после выключения ЭЦР пагрева. Эта деталь является ответственной за функционирование циклотронного мазера в отсутствие прямой накачки энергия СВЧ излучением гиротрона.

Разработана теоретическая модель, позволяющая воспроизводить сложные временные структуры в квазипериодических сигналах регистрируемого экспериментально во время лабораторного моделирования электромагнитного излучения. Процесс случайного перехода между различными нелинейными режимами электронно-циклотронной неустойчивости может быть объяснен как результат самомодуляции плазменного циклотронного мазера вследствие когерентного взаимодействия двух неустойчивых волн с вырожденной частотой.

Отличительной чертой этой модели является ее чувствительность к слабым изменениям начальных условий в рамках диапазона параметров, соответствующим экспериментальным. В частности, совершенно различные временные структуры могут быть получены для очень мало отличающихся начальных амплитуд встречных воли в то время, как остальные параметры системы остаются неизменными (см. рисунок 4). Отметим, что случайный разброс в распределении начальных амплитуд является естественным, т.к. они равны величине тепловых шумов. Однажды возбудившись, обе моды конкурируют между собой за одни и те же ресурсы, а именно за свободную энергию, запасенную в горячих электронах плазмы. Таким образом, одна мода обычно доминирует над другой. В итоге имеется достаточно сложная динамика развития неустойчивости, что и наблюдается в экспериментах.

Результаты, изложенные в данном разделе, опубликованы в работах [А1, АЗ].

В разделе 3.2 на основе системы балансных уравнений для концентрации частиц и плотности энергии электромагнитного излучения с источником частиц произведен анализ полученных экспериментальных данных по измерению динамических спектров излучения плазмы на начальной стадии ЭЦР разряда.

уу -рг

!*« 01 II I 01 2

,*М 01Л I 0» 7

>066

А А А А Ал^А—.

«>>«.» I «а • 0.«

ИЦЁИм А.

поггял! I х«|1 11»о

погмИхк! 11л»

Ю1н11|«1 иве

Рис. 4. Сверху: осциллограммы сигналов с р-1-п диода, измеряющего ток высыпающихся из магнитной ловушки энергичных электронов после выключения ЭЦР нагрева. Снизу: ток высыпающихся из лопушки электронов <1п/ск для различных значений 6а - отношения начальных амплитуд двух конкурирующих мод. Показаны три характерных режима развития неустойчивости: (слева) квазипериодический, (в центре) случайные всплески и (справа) двойные всплески. На нижних панелях время нормировано на начальный инкремент уп-

Развитие неустойчивости на начальной стадии разряда можно описать на основе модели (4), модифицировав ее, добавив накопление ЧАСТИЦ за счет внешнего источника:

' = J- кЕЫ, Гг »

Те (5)

^ = (7 -*)ЕЪ -у = АЛГ.

Эта система описывает классический режим релаксационных колебаний генерации излучения и мазерных системах.

Пример моделирования динамики неустойчивости для описанного выше эксперимента (см. раздел 2.2) приведен на рисунке 2г, где показано изменение во времени интенсивности микроволновое излучения плазмы. Горизонтальная линия на рисунке соответствует чувствительности детектора микроволнового излучения (детектор регистрирует сигнал только выше некоторого уровня). Таким образом, полученные результаты качественно описывают наблюдаемые экспериментальные данные: переход от

периодических всплесков излучения к квазинепрерывной генерации (см. рисунок 2а и 2г).

Существование двух обнаруженных режимов генерации излучения на данной стадии разряда и плавный переход между ними связан с увеличивающейся во времени концентрации фоновой плазмы и, как следствие, увеличением коэффициента затухания генерируемой электромагнитной волны.

Результаты данного раздела опубликованы в работе [А5].

В Заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты, полученные в диссертации

1. Разработаны методика измерений, программное обеспечение и комплекс диагаостической аппаратуры для исследования абсолютной интенсивности, спектрального состава и временных характеристик собственного электромагнитного излучения неравновесной плазмы. Исследованы динамический спектр и энергетические характеристики вспышек электромагнитного излучения разреженной плазмы ЭДР разряда в прямой магнитной ловушке. Показано, что генерация квазипериодических импульсов электромагнитного излучения и синхронных с ними выбросов из ловушки энергичных электронов может быть связана с возникновением электронно-циклотронной неустойчивости быстрой необыкновенной волны, распространяющейся поперек магнитного поля ловушки.

2. На начальной стадии ЭЦР разряда при постоянно действующей накачке энергии в горячую анизотропную фракцию электронов обнаружены два качественно различных режима неустойчивости: квазипериодические вспышки широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой и квазинепрерывная генерация излучения с широким (до 20% от центральной частоты) спектром. Показано, что переход от генерации квазипериодических последовательностей импульсов к квазистационарному излучению происходит за счет плавного увеличения коэффициента затухания быстрой необыкновенной волны с ростом концентрации плазмы.

3. Показано, что высыпания электронов из-за циклотронной неустойчивости разреженной плазмы обеспечивают быструю (по сравнению с потерями за счет кулоновских столкновений) релаксацию запасенной в горячей компоненте плазмы энергии.

4. Предложена теоретическая модель циклотронной неустойчивости, объясняющая сложные временные структуры стимулированного электромагнитного излучения, генерируемого в зеркальной магнитной ловушке,

заполненной неравновесной плазмой ЭЦР разряда. Для режима характерна самомодуляция излучения за счет когерентного взаимодействия двух распространяющихся навстречу друг другу мод, что приводит к пространственной модуляции концентрации электронов и, как следствие, к различным временным масштабам квазипериодических вспышек электромагнитного излучения и высыпающихся энергичных электронов.

Цитированная литература

1. Трахтенгерц В. Ю. О механизме генерации электромагнитного ультранизкочастотного излучения во внешнем радиационном поясе Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1963. Т. 3, № 3. С. 442-451.

2. Zarka P. Auroral radio emissions at the outer planets: Observations and theories // Journal of Geophysical Research: Planets. 1998. Vol. 103, no. E9. P. 20159-20194.

3. Бесналов П. А., Трахтенгерц В. Ю. Альфвеновские мазеры. Горький: ИПФ АН СССР, 1986.

4. Трахтенгерц В. Ю., Райкрофт М. Д. Свистовые и альвеновские циклотронные мазеры в космосе. М.: Физматлит, 2011.

5. Melrose D. В. Instabilities in space and laboratory plasmas. New York: Cambridge University Press, 1986.

6. Thorne R. M. Radiation belt dynamics: The importance of wave-particle interactions // Geophysical Research Letters. 2010. Vol. 37, no. 22. P. L22107.

7. Helliwell R. A. Whistlers and related ionospheric phenomena. Stanford Calif.: Stanford University Press, 1965.

8. Bespalov P. A., Parrot M., Manninen J. Short-period VLF emissions as solitary envelope waves in a magnetospheric plasma mascr // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2010. Vol. 72, no. 17. P. 1275-1281.

9. Manninen J., Kleimenova N. G., Kozyreva О. V. et al. Non-typical ground-based quasi-periodic VLF emissions observed at L~5.3 under quiet geomagnetic conditions at night // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2013. Vol. 99. P. 123-128.

10. Bespalov P. A. Self-excitation of periodic cyclotron instability regimes in a plasma magnetic trap 11 Physica Scripta. 1982. Vol. 1982, no. T2B. P. 576.

11. Беспалов П. А. Некоторые новые возможности диагностики магнитосферы по характеристикам свистовых излучений // Геомагнетизм и аэрономия. 2011. Т. 51, № 2. С. 229-236.

12. Бенедиктов Е. А., Гетманцев Г. Г., Митяков Н. А. и др. Результаты измерений интенсивности радиоизлучения на частотах 725 и 1525 кГц при помощи аппаратуры, установленной на спутнике Элек-трон-2 // Исследования космического пространства. М.: Наука, 1965. С. 581-606.

13. Gurnett D. A. The Earth as a radio source: Terrestrial kilometric radiation // Journal of Geophysical Research. 1974. Vol. 79, no. 28. P. 4227-4238.

14. Wu C. S., Lee L. C. A theory of the terrestrial kilometric radiation // The Astrophysical Journal. 1979. Vol. 230. P. 621-626.

15. Kennel C. F., Chen R. F., Moses S. L. et al. Z mode radiation in Jupiter's magnetosphere // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 1987. Vol. 92, no. A9. P. 9978-9996.

16. Menietti J. D., Shprits Y. Y., Home R. B. et al. Chorus, ECH, and Z mode emissions observed at Jupiter and Saturn and possible electron acceleration // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2012. Vol. 117, no. A12. P. A12214.

17. Panchenko M., Rucker H. O., Farrell W. M. Periodic bursts of Jovian non-Io decametric radio emission // Planetary and Space Science. 2013. Vol. 77. P. 3-11.

18. Gurnett D. A., Kurth W. S., Scarf F. L. Narrowband electromagnetic emissions from Saturn's magnetosphere// Nature. 1981. Vol. 292. P. 733-737.

19. Ye S.-Y., Menietti J. D., Fischer G. et al. Z mode waves as the source of Saturn narrowband radio emissions // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2010. Vol. 115, no. A8. P. A08228.

20. Menietti J. D., Wong H. K., Wah D. A., Lin C. S. Source region of the smooth high-frequency nightside Uranus kilometric radiation: A ray-tracing study // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 1990. Vol. 95, no. Al. P. 51-60.

21. Herbert F. Aurora and magnetic field of Uranus // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2009. Vol. 114, no. All. P. A11206.

22. Menietti J. D., Curran D. B. Modeling of radio emissions from Neptune // Radio Science. 1995. Vol. 30, no. 5. P. 1613-1622.

23. Melrose D. B., Dulk G. A. Electron-cyclotron masers as the source of certain solar and stellar radio bursts // The Astrophysical Journal. 1982. Vol. 259. P. 844-858.

24. Kellett B., Bingham R., Cairns R., Tsikoudi V. Can late-type active stars be explained by a dipole magnetic trap? // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2002. Vol. 329, no. 1. P. 102-108.

25. Trigilio C., Leto P., Umana G. et al. Auroral radio emission from stars: the case of CU Virginis // The Astrophysical Journal Letters. 2011. Vol. 739, no. 1. P. L10.

26. Nichols J. D., Burleigh M. R., Casewell S. L. et al. Origin of electron cyclotron maser induced radio emissions at ultracool dwarfs: magnetosphere-ionosphere coupling currents // The Astrophysical Journal. 2012. Vol. 760, no. 1. P. 59.

27. Hanasz J., de Feraudy H., Schreiber R. et al. Wideband bursts of auroral kilometric radiation and their association with UV auroral bulges // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 2001. Vol. 106, no. A3. P. 3859-3871.

28. Asmussen J., J., Grotjohn T., Mak P., Perrin M. The design and application of electron cyclotron resonance discharges // Plasma Science, IEEE Transactions on. 1997. Vol. 25, no. 6. P. 1196-1221.

29. Matsuoka M., Ono K. Ion extraction from microwave plasma excited by ordinary and extraordinary waves and applications to the sputtering deposition // Journal of Vacuum Science and Technology A. 1991. Vol. 9, no. 3. P. 691-695.

30. Matsuda K., Tanjyo M. Ion sources for implantation application (invited) // Review of Scientific Instruments. 1996. Vol. 67, no. 3. P. 901-904.

31. Watanabe T., Yamamoto K., Tsuda O. et al. Synthesis of amorphous carbon films by plasma-based ion implantation using ECR plasma with a mirror field // Surface and Coatings Technology. 2002. Vol. 156, no. 1-3. P. 317-321.

32. Dudnikov V. G. Review of high brightness ion sources for microlithogra-phy (invited) // Review of Scientific Instruments. 1996. Vol. 67, no. 3. P. 915-920.

33. Фортов В. E., Шарков Б. Ю., Штокер X. Научная программа в новом международном центре фундаментальной физики - Европейском центре антипротонных и ионных исследований FAIR // Успехи физических наук. 2012. Т. 182, № 6. С. 621-644.

34. Izotov I., Mansfeld D., Skalyga V. et al. Plasma instability in the afterglow of electron cyclotron resonance discharge sustained in a mirror trap // Physics of Plasma. 2012. Vol. 19, no. 12. P. 122501.

35. Ard W. В., Dandl R. A., Stetson R. F. Observations of instabilities in electron-cyclotron plasmas // Physics of Fluids. 1966. Vol. 9, no. 8. P. 1498-1503.

36. Alikaev V. V., Glagolev V. M., Morozov S. A. Anisotropic instability in a hot electron plasma, contained in an adiabatic trap // Plasma Physics. 1968. Vol. 10, no. 8. P. 753-774.

37. Booske J. H., Getty W. D., Gilgenbach R. M., Jong R. A. Experiments on whistler mode electron-cyclotron resonance plasma startup and heating in an axisymmetric magnetic mirror // Physics of Fluids. 1985. Vol. 28, no. 10. P. 3116-3126.

38. Гапоиов-Грехов А. В., Глаголев В. М., Трахтенгерц В. Ю. Мазер на циклотронном резонансе с фоновой плазмой // ЖЭТФ. 1981. Т. 80, № 6. С. 2198-2209.

39. Демехов А. Г., Трахтенгерц В. Ю. Некоторые вопросы динамики излучения в плазменных магнитных ловушках // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т. 29, № 9. С. 1117-1128.

40. Шайхисламов И. Ф., Антонов В. М., Бояринцев Э. JI. и др. Измерение трансполярного потенциала в лабораторной магнитосфере // Космические исследования. 2012. Т. 50, № 6. С. 441-451.

41. Antonov V. М., Boyarinsev Е. L., Boyko A. A. et al. Inflation of a dipole field in laboratory experiments: Toward an understanding of magnetodisk formation in the magnetosphere of a hot Jupiter // The Astrophysical Journal. 2013. Vol. 769, no. 1. P. 28.

42. Shaikhislamov I. F., Antonov V. M., Zakharov Y. P. et al. Mini-magnetosphere: Laboratory experiment, physical model and Hall MHD simulation // Advances in Space Research. 2013. Vol. 52, no. 3. P. 422-436.

43. Франк А. Г. Динамика токовых слоёв как основа всиышечных явлений в замагииченной плазме // Успехи физических наук. 2010. Т. 180, № 9. С. 982-988.

44. Франк А. Г., Сатунин С. Н. Эволюция структуры электрических токов и электродинамических сил в токовых слоях // Физика плазмы. 2011. Т. 37, № 10. С. 889-908.

45. Марков Г. А., Белов А. С. Демонстрация нелинейных волновых явлений в плазме лабораторной модели ионосферно-магнитосферного дакта плотности // Успехи физических наук. 2010. Т. 180, № 7. С. 735-744.

46. Водопьянов А. В., Голубев С. В., Демехов А. Г. и др. Лабораторное моделирование нестационарных процессов в космических циклотронных мазерах: первые результаты и перспективы // Физика плазмы. 2005. Т. 31, № 11. С. 1-12.

47. Gushchin М. Е., Korobkov S. V., Kostrov А. V. et al. Whistler waves in plasmas with time-varying magnetic field: Laboratory investigation // Advances in Space Research. 2008. Vol. 42, no. 5. P. 979-986.

48. Айдакина H. А., Гущин M. E., Зудии И. Ю. и др. Квазистационарное магнитное поле, возбуждаемое в плазме радиоимпульсом свистового диапазона частот // Письма в ЖЭТФ. 2011. Т. 93, № 9. С. 555-560.

49. Bingham R., Speirs D., Kellett В. et al. Laboratory astrophysics: Investigation of planetary and astrophysical maser emission // Space Science Reviews. 2013. P. 1-19.

50. Pritchett P. L., Strangeway R. J., Carlson C. W. et al. Free energy sources and frequency bandwidth for the auroral kilometric radiation // Journal of Geophysical Research: Space Physics. 1999. Vol. 104, no. A5. P. 10317-10326.

51. McConville S. L., Koepke M. E., Gillespie К. M. et al. Characterization of a Penning discharge for investigation of auroral radio wave generation mechanisms // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2011. Vol. 53, no. 12. P. 124020.

52. Шалашов А. Г., Водопьянов А. В., Голубев С. В. и др. Мазер на циклотронном резонансе в распадающейся плазме // Письма в ЖЭТФ. 2006. Т. 84, № 6. С. 375-380.

53. Водопьянов А. В., Голубев С. В., Демехов А. Г. и др. Наблюдение импульсных высыпаний быстрых электронов и циклотронный механизм генерации вспышечной активности в распадающейся плазме ЭЦР-раз-ряда // ЖЭТФ. 2007. Т. 131, № 2. С. 330-342.

54. Golubev S. V., Shalashov A. G. Cyclotron-resonance maser driven by magnetic compression of rarefied plasma // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, no. 20. P. 205002.

55. Мансфельд Д. А. Экспериментальное исследование особенностей циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке: Кандидатская диссертация / Институт прикладной физики РАН. 2007.

56. Dendy R. О. Interpretation of ion cyclotron emission from fusion and space plasmas // Plasma Physics and Controlled Fusion. 1994. Vol. 36, no. 12В. P. B163-B172.

57. Cook J. W. S., Dendy R. O., Chapman S. C. Particle-in-cell simulations of the magnetoacoustic cyclotron instability of fusion-born alpha-particles in tokarnak plasmas // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2013. Vol. 55, no. 6. P. 065003.

58. Shalashov A. G., Suvorov E. V., Lubyako L. V. et al. NBI-driven ion cyclotron instabilities at the W7-AS stellarator // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2003. Vol. 45, no. 4. P. 395-412.

59. Noda K., Furukawa Т., Fujiinoto T. et al. Recent progress on new treatment research project at HIMAC // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2011. Vol. 269, no. 24. P. 2924-2927.

60. Gumberidze A., SPARC. Atomic physics at the future Facility for Antiproton and Ion Research: a status report // Physica Scripta. 2013. Vol. 2013, no. T156. P. 014084.

61. Edgecock T. R., Caretta O., Davenne T. et al. High intensity neutrino oscillation facilities in Europe // Phys. Rev. ST Accel. Beams. 2013. Vol. 16, no. 2. P. 021002.

62. Tarvainen О., Ropponen Т., Toivanen V. et al. Diagnostics of plasma decay and afterglow transient of an electron cyclotron resonance ion source // Plasma Sources Science and Technology. 2010. Vol. 19, no. 4. P. 045027.

63. Жильцов В. А., Куянов А. Ю., Сковорода А. А., Тимофеев А. В. Особенности удержания горячих электронов в открытой ловушке Огра-4 при ЭЦРН с продольным вводом микроволновой мощности // Физика плазмы. 1994. Т. 20, № 3. С. 267-277.

64. Голубев С. В., Семенов В. Е., Суворов Е. В., Токман М. Д. Создание в ЭЦР разряде плазмы с ультрарелятивистской анизотропной электронной компонентой // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20, № 24. С. 82-86.

65. Сергейчев К. Ф., Карфидов Д. М., Лукина Н. А. ЭЦР-ускорение электронов СВЧ-полем до релятивистских энергий в зеркальной магнитной ловушке // Физика плазмы. 2007. Т. 33, № 6. С. 505-525.

66. Golubev S. V., Izotov I. V., Mansfeld D. A., Semenov V. E. Experimental electron energy distribution function investigation at initial stage of electron cyclotron resonance discharge // Review of Scientific Instruments. 2012. Vol. 83, no. 2. P. 02B504.

Список публикаций автора

Al. Shalashov A. G., Golubev S. V., Gospodchikov E. D. et al. Interpretation of complex patterns observed in the electron-cyclotron instability of a mirror confined plasma produced by an ECR discharge // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2012. Vol. 54, no. 8. P. 085023.

A2. Viktorov M. E., Golubev S. V., Mansfeld D. A. et al. Nonstationary generation of electromagnetic radiation in nonequilibrium mirror-confined plasma // Problems of atomic science and technology. Series: Plasma Physics. 2013. Vol. 83, no. 1. P. 108-110.

A3. Shalashov A. G., Golubev S. V., Gospodchikov E. D. et al. Generation of wideband electromagnetic radiation on a decay stage of a mirror confined plasma produced by ECR discharge // Problems of atomic science and technology. Series: Plasma Physics. 2013. Vol. 83, no. 1. P. 111-113.

A4. Викторов M. E., Водопьянов А. В., Голубев С. В. и др. Генерация вспышек электромагнитного излучения в плазменном циклотронном мазере // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 1. С. 13-21.

А5. Викторов М. Е., Голубев С. В., Господчиков Е. Д. и др. О механизме потерь энергичных электронов из открытой магнитной ловушки на начальной стадии ЭЦР-разряда // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, № 4. С. 240-253.

ВИКТОРОВ Михаил Евгеньевич

ИМПУЛЬСНЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОННО-ЦИКЛОТРОННОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПЛАЗМЫ В ОТКРЫТОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ

Автореферат

Подписано к печати 20.11.13 Формат 60x90 1/1в-Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз.. Заказ № 88 (2013).

Отпечатало в типографии Института прикладной физики РАН 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Викторов, Михаил Евгеньевич, Нижний Новгород

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук

На правах рукописи

04201454217

Викторов Михаил Евгеньевич

Импульсные режимы электронно-циклотронной неустойчивости плазмы в открытой магнитной ловушке

01.04.08 - физика плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель

д. ф.-м. н., проф.

Голубев Сергей Владимирович

Нижний Новгород - 2013

Содержание

Введение ................................. 3

Глава 1. Описание экспериментальной установки и методов диагностики ............................. 27

1.1. Описание экспериментального стенда............. 27

1.2. Методы диагностики ...................... 40

Глава 2. Экспериментальные результаты исследования циклотронной неустойчивости разреженной плазмы ЭЦР разряда ................................... 59

2.1. Особенности развития циклотронных неустойчивостей плазмы на разных стадиях ЭЦР разряда ............. 59

2.2. Циклотронная неустойчивость разреженной плазмы на начальной стадии ЭЦР разряда ................. 75

2.3. Циклотронная неустойчивость разреженной плазмы на стадии распада плазмы....................... 81

Глава 3. Теоретическое исследование импульсных режимов электронно-циклотронной неустойчивости разреженной плазмы .................................... 98

3.1. Исследование временных структур релаксационных колебаний при циклотронной неустойчивости распадающейся плазмы ЭЦР разряда......................... 98

3.2. Характерные режимы циклотронной неустойчивости на начальной стадии ЭЦР разряда ................. 115

Заключение................................ 122

Литература

124

Введение

Актуальность работы

с характерными периодами 0.1-1 с [4]. Появляется все больше работ, в которых обсуждаются новые экспериментальные данные по исследованию различных типов импульсных квазипериодических излучений с околоземных спутников [8, 9]. В этих работах большое внимание уделяется объяснению,

как временных особенностей регистрируемого излучения, так и анализу его частотного спектра. Успешный анализ тонкой структуры спектров КНЧ-ОНЧ излучения на основе теории циклотронных мазеров [3, 10] позволяет диагностировать недоступные для прямого измерения глобальные свойства магнитосферной плазмы [11]: степень анизотропии функции распределения захваченных частиц, концентрацию фоновой плазмы, мощность источника энергичных частиц, время жизни энергичных частиц в магнитной ловушке, режим питч-угловой диффузии при конкретных геофизических условиях, частотную зависимость добротности магнитосферного резонатора и некоторые другие.

Другой тип циклотронных неустойчивостей реализуется в достаточно разреженной плазме при плотности энергичной компоненты сравнимой или превышающей плотность холодных электронов [5]. Именно в таких условиях генерируются всплески аврорального километрового радиоизлучения (АКР) Земли в диапазоне частот от 50 до 600 кГц, которое является самым мощным естественным нетепловым излучением магнитосферы планеты [12, 13]. Предложенная в [14] электронно-циклотронная мазерная неустойчивость в настоящее время является общепризнанным механизмом, позволившим с единых позиций объяснить природу и основные свойства АКР, а также генерацию аврорального радиоизлучения в магнитосферах Юпитера [15-17], Сатурна [18, 19], Урана [20, 21] и Нептуна [22]. С функционированием данного типа циклотронного мазера связывают происхождение некоторых типов солнечных радио всплесков [23] и некоторых типов всплесков излучения звезд [24-26].

За последнее время теоретические и экспериментальные (спутниковые) исследования позволили, используя механизм циклотронной мазерной неустойчивости, объяснить многие свойства АКР, такие как: генерацию излучения в областях пониженной плотности на локальной гирочастоте электронов, высокую интенсивность излучения и ее связь с магнитосферными

суббурями, поляризацию излучения. Однако, несмотря на значительные успехи теории, все еще остаются открытыми вопросы как количественного, так и качественного характера в понимании свойств электромагнитного излучения в космических циклотронных мазерах и его взаимосвязи с глобальными процессами в магнитосфере Земли. Одним из актуальных вопросов в изучении АКР является проблема понимания природы и уточнения свойств тонкой структуры в спектре излучения [27].

Среди возможных практических приложений плазмы удерживаемой в магнитных ловушках отметим, прежде всего, разработку энергетических установок на основе термоядерного синтеза, в которых для нагрева плазмы и формировании тока увлечения используют методы электронно-циклотронного резонансного нагрева плазмы. В последнее время наблюдается быстрое развитие плазменных технологий современной микроэлектроники, связанных с использованием неравновесной плазмы разряда, поддерживаемого в магнитных ловушках мощным электромагнитным излучением в условиях ЭЦР, для обработки и модификации поверхностей полупроводниковых материалов [28], ионно-лучевой эпитаксии [29] и имплантации [30, 31], проекционной литографии высокого разрешения [32] и т.д. Широко используются такие разряды и в научных исследованиях, например, для создания источников интенсивных пучков многозарядных ионов для ускорителей тяжелых частиц [33], для разработки интенсивных источников электромагнитного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах. Во всех этих приложениях неустойчивости плазмы (в том числе и циклотронные) негативно влияют на работу плазменных установок. Например, в недавней работе [34] показано, что развитие электронно-циклотронной неустойчивости в плазме ЭЦР источника многозарядных ионов приводит к уменьшению заряда и тока экстрагируемых ионов.

Таким образом, можно утверждать, что исследование механизмов циклотронных неустойчивостей магнитоактивной плазмы является важной и

актуальной задачей, имеющей как фундаментальное, так и практическое значение.

Как уже отмечалось, экспериментальные исследования циклотронных неустойчивостей плазмы проводились как в природных магнитных ловушках - в магнитосфере Земли и планет, так и в лабораторных условиях. Причем, несмотря на различия в масштабах и параметрах плазмы эти исследования дополняют друг друга, поскольку физические механизмы, определяющие развитие неустойчивостей, похожи. Отметим, что натурные эксперименты, прежде всего спутниковые измерения, подвержены существенным ограничениям в силу локального характера измерений и сложности разделения пространственных и временных зависимостей, особенно существенных для нестационарных процессов. В связи с этим, особую актуальность приобретает моделирование подобных процессов и механизмов вспышечной активности плазмы в лабораторных магнитных ловушках. Ценность лабораторного моделирования обусловлена тем, что, во-первых, в лаборатории есть возможность управлять параметрами плазмы, а во-вторых, обеспечить многократную повторяемость результатов.

Первые исследования по изучению электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной плазмы в лабораторных открытых магнитных ловушках были проведены в [35-37], объяснения полученных результатов даны в [38, 39]. В настоящее время активно ведутся работы по лабораторному моделированию процессов, протекающих в магнитосфере Земли, планет и солнечных корональных петель. Можно отметить успехи научных групп, занимающихся исследованием образования токовых структур в магнитосфере Земли при обтекании ее потоками солнечного ветра [40-42], проводящих лабораторное моделирование нестационарной динамики токовых слоев и генерации радиовсплесков [43, 44], моделирующих процессы в ионо-сферно-магнитосферных дактах плотности [45]. Уже более десяти лет ведутся активные эксперименты по лабораторному моделированию явлений,

протекающих во внутренней магнитосфере Земли [46-48].

Наиболее близкими к данной работе являются исследования по целенаправленному моделированию аврорального излучения [49]. В используемом подходе моноэнергетический пучок электронов распространяется в увеличивающемся аксиально-симметричном магнитном поле, тем самым создается "подковообразная" функция распределения электронов по скоростям [50]. В результате возникает генерация импульсов микроволнового излучения, которую авторы отождествляют с процессом генерации аврорального излучения потоками энергичных электронов. Отметим, что в новой работе этих авторов [51] электронный пучок распространяется в фоновой плазме, которая создается с помощью разряда Пеннинга.

Фоновая плазма играет важную, порой даже определяющую, роль в процессе развития циклотронных неустойчивостей. В частности, для циклотронных неустойчивостей волн свистового диапазона частот фоновая плазма определяет дисперсионные характеристики волн, а ее границы могут служить зеркалами плазменного резонатора [3]. В случае разреженной плазмы фоновая плазма по-прежнему определяет дисперсию волн, а также потери энергии волн и, следовательно, порог возбуждения и динамические режимы неустойчивости [52-54].

Представленная диссертационная работа посвящена исследованию резонансного взаимодействия электромагнитных волн и частиц в сильнонеравновесной плазме ЭЦР разряда на начальной его стадии и в распадающейся плазме, когда плотности горячей и холодной компоненты сравнимы. Основное внимание в диссертационной работе уделено изучению импульсных процессов циклотронной неустойчивости. Данная работа является продолжением исследований, результаты которых опубликованы в [52, 53, 55]. В этих работах использовался импульсный разряд, поддерживаемый в открытой магнитной ловушке в условиях электронно-циклотронного резонанса. Впервые одиночные всплески тока электронов и электромагнитное излу-

чение в распадающейся плазме были зарегистрированы в [36]. Квазипериодические всплески импульсных высыпаний электронов на стадии распада плазмы впервые были обнаружены в работе [53]. Они были проинтерпретированы как результат резонансного взаимодействия энергичных электронов с необыкновенной волной, распространяющейся в разреженной плазме поперек магнитного поля. Механизм генерации последовательностей импульсных высыпаний частиц на нелинейной стадии развития неустойчивости удалось объяснить, рассмотрев новый режим работы циклотронного мазера, в котором превышение порога неустойчивости происходит за счет характерного для распада плазмы быстрого уменьшения потерь электромагнитной энергии [52]. Однако исчерпывающие исследования электромагнитной активности плазмы, в частности измерения спектрального состава и абсолютной интенсивности электромагнитных вспышек плазмы, проведены не были. Именно этим вопросам посвящена данная работа.

Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование импульсных режимов электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной разреженной плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого в открытых магнитных ловушках мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн, включая

2) определение энергетических характеристик вспышечной активности плазмы на основании измерений абсолютного значения интенсивности электромагнитного излучения и плотности энергии, выносимой из ловушки потоком энергичных электронов;

3) разработку теоретических моделей импульсных режимов развития

электронно-циклотронных неустойчивостей плазмы на основе балансных уравнений для концентрации частиц и плотности энергии электромагнитного излучения.

Научная новизна

2. На начальной стадии ЭЦР разряда при постоянно действующей накачке энергии в горячую анизотропную фракцию электронов впервые исследованы электронно-циклотронные неустойчивости плазмы, обнаружены два качественно различных режима генерации: квазипериодические вспышки широкополосного электромагнитного излучения в виде отдельных волновых пакетов с быстро растущей частотой и режим квазинепрерывной генерации излучения с широким (до 20% от центральной частоты) спектром.

4. Исследованы энергетические характеристики импульсного режима электронно-циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда, измерены абсолютные значения энергии электромагнитного излучения плазмы и поток энергии выносимой энергичными электронами, показано, что энергичные электроны, вылетающие из плазмы, выносят до 65%, а излучение выносит около 1% энергии, запасенной в энергичных компоненте плазмы.

Практическая значимость

Исследования циклотронных неустойчивостей неравновесной плазмы

проводятся также применительно к установкам по созданию управляемого термоядерного синтеза с целью улучшения параметров удержания плазмы и увеличения эффективности ее нагрева. В частности, ионно-циклотронное излучение дейтерий-тритиевой плазмы в токамаках имеет много общего с аналогичными процессами в описанных ранее космических циклотронных мазерах [56, 57]. В последнее время исследуется влияние ионно-циклотрон-ных неустойчивостей при инжекции пучков нейтральных атомов в стелла-раторах [58].

Необходимо также отметить интенсивные, в последние несколько лет, исследования влияния электронно-циклотронных неустойчивостей на качество пучков многозарядных ионов в источниках на основе ЭЦР нагрева, которые имеют большое количество приложений, например, в медицине [59] и физике высоких энергий [60, 61]. Так, в [34, 62] периодическое падение тока экстрагируемых из плазмы многозарядных ионов, сопровождающееся мощными всплесками тормозного рентгеновского излучения, удалось связать именно с развитием электронно-циклотронных неустойчивостей неравновесной разреженной плазмы.

Одной из интересных особенностей нагрева электронов микроволновым излучением в открытых магнитных ловушках в условиях ЭЦР является возможность получения электронов с релятивистскими и даже ультрарелятивистскими энергиями [37, 63-66]. В данной работе обсуждаются собственные неустойчивости такой плазмы и экспериментальные данные, свидетельствующие о существовании более эффективного механизма потерь энергичных электронов на начальном этапе возникновения ЭЦР разряда, связанного с рассеянием электронов в конус потерь, но не за счет взаимодействия с волной накачки, а за счет развития собственных циклотронных неустойчивостей сильнонеравновесной плазмы. Таким образом, обсуждается новый механизм потерь энергичных электронов, который может играть важную роль и в лабораторных, и в ко