Индуцированное рассеяние интенсивного электромагнитного СВЧ излучения в лабораторной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМ1Я НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

¡На правах рукописи

ИСАЕВ Владимир Александрович

ИНДУЦИРОВАННОЕ РАССЕЯНИЕ ИНТЕНСИВНОГО ЭЯЩР0!!АГШГГК0Г0 СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ 3 ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЕ

01.04. С8 - физика п химия плаз?«

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород 1992

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Низший Новгород

КаучниЛ руководитель: кандидат физико-натеыатических наук,

с. н. о. Г. В. Пермнтян

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Г.М. Батанов /ИЭФ РАН, г.Москва/;

кандидат физико-математических наук,

с.н.с. В.В. Курин /'ШФ РАН, г. Нижний Новгород/.

Зедусее предприятие: Физико-технический институт

иы. А. Ф. Иоффе РАН /г. Саккт-ПетерЗург/.

Заа:та состоится " 21 " сент<Г/>$ 1992 года в 14 часов

нг заседании специадигироганного соЕота К 003.38.01 в Институте прикладной физики АН Россия С603600, г. Няжки2 Новгород, ул. Ульянова, 46).

С у.оеортапж-й уогно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

АЕТсрс-^ргт разослан "20 " августа 1992 г.

Ученый секретарь специализированного соЕета кандидат фпзкко-ыагекатичесглх наук

, А.М.Белякцев

; -----

| и Г "Л |

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Акт^альность_тоууи При распространения интенсивник электромагнитные пучков в плазме из-за различных нелинейных эффектов (нагрев, стрикцкя, ионизация) возбуждаются неоднородности диэлектрической проницаемости, которые приводят к дифракционным явлениям, проявляющимся как в угловом, так я частотном ¿¡реобра-зовании спектра волги; накачки. Как следствие, существенно снижается эффективность передачи энергии через протяженные плаз-менньге образования.

В зависимости от размера тозбухдаемых неодяородкостей плот-кости можно выделить два случая "саморассеяния" СВЧ излучения — процесс вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллвзна (резонансная дифракция нз объемной решетке с неоднородкостямл порядка длины волны) и "индуцированное" рассеяние на крупномасштабных возмущениях плотности (например, саяофсхусярозочкая неустойчивость, преобразование спектра при пробое газа и стрикци-онном вытеснении плазмы).

Эффекты вынужденного рассеяния СВР) необходимо учитывать во всех ярикладньг разработках, сьяаанкнх с передачей интенсивного злектромагдятногс излучения через плазменные среды, в частности, процесс ьину^деянсго рассеяния Мандэльштака-Бриллпэпа СВРМБ) рассматривается как достаточно серьезное препятствие в реализации лазерного УТС и в ионосферных исследссонкях.

С другой сторон«, эффект вынужденного рассеяния находат полезное применение з оптике при создании адаптивных управяяюаау элементов (адаптивная оптика). например, для формирования нелинейных зеркал при ©¡радения волнового фронта (05ФЗ. Ляя элех-

тромагнитного излучения кеньаей частоты наиболее приемлемый сЗгектом в качестве нелинейной среды является плазма, испольэо-Егк;'.с которой перспективно с точки зрения продвижения ОЗФ-уст-ройств е длинноволновый инфракрасный к микроволновый диапазон длин волн. Однако реализация эффекта ОВФ в плазме на основе теплового ¡'эханкгма нелинейности Ска сильно затухающем ионной звуке ) присолит к дополнительному прогреву плавны и искзхенив обращенной гелиы. Переход к бесстолкновителькой, некзотс-рмачес-хой зддоуе. с одной- стороны, позволяет исключить этот паразитный аффект, но,; с другой сторона, приводит к нелокальности ке-яакейкооти. Это противоречие снимается при реализации ОВФ на йроцессе ВРУо, при котором рассеяние 2 отдельных элементах спокл-структуры происходит на несобственней волне плотности, сильно затухающей вне этих активных областей. Поэто-тоиу искажения. обусловленные паразиткой связьз меаду элемента-и! с л 5 хл --структуру через ионный звук Спелокалькссть) подавляются.

Теоретическое описание пространственной задачи выкупленного рассеяния сильных электромагнитных пучков ка нндуцироваиной трехмерной структуре нэоякороднсстеа плотности в условиях изке-нон'/.я частоты волны накачки весьма затруднительно, поэтому экспериментальное изучение ВР реальных интенсивных пучков представляет значителькка уктерес. .

Цегй.ЕёЙ-гту. Диссертация ¡юезягеиа экспериментальному кзу-чек;;и ьзе^сдейстолл иктенсивньос СЗЧ волн с ¡габсратср-

ног плазмой. Ос;:о*пг.о Ек:щанйе уделяете« исследованиям вьгнух-

^ Зф^ект ОВФ тресует локальности связи и ему ©сзиусенигош плотности среды л эяектроиагкятнхии ьолкг*-:*.

денного рассеяния сфокусированных пучков электромагнитные волн з прозрачней "«Зесстолкновительной" плазме. Экспериментальные исследования имели ряд качественных отличий от экспериментов оптического и инфракрасного диапазона длин волн: рассматривался случая сильной нелинейности Сосаиялятсрная скорость электронов в СЗЧ поле достигала зеличин порядка тепловой скорости V ); <3кла реализована ноякфичировакная стадия процесса ВРМ5 (инкре-«ент неустойчивости превышал частоту ионного звука) в длинном, однородном плазменном слсе; исследовалось влияние ¡сирины частотного спектра накачки ка эффективность БР С стабилизация и даго срыв процесса). Кроме того, в работе приводится описание экспериментов, изучасаих различные эффе-цты "саморассеяния" электромагнитных пучков на крупномасштабных нооднородкостях плотности (рефракционная и отражательная самофокусировка, преобразование частотного спектра волн при пробое газов, фазевие искажения при стрикционнои вытеснении плазм--, просветление за-критическоа плгзга в волноводе, нелинейное везбуздение резонан-сов Тонкса-Даткера)

Научазя_но|йзна.

1. Реализована модифицированная стадия^процесса вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллвэна со сравнительно низким уровнем насыаеняя (к ффициечт отражения к^ 30%, относительное возкуаение плотности плазмы оИ/Н 6 • 10 У. Нелинейное рассеяние происходит на несобственной волне плотности плаэыы со сксрсстьв распространения существенно превышашеа нонно-звуковую скорость. После окончания нелинейного взаимодействия несобственная волна распадается на две встречные собственные ионио-звуковке волны.

3. Экспериментально показано, что вынужденное рассеяние становится неэффективным, если ширина частотного спектра волны накачки становится больше инкремента реализуемого процесса' у; изменение несущей частоты волны накачки со скоростью

> гг

приводит к полно«/ подавлению процесса 8РМБ.

3. ОЗкаругено преобразование частоты С - 400 МГц) излучения карсинотрона лрй рассеянии от нестационарной плазмы СЗЧ разряда в моашом квазиоптическом пучке электромагнитных волк.

4. Исследованы фазовые нсказенйя прошедшего плазменный слоя электромагнитного излучения, возникасаие из-за стрикцион-ного вытеснения плазмы неоднородна СВЧ полем. Величина фазового сдвига зависят не только от мощности излучения, но к от температуры электронов плазмы. Предложен и реализован основанный на этом свойстве метод непрерывной регистрации электронной температуры с помоаьп обычной ин-терферсметрическоа схемы.

Результаты экспериментального исследования различных случаев индуцированного рассеяния когут Сыть полезны при постановке экспериментов по распространения интенсивных электромагнитных пучков в протяженных плаз «с-иных образованиях.

Результаты исследования вынужденного рассеяния позволяет надеяться на возможность использования модифицированного процесса ВРИ5 в целях обращения волновых фронтов микроволнового

излучения з плазменных системах и создания, в будущем, адаптивных управлявших СЗЧ элементов.

Обнаруженное преобразование частоты веяны накачки из-за различных нелинейных эффектов, з принципе, может быть использовано для создания источников (или преобразователей) электромагнитного излучения в еще не освоениях диапазонах длин волн.

Эффект стрикционного вытеснения плазмы з длинных линиях был опробован з ВР-экспериментах з диагностических целях ("нелинейная интерферометрия") и может быть использован как помехозащи-ценный метод непрерывной регистрации по только концентрации, ко я температуры плазмы.

А0ЕОбацид_результатоз;. Основные материалы диссертации докладывались на 5— Европейской конференции по УТС и £;:зико плазмы (г. Москва, 1973 г.), Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы Сг.Киев, 1974 г.), Всесоюзной конференции по физике горячей плазмы и УТС (Звенигород, 1984г.) 4— Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой Сг.Тахкээт, 1935г.), Международном совета-нии "Мощное СВЧ излучение в плазме" (г. Суздаль, 1S50 г.), на научных семинарах ИПФ РАН.

СхрУ£1У2&_8^й1>ем_йкссертз1Ш-.. Диссертация состоит из Зве-дения. пяти глав я Заключения и вьлкчает в себя 1S2 страниц основного текста а 53 рисунка. Списох цитируемой литературы содержит 79 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во ШЕШа (глава 1) обоснована актуальность текы диссертации, сформулирована ее цель, кратко изложено содержание диссертация и приведены основные научные положения,

В диссертации объединены результаты экспериментальных работ, выполнение по следуя щш направлениям:

1. Экспериментальное исследование процесса вьгнузденного рассеяния Манделывтана-Бриялкзна квазкмонохроматачесхого излучения

В настоящее вре^я достаточно подробно исследована линейная (начальная) стадия процессов В? кзазимонохроматическнх волн в однородных системах: известны временные инкременты параметрических неустойчивостей, пространственные инкременты, условия возникновения реаимов генерации.

В экспериментах, обсугдаемкх в диссертации, наоборот, был реализован случая сильной нелинейности Сосциляяторкая скорость была порядка тепловой). Изучалось распространение квазиоптических слабосхояяашхся С8Ч пучков в длинной в маезтабе длины волн« (150 X) слое однородной плазмы. 3 качестве источника интенсивного излучения использовался харсинотрон, преобразующий энергию релятивистского электронного пучка в энергию электромагнитного излучения с длиной волны а (импульсная мощность генератора изменялась от 20 до 80 МВт, длительность импульса — 0.2 - 0,5 ыкс). При таких параметрах излучения для ЗРМ5 реализуется регах сильной связи, так как инкремент вызе частоты ионного звука 0- ^ 1С6 с"1, а ВР-неустойчивость — абсолютная, поскольку длина реальных плазы 1 ц настого превы-восходит характерную длину нарастания 3 см.

Основное внимание уделялось динамике развития процесса, влиянию параметров плазмы и СЗЧ излучения на инкремент неустойчивости, релаксации возбуждаемой накачкой объемной пространственно -когерентной волны плотности и насыкенис нелинейного

рассеяния..

Оссбэлностьс наших экспериментов был однократный рехам р • боты СВЧ источника и высокий уровень электромагнитны:! помох. Зто обстоятельство вынуждало осуществлять сбор максимально зоомоглой информация за одну реализации Содновременная регистрация по 11 каналам), дублировать измерения несколькими методами, применять экранирование аппаратур«, отдавать предпочтение наиболее устойчивым к помехам ?/.етодам диагностики С СВЧ я оптический диапазон) я осуществлять синхронизация работы всех устройств с помошьо волоконно-оптических лкнкй связи. Характеристика возможностей измерительной аппаратуры и техническое описание эксперимента даны в сяав§..31.

Результаты экспериментальна исследований Собсуудавтся в 5 4.1) позволяет сделать следующие утверждения:

- при большой мовдостл падаоцей электромагнит, .й волны наблюдается аномально высокий уровень отражения, коэффициент отражения от прозрачной в линейном приближении плазмы возрастает к концу йшульса до £5-30

- нелинейное рассеяние начинает проявляться спустя некоторое время О 0.' ыкс) после момента ввода СВЧ импульса в плазму;

- на стадия развитмя процесса ВРМ5 лз почти изотропного распределения рассеяно. , излучения формируется узкая дк&грэмуа направленности с максимумом ка ос:! падаюсего пучка и угловым спектром, эависяэдм от поперечного рагмзра возбундаелюй про-странсгьенко-перяогдчесноЯ структуры возмуценка плотное" и плаз»«;

- нелинейное отрадекне формируется з области енльпчх полей пучка и имеет пространствечнэ-когеррктныл характер

- аномально высокое отражение мощной волны сопровождается преобразованием частотного спектра, в спектре отраженной волны наблюдается уширение и смеаение максимума в красную сторону Сна величину превышавшую частоту пространственно синхронной ионно-звуковой волны);

- в плазме после окончания ишульса мерного электромагнитного излучения наблюдается пространственная модуляция плотности с относительной амплитудой - 10'/., пространственным периодом Л Б половину длины электромагнитной волны и характерной частотой колебаний, близкой к ионно-звуковой СФ « ь?4= Еяс / А) ;

- нелинейное рассеяние в аргоне « азоте слабее, чем в гелии.

Процесс вынужденного рассеяния в условиях реальных двумерных пучков сопровождается специфическим эффектом — самодефокусировкой прсседаего плазму излучения С§ 4.2.5 ). Эффект не связан с крупномасштабными изменениями плотности, а определяется возникавшими при ВР фазовыми расстройками центральной п периферийной части пучка на неоднородной (по радиусу) решетке плотности.

Эти результаты вполне удовлетворительно согласуются с оценками , полученными е райках к&азил:*.йе5Н'Л недели, описывающей начальную стадию модифицированного процесса ВРМБ Сиитс-рпретгшкя дала 5 5 ¿.2~}. В наи;ем бкслер^прцте фиксировалось насыщение нэ-

*) „ ^

Процесс вь^угде^нсго рассеян:'.:? является эффективный методом пространственного возбуждения иоеко-звунсбых ^олн; такой метод' генерации плазменных волн когет оыгь полезен в самостоятельных экспериментах по исследованию распространения иокно-заукоеых волн большой амплитуды.

линейного отражения в конце СВЧ импульса на относительно клакой уровне. Этот факт в случае сильных полей (V V ) иожзт быть объяснен нелинейными фазовыми расстройкам волнового резэкздса, приводящими к автомодуляцаонным реаимаы вынужденного рассеяния.

2. Влияние ширины спектра и изменения кесукей частота волк» накачки на процесс вынужденного рассеяния

Зксперикекгалъные данные по вынужденному рассеянию "птел-сваного излучения как светового я инфракрасного диапазонов в лазерной плазме, гак и СВЧ диапазона в лабораторной пяазмо относятся к случав рассеяния квазимонохроматического излучения. Проводимые в ШФ РАН экснериггннтаяьмке исследования процессов ' ВР з плазме являются в этом смысле исключением. Используемый з качество генератора интенсивного СВЧ из лучения релятивистский карсинотрон позволяя реализовьзать случай широкополосного получения - иирнна частотного спектра могла мепят* я от - 4 МПц до величины ~ 500 МГц, существенно превышавшей реализуемый в эксперименте инкремент модифицированного процесса ВРМВ у 108е*\

Теория вынуздйяного рассеяния электромагнитных волк а плазме достаточно хорошо развита лишь для сличая квазимоиохрсматя-ческих пслей, характерная ширина частотного спектра которых . уецьао инкремента параметрической неустойчивости у, я ляшь ко-бопьасе чзьло работ посчявдно паракетрачесхии иеустойчивостяа Си в частности ьынукденному рассаянкэЗ широкополосных сигналов С£ь? » ¿0, использующих различные математические модели стохастического изменения акплитуды или фазы волны какачка, тем или няни образом тракту гаи е шумовую природу генерации з;:ек1ро1:з"-натного излучения. Результаты зтлх лссгл-дований выявляет тенденций к снижении эффективности гьгкуздекксгс рассеяния Сувели-

чению порога и снижению инкремента) при ушрении частотного спектра накачки.

Особенно заметно влияние конечной ширины спектра накачки проявляется для электромагнитного излучения со спектральной шириной большей величины инкремента неустойчивости Дь* > ц0-

цСйи) «

где 7о - инкремент параметрического процесса монохроматического сигнала. Физически это понятно, поскольку распадные нестабильности носят резонансный характер с частотной полосой * и развитие неустойчивости в основном определяется только той частью частотного спектра накачки, которая захватывается резонансом. Вывод о разрушении когерентности рассеяния уширением частотного спектра накачки весьма важен для проблемы лазерного термоядерного синтеза в целях подавления процесса вынужденного рассеяния в плазменной короне, который, как ожидается, может, в принципе, существенно снизить эффективность УТС. Реальным вариантом подавления ВР является применение многомодовой накачки (несколько лазеров с различавшимися частотами) или электромагнитного излучения с меняющейся частотой.

В наших экспериментах исследовалось 4 варианта СВЧ излучения, отличающихся спектральными характеристикам;!, определяемыми как шириной текущего спектра, так и перестройкой несущей частоты в течение импульса, фактически эта варианты представляли собой СВЧ излучение четырех самостоятельных конструктивных реализаций релятивистского карсинотрока, отличающихся электронной пушкой, гофроы н схемой формирования анодного напряжения.

В экспериментах наблюдались два эффекта, связанных с перестройкой частоты СВЧ излучения. £ тех случаях, когда перестрой-

ка частоты за вреыя, обратное инкреиенгу параметрической неустойчивости, незначительно превышала значение инкремента у/ наблюдалось снижение эффективности ВРМБ — замедлялся теш развития процесса. При высоких скоростях перестройки частоты С-эы/31 » у^) процесс ВРМБ не развивался. Более того, уже развившийся процесс срывался при увеличении скорости перестройки частоты; разрушение вынужденного рассеяния в этом случае сопровождалось уширением диаграммы направленности отраженного излучения.

3. Экспериментальное исследование импеданскых характеристик высокочастотного индуктора в условиях аномального сканирования полей и изучение плазмы индукционного разряда в сильно разрешенных газах (глава_3, 5 3.3).

Возбуждение неоднородностей плотности плазмы в процессе развития вынужденного рассеяния обусловлен^ стрикционной нелинейность»:. Стрикдил реализуется при уело а;:;; "бесстолкнсвитель-ности" плазмы: за время развития ВР-неустойчивости не должно быть как упругих, так и неупругих соударений.

Получение плотнея С - 101гсм"3) изотропно;!, "спокойной", не загрязненной примесями плазмы з большом объеме и при низких С 10"4 Тор) давлениях является нелегким делом. В процессе исследования источника плазмы били решены две самостоятельные физические задачи:

- расчет импеданса высокочастотного индуктора в плотной бос-столкноаительной плазме} что необходимо для оценка эффективности согласования и передачи энергии от генератора в плазму;

- определение стационарных С максимальных) значений плотности плазмы и электронной температуры при известкой величине электромагнитной модности, вводимой в плазму.

В диссертационной работе в низкочастотно« приблкгении кинетической теории получены выражения для импеданса индуктора (изолированного провода с переменишь токоыЗ в плазме, достаточно хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Результаты этой главн имеют и самостоятельное значение для разработки весьма эффективных ВЧ источников плотной "бесстолкковительной" плазиы.

Знание импеданса индуктора позволяет оптшаяьны.ч образом согласовать источник с плазмой и оценить его мощность. Однако этот расчет предполагает параметры плазмы СН# и известными. Для выяснения устанавливающихся гн*чекий параметров плазмы ВЧ разряда при известкой мощности, вводимой в плазму, необходимо рассматривать физические процессы Сионизацию, рекомбинацию, свободный разлет), происходящее у&е во всем объеме плазмы. Теоретической основой для этого являются уравнения баланса полного числа частиц и энергетического баланса. Правильность аналитических расчетов стационарных значений плотности и температуры плазмы при известной моаности ВЧ источника подтверждалась соответствием расчетных и реальных значений параметров "бесстолкковительной" плазмы ВЧ разряда, предназначенной для экспериментов по вынужденному рассеяние.

В 6ой главе диссертации рассматриваются эффекты саыовоз-ствия. связанные с возбуждением, крупномаезяаоных веоднередкостей: самофокусировка, распространение волн б условиях ионизации, модификация иространствекясго распределения плотности плазмы из-за стрикционкых эффектов в поле интенсивной волны.

4. Экспериментальное исследование тепло- - й самофокусировки в прозрачной плазме (глава б, 5 6. I.D.

Саыофбкусировочная неустойчивость излучения миллиметрового диапазона сопровождалась изменением углового спектра интенсивного пучка, проявлявшееся в движении фокуса навстречу волне накачки. При больших интенсивносгях пучка наблюдалась тенденция к филаментации я насыщение салюфокусаровочной нелинейности, связанное с сильной нелокальность» нагрева (длина теплопроводности значительно превосходила поперечный размер пучка).

5. Самофокусировка при отражении от, слоя закрдтячесхой плазмы и просветление плотной плазмы (глава В, §6.1.).

Взаимодействие мощного лучка электромагнитных волн j непрозрачной плазмой сопровождается самофокусировкой отраженного излучения, зозяикасцей из-за трансформации плоской отражающей поверхности в вогнутое зеркало. Это зеркало формируется гидродинамическим вытеснением плаэш из сильно нагреваемой присеевой области пучка.

6. Рассеян- электромагнитного излучения в условиях СВЧ прсбоя газа (глава 5, 5 5.4).

Эксперимент проводится из двух установках — в квазиоптп-чйсксм варианте распространения волн и канализации энергии в волноводе.

Образование из-за искпззци?. в сильном соло сгустка г.лазмы с закряттес/.ой кснцентрьаисй вкзхвгет сутестррккое "cavopa-ct яние" сснсвкои волны со значительным лресбргзоьаккем как угло-

П

вого, так а частотного спектра, препятствуя передаче коаного электромагнитного излучения через нейтральный газ.

При разряде в квазиоптическом пучке в прошедшем плазму излучении (до момента полной отсечки) происходит модификации* несущей частоты Сфазы волны) из-за стремительного роста плотности плазмы. Зарегистрированное смещение спектра отраженной волны в сторону высоких частот объясняется эффектом Доплера при рассеянии на движущейся навстречу пучку отраглоаей СК|=Ь'сг) поверхности сгустка плазмы.

В разделе 6.4 .исследовано самосогласованное взаимодействие электромагнитного излучения с плв ¿.чей СВЧ разряда в волноводе. При достаточной интенсивности СР > 200 кВт, Е„ » Е • Со? /V ) •

г 0 ег О «а

•СТ#-и /еаг) "г), где и • частота столкновений электрона с нейтральными молекулами) происходит "просветление" волновода с . образовавшейся в результате разряда закритической -плазмой. Распространение СВЧ энергия в этом случае связано с возбуждением дилольных поверхностных волн," бегущих вдоль разряда и поддергивавших в нем необходимую плотность плазмы. Изменение фазы прошедшего плазму сигнала приводит к сдвигу частоты СВЧ излучения. Обнаружено смещение спектра в область высоких частот па ¿с-личи-

ну ДГ « 7 КГц. * «р

7. Управление резонансными свойствами неоднородного плазменного столба с помочью иоакого СЗЧ излучения С 5 6.3).

Исследовано влияние беоетогкксвительього затухэнпк на резо-кансныэ характеристики неоднородного плазменного столба и показаны бозмохносги управления его высокочастотными свойствами с псм^ыз зондирующего СВЧ сигнала. Увеличение добротности плазменных резокансов Тонкса-Датнера в тонких плазыеных трубках

и

связано с деформацией функция распределения электронов по скоростям интенсивным э лехтромагниткнм иолом.

8. Влияние стрикцконной нелинейности на распространение интенсивных С8Ч волн эдоль длинных линий з прозрачней , плазме Сглава 6, I 6.2).

Для реализации стрихциошюя нелинейности СВЧ пучков в лабораторной плазме требуются данные источники, представляющие собой сложные технические устройства. Однако, одномерное моделирование такой ситуации вполне зозкозио в направляющей система, например, в двухпроводной линии» позволяющей локализовать электромагнитную волну в области с налкии в масштабе длины долны • поперечными размерам. Сильная концентрация электромагнитных полей в пространстве около проводников (поперечное сечение « Хг) приводит к то: г/. что уге на сравнительно низком уровне транспортируемой могшоста С 10 кВт 0 оказываются существенными стршсционные нелинейные эффекты. Мы зарегистрировали значительное 8Я /И - 20 '/. стрккционное вытеснение плазмы из области интенсивной волны, распространяющейся вдоль двухпроводной линии в прозрачной плазме.

Наблюдаемый в эксперименте эффект стрЬщтанного зктеснения плазмы приводил к фазовым искажениям на выходе линии; этот факт был использован в диагностических целях для непрерывной регистрации изменений электронной температуры ("нелинейный интерферометр" в главе 3).

Во всех экспериментах по "нелинейному рассеянию" весьма важна информация об индуцируемых кеоднородностях плотности. .Для диагностики возмущений плазмы в наших экспериментах по вынуя-денному рассеянию бьшо сделано несколько конструктивных уссвер-

1У

ЕежггвовзккЯ традиционней измерительной аппаратуры — резонатор :за дъухпроьедной линии для локальных СВЧ измерений электронной концентрации с высоким пространственным разреаевием и сеточные зеркала для ввода-вывода диагностического излучения непосредственно в интенсивный СВЧ пучок с цель» увеличения эффективности метода пространственно-когерентного рассеяния Сглаьа 3).

В В?коперим-зкггх была опробована новая реализация «этода СрзггоЕского рассеяния при определении ьеличппы периодических флуктуации плотности плазмы, не требусаая, в отличие от традиционного варианта,- абсоястных -измерений расееякой ковкости. Сущность метода заклсчается в зависимости частотной ширины "зоны резонансного отргхеяяя" от глубина кодуляцка плотности. Границы зоны определяется С£йлироБ.аиием частота зенднруюгэго ре-сетку плотности излучения (раздел 4.2 главы 4).

Обойденное представление обо ъсеж экспериментах, приведенных б диссертации, краткий обзор экспериментов по вынугдекноыу рассеянию е оптическом я инфракрасном диапазоне и на их фоне особенности на* и* экспериментальных условий предшествует основной, практической части работы

3_2ЭЕ35Н§Ш!й сформулировали основные результаты днссортации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДССГРТАЦШ.

1. Реализсьам эффект вынужденного рассеяния Мандельатама-Ьрил-лтзкг интенсивных йзуиеррла СВЧ пучков з длинном 100 длин волн) слое однородной плазмы 5 условиях сильной нелинейности (ссииллятсриая скорость электрона превышала тепловую}:

13. Исследована динамика развития процесса ВРМ5 и влияние параметров плазиы на ннкроыеат развития неустойчивости: - на начальном этапе инкремент более близок к значен;:»

инкремента для модифицированной стадии вынужденного рассеяния, чем к инкременту в пространственно-ограниченной среде;

- со временем инкремент неустойчивости уменьшается и процесс переходит в стадию насыщения нелинейного рассеяния;

- наиболее эффективно ВР-неустойчивость развивается в плазы» легких газов.

2) В экспериментах установлено, что в случае сильных полей СУ^ ^ V ) определяемый механизмами насьгцения ВРМБ являет ¿ся нелинейные фазовые расстройки волнового резонанса. При этом уровень насыщения оказывается сравнительно низким СЕ - * 30 5Н /И - 0 «■ 10%).

Я1. 4 *

3) В процессе развития процесса <?РМ5 реальных двумерных пучков из почти изотропного линейного распределения рг.ссеяно-го излучения формируется узкая диаграмма направленности с наксюхуиои на оси падаваего аучка к угловыи спектров, зависящим от поперечного размера возбуяяаеаои пространственно-периодической структуры аезмуаеннй плотности плазмы; радиальная неоднородность пространственно-периодической юдуляции плотности плазмы приводит к дефокусировке про-

■ гсдсего через слой плазш электромагнитного излучения.

4) Нелинейное рассеяние происходит на несобственной волне плотности плазмы с пространственный масштабом в половину длины волны излучения накачки и скоростью распространения существенно превышавшей конно-звуковув скорость, распадающуюся после окончания нелинейного взаимодействия на две встречные собственные ионно-звуковыэ волны; процесс выяух-

ленного рассеяния является эффективным методом пространственного возбуждения иокно-звуковы; волн.

6) Экспериментально показано, что нелинейное рассеяние становится неэффективным, если ширина частотного спектра волны накачки становится больше инкремента реализуемого процесса; изменение несущей частоты аолны накачки со скорость»

> г

прнЕодит к полному подавлению процесса БРК5.

II. Экспериментально исследованы различные случаи рассеяния электромагнитных волн на индуцированных в плазме крупкомас-стабкых кеоднородностях плотности (самофокусировка, преобразование частоты в условиях СВЧ разряда, фазовые искажения из-за стрикционного вытеснения плазмы):

1) Взаимодействие ыоаного пучка электромагнитных волк с непрозрачной плазмой сопровождается самофокусировкой отраженного излучения, возникающей из-за трансформации плоской отражающей поверхности в вогнутое зеркало. Это зеркало формируется гидродинамическим вытеснением плазмы из сильно нагреваемой приосевой области пука. Образующийся какал пониженной плотности привод;'.? к "просветлению" закритичес-хой плазмы и фокусировке прошедшего излучения.

2) наблюдалась нелинейная дифракция СВЧ излучения самофокускроэочкого типа, сопровождающаяся заметки-.; изменекаеу углового спектра (первоначально расходяаий-ся пучок со временем стаковилоя сходящимся &0 - 0.1 рад. •» 6£Г - - 0.23 рад), ¿ля слабых интексивностей пучка СЕ* «

» наблюдаемая динамика саыофокусировочного процесса соответствует предсказаниям элементарной теории этого яв-

ле кия.

При очень больших интенсизностях облучаемого плазму излучения обнаруживалась тенденция к филаментации пучха. Нелокальность нагрева плазмы приводила к подавлению саиофо-кусировочного эффекта.

3) Исследовано самосогласованное взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой СБЧ разряда в волноводе. При достаточной интенсивности СР -- 200 кВт) образовавшаяся в результате разряда закритическая плазма не нарушает прозрачности волксвода. Распространение СВЧ энергии в этом случае связано с возбуждением дипольяых поверхностных волн, бегущих вдоль разряда и поддерхнваюаих в нем необходимую плотность плазш.

4) Зарегистрировано увеличение частоты рассеякого излучения при СЗЧ пробое гелия э квазиоптичесхом пучке интенсивных электромагнитных волн.

5) Стрикционное вытеснение плазмы из неоднородного СВЧ поля приводит к фазовым (частотным) искажениям прошедшего плазменный слой электромагнитного излучения. Величина фазового сдвига зависит не только от мощности излучения, но и от температура электроког плазш. Предложен и реализован основанный на этом свойстве метод непрерывной регистрации электронной температуры с помощь») обьпной иатерферометри-ческой схемы.

1. Денисов В. П., Зайцев Н. И., йляков £. В. , Исаев 3. А. И др.

Вынужденное рассеяние электромагнитных волн СВЧ диапазона в

■ лабораторной плазме // Физика плазмы. -1930. -Т. 16. -С. 295-305.

2. Denisov V.P.. Isaev V.A. , Pervitin G.V. Stimulated scattering of microwaves in a laboratory plasma // Strong Microwaves in Plasmas. International Workshop. Suzdal, USSR. Gorky: Institute of Applied Physics. -1S90. -P.H-5.

3. Ленисов В. П., Исаев В. A. , Круглов В. П., Перкитин Г. В. ¡Седане ВЧ индуктора в плеткой бесстолкковительной плазме. // Физика плазмы. - 1984. - Г.10. - С. 838-845.

4. сондаргнко D. Г., - Денисов В. П.. Еремин Б.Г., Исаев В. А.,

Круглов В. К. Индукционный разряд низкого давления // Физика плазмы. - Т. 17. - С. 756 -758.

5. Ленисов В.П., Мсгев В. А. , Смирнов А. И. Влияние стрикцконной нелинейности на распрсстранекие интенсивных СВЧ волн вдоль длинных линий // Физика плазмы. - 1987. - Т.13. - С.229-233.

6. Исаев В.А., Круглов В.К. и др. Наблюдение нестационарной тепловой самофокусировки электромагнитных волн в плазме.// Физика плазмы. - 1977. - Т.З, - С.607.

7. Isaev V. A.. Kruglov V.N. . Litvak A.G. , Poluyakhlov tí.K. Investigation of r.onstationary self-focusing of e.a. wave in piasrra // VI European conference on controlled fus:on and plasma physics. Contributed papers. Moscow; 1973. - P.473-473.

8. Исаев В. A.. Круглов В. К., Полуяхтсв 5.К. О самофокусировке электромагнитных волн в слое непрозрачней плазмы. // КЗТФ. -1975. - Т. 71. - С.1017-1020.

9. Исаев В.А., Марков Г. А. 0 ВЧ резонансных свойствах кеодпо-родного плазменного столба // Сборник аннотации докладов 4 Всесоюзно?, конференции по физике низкотемпературной плазмы. Часть 2. Киев: ШН УССР, - 1975. - С. 20-21.

10. Бажакоз B.C., Исаев В.А., Марков Г.А. 0 резонансных свой-

ствах неоднородного плазменного столба // Известия ЗУЗ'ов "Радиофизика". - 1977. - Т. 20. - С.932-937.

11. Исаев В. А., Круглоз В. Н., Лунин Н. В., Марков Г. А., Полуях-тов Б. К. О распространении интенсивной эл. м. волны з условиях пробоя газа з волноводе /у Изв. ВУЗ'ов "Радиофизика". - 1978. - Т.XXI. - С.566-571.

12. Вихарез А. Л., Гилъденбург В.Б., Исаев В. А. и др. Пробой гелия высокочастотными и;язульса.чи какосекундной длительности // Тезисы докладов IV Всесоюзной конференции по взаимодействии электромагнитного излучения с плазмой. - Ташкент.

- 1335. - С. 102-103.