Излучение и распространение волн нижнегибридного диапазона в магнитоактивной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И

МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ.

1.1. Экспериментальная установка.

1.2. Методы диагностики параметров плазмы.

1.2.1. Двойной зонд и интерферометр.

1.2.2. Определение параметров плазмы по резонансным конусам электромагнитных источников.

1.2.3. Измерения магнитного поля по циклотронному поглощению.

1.2.4. СВЧ-резонаторный зонд.

1.3. Измерение высокочастотных полей в магнитоактивной плазме.

2. ИЗЛУЧЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ВИСТЛЕРНОГО

ДИАПАЗОНА В ОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЕ.

2.1. Результаты эксперимента.

2.2. Теоретический расчёт.

2.2.1. Исходные уравнения и основные соотношения.

2.2.2. Зависимость поля излучения от распределения тока по антенне.

2.2.3. Структура полей электрического и магнитного излучателей.

2.3. Выводы.

3. ВОЛНОВОДНОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН ВИСТЛЕРНОГО

ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ДАКТАХ С ПОНИЖЕННОЙ НА ОСИ КАНАЛА ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ.

3.1. Результаты эксперимента.

3.1.1. Постановка эксперимента.

3.1.2. Формирование дакта плотности.

3.1.3. Фазометрические измерения.

3.1.4. Амплитудные измерения.

3.2. Теоретический расчет.

3.2.1. Основные уравнения.

3.2.2. Особенности волноводного распространения вистлеров.

3.2.3. Утечка энергии из волноводов с повышенной на оси плотностью плазмы.

3.2.4. Утечка энергии из волноводов «сложной» формы.

3.3. Обсуждение результатов.

3.4.3аключение.

4. КАНАЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В ДАКТАХ С ПОВЫШЕННОЙ НА ОСИ ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ.

4.1. Постановка эксперимента.

4.2. Теоретический расчёт.

4.2.1 Основные характеристики распространения квазилокализованных мод в канале.

4.3. Сравнение результатов амплитудных и фазовых измерений квазилокализованных волн, распространяющихся в канале.

4.3.1. Амплитудные измерения.

4.3.2. Фазовые измерения.

4.3.3. Распространение волн свистового диапазона в процессе формирования дакта плотности.

Исследование излучения электромагнитных волн дипольными антеннами электрического и магнитного типа в магнитоактивной плазме ведутся достаточно давно [27]. Актуальность данных работ определяется использованием таких антенн в космических [1] и лабораторных экспериментах [28-30].

В последние годы заметно возрос интерес к изучению распространения волн вистлерного диапазона частот в магнитоактивной плазме [2]. Это связано с широким использованием низкочастотных (НЧ) антенн для активной диагностики параметров ионосферной плазмы, для получения более полной картины процессов происходящих в околоземной плазме [1, 12]. Некоторые, весьма перспективные радиофизические методы активной диагностики параметров околоземной плазмы связаны с возбуждением в интенсивных волновых полей НЧ-диапазона [15, 16]. Высокая информативность указанных методов исследования Земной ионосферы и магнитосферы приводит к поиску эффективных источников низкочастотного излучения спутникового базирования. Однако, вследствие больших длин волн вистлеров в ионосфере и магнитосфере Земли, эффективность компактных антенных систем обычно оказывается недостаточной. Следовательно, задача возбуждения интенсивных волновых полей в плазме сводится к увеличению подводимой к антенне мощности. При этом ближние поля создаваемые такими антеннами оказываются достаточными для модификации параметров плазмы [4, 5, 19, 31]. Вследствие этого происходит существенное изменение электродинамических характеристик излучателей [32, 33]. Следовательно, представляется целесообразным изучение влияния нелинейных эффектов в ближней зоне излучателя на его параметры [34]. В результате нагрева электронов плазмы ближними полями антенн и термодиффузионного перераспределения плазмы вблизи излучателей образуются также вытянутые вдоль внешнего магнитного поля неоднородности плотности плазмы (дакты), что делает особенно актуальным изучение распространения волн НЧ-диапазона в магнитоактивной плазме при наличии дактов плотности. Исследования распространения ЭМ волн в дактах интересны также и с точки зрения распространения естественных волн вистлерного диапазона в ионосферной плазме, поскольку согласно результатам ряда экспериментальных работ в ионосфере существуют достаточно протяжённые дакты плотности [1, 12].

В условиях ионосферы вистлеры могут переносить энергию на большие расстояния [2, 13, 27], т.к., во-первых, они распространяются вдоль внешнего магнитного поля, а во-вторых, их затухание, определяемое столкновениями в плазме, меньше чем у квазипотенциальных волн. Таким образом, ещё одно направление экспериментальных исследований - поиск путей увеличения отношения мощности, излучаемой в квазипродольные вистлеры к мощности, приЮ2еличения уровня сигнала подводимого к антенне).

Лабораторные эксперименты имеют ряд преимуществ перед ионосферными: дешевизна, оперативность получения информации, возможность целенаправленно, по своему выбору, меняя параметры плазмы, воспроизводить различные условия излучения антенн для проверки тех или иных гипотез. Лабораторное моделирование позволяет также ответить на ряд вопросов остающихся за рамками рассмотрения при проведении ионосферных экспериментов. Например, появляется возможность, подробно изучить распределения электромагнитных полей источников в широком диапазоне параметров плазмы. В диссертации приведены результаты исследования электромагнитных полей свистового диапазона частот, возбуждаемых элементарными антеннами электрического и магнитного типов. В связи с техническими трудностями при разворачивании со спутников протяженных проводящих структур, подобные модельные исследования представляются вполне целесообразными и имеют практическую ценность.

Целью настоящей работы является лабораторное исследование условий возбуждения и распространения волн вистлерного диапазона частот в магнитоактивной плазме ионосферного типа. Исследования проводились как в однородной плазме, так и при наличии неоднородных плазменных структур (дактов плотности). Изучался механизм формирования дактов плотности вблизи излучателей магнитного типа. В работе предложен и реализован метод формирования канала основанный на термодиффузионном перераспределении плазмы. Исследовано влияние тепловых и стрикционных нелинейных эффектов на излучение рамочной антенной волн свистового диапазона частот. Отдельно рассмотрено появление комбинационных частот при одновременном подводе к излучающей антенне двух сигналов различной амплитуды.

Моделирование ионосферных процессов проводилось на основании параметров подобия, которые задают соотношения основных физических величин в космической и лабораторной плазме. Понятно, что в силу большого числа параметров, речь идёт лишь о частичном моделировании. Из всей совокупности безразмерных параметров выбирается группа (например: со!соре, со/соНе) и для них устанавливается количественное соответствие (т.е. значения указанных параметров в космической и ионосферной плазме должны совпадать). По остальным параметрам ограничиваются качественным моделированием, т.е. сохраняют лишь качественные соотношения между соответствующими параметрами.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, приложения, заключения и списка литературы. Всего в работе 108 страниц текста, 39 рисунков. Список литературы состоит из 69 наименований. Общий объем диссертации 125 страниц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сформулируем кратко основные результаты, полученные в диссертации:

1. Экспериментально подтверждено, что структура электромагнитных полей свистового диапазона частот, создаваемых источниками электрического и магнитного типов, расположенными в однородной слабостолкновительной магнитоактивной плазме, существенно зависит от эффективных электрических размеров излучателей "а". Излучатели малых электрических размеров (асор/с« 1) возбуждают преимущественно пакет квазипотенциальных волн, образующих в пространстве структуру типа резонансного конуса. В достаточно широком интервале значений размеров источника

1 /л с/сОр < a < с(соц/й)) /й)р) преимущественно возбуждаются волны конической рефракции. В плотной плазме {асОр/с» 1) возбуждаются распространяющиеся вдоль магнитного поля собственно свистовые волны.

2. Предложен и практически реализован способ формирования вытянутых вдоль внешнего магнитного поля В0 каналов как с пониженной, так и с повышенной, по отношению к фоновому значению, плотностью плазмы на оси канала. Способ основан на использовании процесса термодифузионного перераспределения плотности замагниченной плазмы при локальном нагреве электронов ближним полем антенны. Принимая во внимание значительное различие характерных масштабов электронной теплопроводности вдоль и поперёк внешнего магнитного поля и варьируя радиус нагревной рамочной антенны, расположенной поперёк внешнего магнитного поля, можно создавать вытянутые вдоль Во каналы с требуемыми распределениями плотности плазмы в поперечном сечении.

3. Проведено экспериментальное и теоретическое исследование каналирования волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме в неоднородных плазменных образованиях. Показано, что возникающие в условиях тепловой нелинейности квазицилиндрические каналы с немонотонным распределением плотности плазмы в поперечном сечении могут направлять в свистовом диапазоне частот волны двух типов: локализованные волны конической рефракции в центральной приосевой области с пониженной плотностью, и квазилокализованные вистлеры в кольцевом слое с повышенной плотностью.

4. На основании сопоставления экспериментальных данных с результатами теоретических расчётов установленно, что волны свистового диапазона частот (cqlh«co<cqh/2<cqp) , направляемые дактами с повышенной на оси плотностью плазмы, являются квазилокализованными. Затухание этих волн обусловлено как столкновительными потерями так и радиационными, связанными с линейной трансформацией квазипродольных вистлеров в мелкомасштабные квазиэлектростатические волны фоновой плазмы. В условиях лабораторных экспериментов столкновительные потери как правило превышают радиационные. Показана возможность существования слабовытекающих волн свистового диапазона частот в узких каналах с повышенной на оси плотностью при условии со«о)н

5. Исследовано влияние нелинейных эффектов в ближней зоне рамочных антенн на их электродинамические характеристики. Показано, что стрикционные эффекты существенным образом определяют импеданс рамки. Варьируя амплитуду мощного ВЧ сигнала на антенне, можно изменять толщину двойного слоя и тем самым изменять как входной импеданс антенн, так и распределение тока вдоль неё, на частоте другого сигнала одновременно подводимого к антенне. Установлено, что нелокальная тепловая нелинейность определяет структуру поля на частотах как мощного, так и слабого сигналов.

1. H.G. James and B.A. Whalen, OEDIPUS- A: Space research with a new tether. EOS. Transactions, American Geophysical Union, 1991. 72: p. 137-144.

2. R.A. Helliwell, 40 years of whistlers. Modern Radio Science, ed. H.Matsumoto. 1993, New York: Oxford University Press. 380.

3. R.L. Stenzel, Experiments on whistler wave filamentation and VLF hiss in a laboratory plasma. Journal de Physique, 1977. 38(12): p. C6.98-C6.102.

4. Г.А. Марков, B.A. Миронов and A.M. Сергеев, О самоканализаг^ии плазменных волн в магнитном поле. Письма в ЖЭТФ, 1979. 29(11): р. 672-676.

5. Г. Голубятников, С.В. Егоров, А.В. Костров, et al., Исследование пространственной динамики нагрева и термодиффузии плазмы. Физика плазмы, 1988. 14(4): р. 482-486.

6. Г. Голубятников, С.В. Егоров, А.В. Костров, et al., Захват квазиэлектростатических волн в тепловой ка-нал, образованный ближним полем магнитной антенны в замаг-ниченной плазме. ЖЭТФ, 1989. 96(6(12)): р. 2009-2017.

7. В.И. Карпман, Ближняя зона антенны в магнитоактивной плазме. ЖЭТФ, 1984. 89(1(7)): р. 71-84.

8. Н. Агафонов, B.C. Бажанов, И. Гальперин, et al., НЧ-возмущения в ионосферной плазме, стимулированные бортовым ВЧ-источником. Письма в ЖТФ, 1990.16(16): р. 65-70.

9. В.В. Васьков, С. Димант, Н.А. Рябова, et al., Тепловые возмущения магнитосферной плазмы при резонансном нагреве F-слоя ионосферы полем мощной радиоволны. Геомагнетизм и аэрономия, 1992. 32: р. 140-149.

10. А.Г. Литвак, Динамические нелинейные электромагнитные явления в плазме. Вопросы теории плазмы. Vol. 10. 1980, Москва: Атомиздат. 164-242.

11. Е.А. Мареев and В. Чугунов, Антенны в плазме. 1991, Нижний Новгород: ИПФ АН СССР. 230.

12. W.J. Raitt, Active plasma experiments in space: steps towards a space laboratory facility. In Review in Radio Science, ed. W.R. Stone. 19931996, New York: Oxford University Press. 651-675.

13. O.A. Мальцева and O.A. Молчанов, Распространение низкочастотных волн в магнитосфере Земли. 1987, Москва: Наука. 118.

14. Н. Агафонов, Г.В. Башилов, Г.А. Марков, etal., Активная плазменная антенна в ионосфере Земли. Гемагнетизм и аэрономия, 1996. 36(4): р. 206-211.

15. R.W. Broswell and F.F. Chen, Helicons - The early ears. IEEE Trans. Plasma Sci., 1997. 25(6): p. 1229-1244.

16. F.F. Chen and R.W. Broswell, Helicons- The past decade. IEEE Trans. Plasma Sci., 1997. 25(6): p. 1245-1257.

17. А. А. Андронов and В. Чугунов, Квазистационарные электрические поля источников в разреженной плазме. УФН, 1975. 16(1): р. 79-113.

18. Н.С. Беллюстин, В.П. Докучаев, С.В. Поляков, et al., Возбуждение волновода Земля - ионосфера ионосферными источниками низкочастотного диапазона. Изв.вузов. Радиофизика, 1975. 18(9): р. 1323-1332.

19. Г.А. Марков, В.А. Миронов, A.M. Сергеев, et al, Многопучковая самоканализация плазменных волн. Письма в ЖЭТФ, 1981. 80(6): р. 2264-2271.

20. В.А. Рожанский and Л.Д. Цендин, Столкновительньгй перенос в частично - ионизованной плазме. 1988, Москва: Энергоатомиздат. 245.

21. С.П. Воскобойников, И. Гурвич and В.А. Рожанский, Неодномерная термодиффузия в магнитном поле. Физика плазмы, 1989. 15(7): р. 828-837.

22. Е.А. Мареев and В. Чугунов, Ионизационное и тепловое самовоздействие поля источника в замагниченной плазме. Физика плазмы, 1990. 16(9): р. 1119-1126.

23. I.G. Kondrat'ev, A.V. Kudrin and Т.М. Zaboronkova, Radiation of whistler waves in magnetoactive plasma. Radio Sci., 1992. 27(2): p. 315324:

24. Т.М. Заборонкова, И.Г. Кондратьев and A.B. Кудрин, Излучение волн свистового диапазона в магнит оактивной плазменной среде при наличии дактов плотности. Изв.вузов. Радиофизика, 1994. 37(7): р. 887-908.

25. I.G. Kondrat'ev, A.V. Kudrin and Т.М. Zaboronkova, Excitation and propagation of electromagnetic waves in nonuniform density ducts. Physica Scripta, 1996. 54(1): p. 96-112.

26. I.G. Kondrat'ev, A.V. Kudrin and T.M. Zaboronkova, The use of near-antenna artificial density ducts for increasing the power ofVLF radiation in space plasma. J.Atmos. Ten. Phys., 1997. 59(18): p. 2475-2488.

27. R.A. Helliwell, Whistlers and related ionospheric phenomena. 1965, Stanford: Univ. Press. 365.

28. A.V. Kostrov, A.V. Kudrin, A.I. Smirnov, et al. Emission of whistler waves from loop radiators in nonuniform magnetoplasmas. in Trans Black Sea Region Symposium on Applied Electromagnetism Athens, Metsovo, Greece. 1996.

29. A.V. Kostrov, A.V. Kudrin and T.M. Zaboronkova. Influence of artificial thermal inhomogeneities on excitation and propagation VLF waves in magnetoplasma (laboratory modeling and theory), in The 5-th European Heating Seminar. University of Oulu, Sodankyla. 1997. Finland: p. 58-59.

30. A.V. Kostrov, A.A. Shaykin, A.V. Tikhonov, et al. Nonlinear formation of loop antenna radiation pattern in magnetoplasma. in ICPIG,20th, Contributed papers, Pisa. 1991. Italy.

31. И.А. Вдовиченко, Г.А. Марков, В. А. Миронов, et al., Письма в ЖЭТФ, 1986. 44(5): p. 216.

32. Kondrat'ev, Kudrin and Zaboronkova, Electrodynamics of density ducts in magnetized plasmas. 1999.

33. Г.А. Марков, Физика плазмы, 1988.14(9): p. 1094.

34. A.V. Kostrov, A.V. Kudrin, A.I. Smirnov, et al Nonlinear effects in the vicinity of VLF loop antennas in a magnetoplasma. in Third Volga International Summer School on Space Plasma Physics (ISS97). 1997. Russia: p. 48.

35. A. Piel, XIXInternational conference on phenomena in ionized gases. 1989, Belgrade. 487.

36. T.M. Заборонкова, Излучение, каналирование и дифракция интенсивных элетромагнитных волн в магнитоактивной, неоднородной плазме,, диссертация УДК 533.951 01.04.03-радиофизика.

37,

38,

39,

40,

41,

42.

43,

44,

45.

46,

47,

48,

49.

50,

51.

52,

53

54

55

56

57

Т.М. Заборонкова, А.В. Костров, А.В. Кудрин, etal., ЖЭТФ, 1992. 102(10): р. 1151.

Т.М. Заборонкова, А.В. Кудрин and Г.А. Марков, Физика плазмы, 1993. 19(6): р. 769.

R.K. Fisher and R.W. Gould, The physics of fluids, 1971. 14(4).

H.C. Koons, D.C. Pridmore-Brown and D.A. Mc, Radio Science, 1974. 9(5): p. 541.

K. Lucks andM. Kramer, Plasma physics, 1975. 22: p. 879.

G. Derra and A. Piel, Plasma Physics, 1978. 25(4): p. 435.

R.L. Stenzel, The physics of fluids. Phyz. Fluids, 1976. 19(6): p. 865. y.B. Мареев E. А., Изв. вузов. Радиофизика, 1987. 30(8): p. 961. T.N. Wang and T.F. Bell, J. Geophys. Res., 1972. 77: p. 1174.

H.C. Беллюстин, Изв. вузов. Радиофизика, 1978. 21: p. 22.

Б.С. Моисеев, Магнитосферные исследования. 1986, М. 54.

Н.А. Арманд, П. Семенов, Г.Е. Черток, et al., Радиотехника и электроника, 1988. 33(11): р. 2225.

В.И. Карпман, Физика плазмы, 1986. 12: р. 836.

A.В. Мошков, Космические исследования, 1986. 24(5): р. 735.

Д.С. Лукин, В.Б. Пресняков and П.П. Савченко, Геомагнетизм и аэрономия, 1988. 28(2): р. 262.

Л.Б. Волкомирская, С.А. Горбунов and А.Е. Резников, Магнитосферные исследования. 1986, М. 72.

Т.М. Заборонкова, И.Г. Кондратьев and А.В. Кудрин, Радиотехника и электроника, 1993. 38(8): р. 1451.

B.Л. Гинзбург, Распространение электромагнитных волн в плазме. 1967: М.: Наука. 143.

S. Adachi, Radio Sci. D., 1965. 69: p. 493.

V.I. Karpman and R.N. Kaufman, Physica Scripta, 1982. T2:l: p. 252. V.I. Karpman and R.N. Kaufman, J.Plasma Phys., 1982. 27(2): p. 225.

58. R.L. Stenzel, Phys. Fluids, 1978. 19(865).

59. H. Sugai, M. Marayama, M. Sato, et al, Phys. Fluids., 1978. 21(4): p. 690.

60. Г.- Голубятников, C.B. Егоров, А.Н. Костров, et al, Физика плазмы, 1988. 14(4): р. 482.

61. С.В. Егоров, А.В. Костров and А.В. Тронин, Письма в ЖЭТФ, 1988. 47(2): р. 86.

62. R.L. Stenzel, Rev. Sci. Instrum, 1976. 47: p. 603.

63. Г. Голубятников, C.B. Егоров, А.В. Костров, et al, ЖЭТФ, 1988. 94(4): p. 124.

64. Т.М. Заборонкова and А.В. Кудрин, Изв. вузов. Радиофизика, 1990. 33: р. 118.

65. Р.Н. Кауфман and Н.А. Рябова, Исследование структуры и волновых свойств околоземной плазмы. 1980: М.: ИЗМИР АН. 97.

66. Н. Агафонов, B.C. Бажанов, В. Исякаев, et al., Письма в ЖЭТФ, 1990. 552(10): р. 1127.

67. Т.М. Заборонкова, И.Г. Кондратьев and А.В. Кудрин, Излучение заданных токов в магнитоактивной плазме при наличии цилиндрического плазменного канала, in препринт НИР ФИ. 1993.

68. Т.М. Заборонкова, А.В. Костров, А.В. Кудрин, et al, Каналирование волн свистого диапазона в неоднородных плазменных структурах. ЖЭТФ, 1992.101(4 (10)): р. 1154.

69. Т.М. Заборонкова, А.В. Костров and А.В. Кудрин, Каналирование вистлеров в дактах с повыъиенной плотностью в магнитоактивной плазме. Радиофизика, 1998. 41(3): р. 348-394.