Плазменно-волновые структуры, формируемые ВЧ-разрядом в продольном магнитном поле тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Вдовиченко Ирина Анатольевна ПЛАЗМЕННО-ВОЛНОВЫЕ СТРУКТУРЫ, ФОРМИРУЕМЫЕ ВЧ-РАЗРЯДОМ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 О НОЯ 2011

59347

Нижний Новгород - 2011

4859347

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Нижегородский государственный университет им. Н.ИЛобачевского. Национальный исследовательский университет»

Научный руководи- доктор физико-математических наук, профессор

Защита состоится 1 декабря 2011 г. в 1500 на заседании диссертационного совета Д 212.165.10 при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24, корп. 1, ауд. № 1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

тель:

Марков Г. А

Официальные доктор физико-математических наук, профессор

оппоненты: Чугунов Юрий Владимирович

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Белов Алексей Сергеевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский радиофизический институт»

Автореферат разослан ■ > октября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л.Ю. Катаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы диссертации

Исследованию нелинейного взаимодействия сильного электромагнитного поля свистового диапазона частот аш<а < юин ((¡¡¡л и соин - частоты нижнегибридного и верхнегибридного резонансов соответственно) с магнитоактивной плазмой уделяется большое внимание [1 -3 ]. При определенных условиях такие взаимодействия могут привести к образованию вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменно-волноводных каналов (дактов плотности) с повышенной или пониженной плотностью плазмы [4*,5*]. Поддерживаемые такими структурами свистовые волны (вистлеры) играют важную роль во многих фундаментальных физических процессах в ионосфере и магнитосфере Земли. Вызывают интерес работы, использующие такие структуры в ряде приложений, включающих, в частности, активную волновую диагностику околоземного пространства [6*-8*], создание высокочастотных источников плотной низкотемпературной плазмы [9*-11*], устройств для генерации тока и нагрева плазмы в токамаках [12*, 13*], устройств для формирования активных плазменных антенн в ионосфере Земли [14*,15*]. Поэтому исследования электродинамики плазменных волноводов в магнитном поле являются актуальной задачей (см. обзоры [16*-18*]). Важно, что экспериментальные исследования дополнялись соответствующими теоретическими моделями, поясняющими физику наблюдаемых явлений.

Общепринятым является представление плазменно-волноводного канала в виде однородного кругового цилиндра [16*,17*], либо однородной цилиндрической трубки [18*], что существенно упрощает определение дисперсионных характеристик таких волноводов и структуры полей их собственных мод. Однако у реальных дактов плотности всегда размыты боковые стенки и часто имеются фоновые оболочки [3]. В неоднородной области волновода возможно появление резонансных поверхностей, в окрестности которых диагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости близки к нулю, наблюдаются максимумы в распределении амплитуды волновых полей [1*] и сравнительно велико поглощение. Учет распределения плазмы в переходной области принципиально необходим для правильного определения структуры полей собственных мод неоднородных волноводов, их дисперсионных характеристик и масштабов затухания поля.

Цели диссертационной работы

Указанные выше обстоятельства позволяют сформулировать следующие цели диссертационной работы:

1. Лабораторное исследование самофокусировки и каналирования плазменных волн в свистовом диапазоне частот в магнитоактивной плазме. Опре-

деление основных физических закономерностей многопучкового самока-налирования плазменных волн и построение теоретической модели, описывающей экспериментальные результаты.

2. Лабораторное исследование самоканалирования волн в свистовом диапазоне частот в условиях ионизационной нелинейности при наличии фоновой плазменной оболочки. Построение теоретической модели неоднородного волновода в плазменной оболочке.

3. Теоретическое исследование влияния неоднородности плазмы на дисперсионные свойства и структуру полей осесимметричных собственных мод, направляемых плазменными каналами, расположенными в свободном пространстве.

4. Теоретическое обоснование самосжатия геликонного разряда в нарастающем продольном магнитном поле.

Научная новизна

Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. Экспериментально обнаружены стационарные многосолитонные плазмен-но-волновые структуры ВЧ разряда в продольном магнитном поле. Разработана математическая модель, позволяющая объяснить и исследовать особенности многопучкового самоканалирования квазипотенциальных (плазменных) волн в условиях ионизационной нелинейности.

2. Экспериментально показана возможность ионизационного самоканалирования волновых мод свистового диапазона частот в фоновой плазме. Установлено, что образующаяся плазменная неоднородность локализует излучение короткого ВЧ источника внутри разрядного канала, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля. Построена численная модель неоднородного волновода в плазменной оболочке, объясняющая особенности наблюдаемого явления.

3. Исследовано влияние неоднородности плазменно-волноводного канала на дисперсионные свойства и структуру полей волн свистового диапазона частот, направляемых плазменными каналами в магнитоактивной плазме.

Научная и практическая ценность результатов работы

В научном плане результаты, полученные в работе, дают основу для более глубокого понимания особенностей динамики нелинейного взаимодействия мощного электромагнитного излучения с магнитоактивной плазмой, условий и механизмов формирования вытянутых вдоль магнитного поля неоднородностей - дактов плотности. Полученные результаты могут быть использованы для объяснения результатов лабораторных и ионосферных экспериментов по возбуждению и распространению свистовых волн при наличии замагниченных неоднородных плазменных каналов.

Теоретический анализ дисперсионных кривых, полученных с учетом неоднородности концентрации плазмы, позволил определить диагностические признаки, наиболее легко регистрируемые в эксперименте, что позволяет их использовать для диагностики плазмы.

Результаты диссертации могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: ИКИ РАН, ИПФ РАН, ИЗМИР АН, НИРФИ.

Публикации и апробация результатов

Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях «XV International Conference on Phenomena in Ionized Gases» (Минск,1981), 3-ей Международной научной конференции "Фундаментальные проблемы физики" (Казань. 2005), IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Болдино, 2005).

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях международных и российских научных журналах из списка ВАК [1-4], 3 работах в трудах международных и российских конференций [5-7], 1 тезисах докладов научных конференций [8], авторское свидетельство [9].

Результаты проведенных исследований использовались при выполнении проектов РФФИ (№ 04-02-16506-а, № 07-02-00436-а), программ «Ведущие научные школы» (№ НШ--1637.2003.2, №НШ-6043.2006.2), «Университеты России» (проект № УР.01.01.176), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педашгические кадры инновационной России>>(Государственный контракт №П1072), Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы », а также для объяснения результатов натурного ионосферного эксперимента «Активный шнур».

Личный вклад автора

Все эксперименты по лабораторному исследованию динамики нелинейных процессов в плазме, представленные в диссертации, были выполнены при непосредственном участии автора. Личный вклад его в этом направлении являлся определяющим при проведении численных расчетов и построении теоретических моделей наблюдаемых явлений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В однородном продольном магнитном поле самофокусировка ионизирующего излучения приводит к совместному каналированию квазиэлектростатического поля и плазмы, в результате чего возможно формирование стационарных многосолитонных плазменно-волновых структур ВЧ разряда, изолированных от стенок камеры и вытянутых вдоль внешнего магнитного поля.

2. В результате ионизационного каналирования волновых мод свистового диапазона частот в фоновой плазме образуется плазменная неоднородность, локализующая излучение ВЧ источника малых электрических размеров внутри дакта, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля.

3. Учет поперечной неоднородности дакта с повышенной плотностью приводит к существенным изменениям дисперсионных характеристик и структуры полей направляемых им собственных волн. Структура формируемых каналов и дисперсионные свойства направляемых волн определяются величиной неоднородности дакта и соотношениями между плазменной частотой электронов на оси и границе дакта и гирочастотой электронов.

4. При формировании дактов в нарастающем продольном магнитном поле наблюдается самосжатие разряда и увеличение концентрации плазмы на его оси.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 47 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 126 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении кратко освещено современное состояние исследований по теме диссертации и обоснована ее актуальность, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту, отмечена новизна полученных результатов, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена исследованию дисперсионных характеристик и структуры полей неоднородных плазменных волноводов в продольном магнитном поле.

В разделе 1.1 обосновывается необходимость использования уточненных моделей плазменных каналов, позволяющих корректно учесть ряд особенностей дисперсионных характеристик и поперечных распределений полей свистовых волн.

В разделе 1.2 представлены основные соотношения, описывающие магни-тоактивную плазменную среду, обсуждаются дисперсионные свойства и поверхности показателя преломления волн бесстолкновительной магнитоактив-ной плазмы в свистовом диапазоне частот.

В разделе 13 исследуются дисперсионные характеристики собственных мод плазменного волновода в однородном магнитном поле.

В п. 1.3.1 записана общая система дифференциальных уравнений для продольных компонент поля при наличии однородного замагниченного плазменного столба. Даны выражения, связывающие поперечные и продольные компо-

ненты поля. Приводятся формулы для компонент полей симметричных мод внутри однородного плазменного столба и в окружающем его свободном пространстве.

Показано, что граница дисперсионной кривой для основной аксиально-симметричной моды не зависит от ширины канала (a), a определяется отношением плазменной частоты к гирочастоте электронов со^ / соВе •

В случае слабых магнитных полей ((¡>ре/аВе> 1) верхняя граница полосы частот распространения основной осесимметричной моды (йц, оказалась равной

03Up ~ аин Л/2 (рис.1, тонкие линии на графиках соответствуют случаю однородного канала).

В случае сильных магнитных полей (ш^ / а>Ве < 1) область существования дисперсионной кривой основной осесимметричной моды определяется плазменной частотой (ùpe (рис.2).

Все высшие симметричные моды при любом отношении аре / аВе имеют два характерных интервала частот: область прямой и обратной дисперсии (рис.3,4).

В п. 1.3.2 теоретически исследовалось влияние неоднородности плазмы на дисперсионные характеристики плазменно-волновых каналов. Численное моделирование волновых процессов в радиально-неоднородном плазменном канале было выполнено методом частичных областей. Плавное распределение концентрации было заменено на ступенчатое. В каждой области брались свои значения тензора диэлектрической проницаемости, соответсвующие им значения поперечных волновых чисел и компоненты полей, описываемые двумя функциями Бесселя. Полученное из граничных условий дисперсионное уравнение позволяет определить постоянную распространения такой волновой структуры. Результаты численных расчетов показали, что границы дисперсионных кривых существенно зависят от параметра неоднородности b/Ri и отношения с^пж / ю

В случае слабых магнитных полей (ю^ тах/шгг> 1) дисперсионные кривые неоднородного волновода заметно отличаются от кривых однородного цилиндра, и с ростом параметра неоднородности эти изменения становятся все более существенными. Если плазменная частота, определяемая концентрацией плазмы у стенки волновода сùpjjb), больше гирочастоты электронов, верхняя граница полосы частот распространения слабозатухающей моды в многослойном волноводе а>цр оказалась равной aVp = аин (ô)/V2 . В сильно-неоднородных волноводах, когда плазменная частота, определяемая концентрацией плазмы у стенки волновода, меньше гирочастоты электронов, граница дисперсионной кривой смещалась к гирочастоте электронов (ùUp- ыВе (рис. 1 ).

В случае сильных магнитных полей (ш^ тах/ю£е< 1) в неоднородном плазменном волноводе нет поверхности верхнегибридного резонанса, следовательно, область существования дисперсионных кривых основной осесимметричной моды не зависит от параметра неоднородности b/R± и, как и в случае

однородного волновода, всегда определяется плазменной частотой на оси канала Шрепих (рис.2).

Рис.2

У высших симметричных мод границы дисперсионных кривых не зависят от параметра неоднородности, а как и в случае однородных волноводов, определяются отношением со„ж / аВе. На рис.3 представлены дисперсионные кривые первой осесимметричной моды для случая слабого магнитного поля (®ре шах /со&>1), а на рис. 4 - для сильного магнитного поля (аре тт /(йВе< 1).

В п. 1.33 приведена модель плавно-неоднородного плазменного волновода. Расчет дисперсионных кривых проводился методом Рунге-Кутта. Учет

Рис.3

Рис.4

плавной неоднородности меняет дисперсионные кривые так же, как и в случае слоистого волновода: границы дисперсионных кривых существенно зависят от отношения (Лретзх/ (йце и параметра неоднородности Ь/Я1.

В следующем разделе 1.4 приведена структура полей собственных симметричных мод неоднородных плазменных волноводов. Отметим, что в случае узких волноводов Ь/\о« 1 (Ао=2л/Ао) в свободном пространстве при аре тах > ®ве и любом значении параметра неоднородности участие вистлеров (геликонов) в формировании поля основной собственной моды крайне незначительно. Внутри волновода поле моды формируется либо полем поверхностных волн, либо волн с комплексно-сопряженными поперечными волновыми числами, снаружи волновода - это поле поверхностных волн.

При изменении параметра происходит существенное изменение структуры поля. Для слабонеоднородного волновода поля локализованы вблизи

боковой стенки волновода, и область локализации уменьшается с приближением к граничной частоте дисперсионной кривой.

В случае сильных магнитных полей велик вклад плазменных волн в поле основной моды всюду, где концентрация плазмы больше критической, с ростом замедления поле моды локализуется в приосевой области волновода.

В заключительном разделе 1.5 первой главы сформулированы основные выводы, вытекающие из полученных результатов.

Вторая глава посвящена исследованию нелинейного самоканалирования квазиэлектростатических волн в продольном магнитном поле.

В разделе 2.1 рассмотрены особенности структуры полей ВЧ источников в замагниченной плазме, связанных с возбуждением собственных плазменных колебаний на резонансных поверхностях. Приведены результаты исследований влияния нелинейных эффектов на структуру резонансных поверхностей (обзор литературы). Указана возможность ионизационного самоканалирования волновых полей.

В разделе 2.2 дано описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования, приведенные в диссертации. Рассмотрены основные методы диагностики плазмы, используемые в представленных результатах.

Мультисолитонный режим разряда в поле квазипотенциальных волн исследовался в разделе 23. Полученные экспериментальные данные позволяют проследить формирование многосолитонных структур плазменных волн, захваченных в едином плазменном образовании.

Эффект самоканалирования квазипотенциальных волн проявляется в том, что мощная волна возбуждает высокочастотный разряд, имеющий характерный вид самолокализованного в пространстве устойчивого плазменного шнура, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля из фокальной области резонансного конуса ВЧ источника. Стационарность разряда обеспечивается за счет ВЧ ионизации газа полем квазипотенциальных волн, которые локализованы внутри канала из-за полного внутреннего отражения и переносят вдоль него электромагнитную энергию большой плотности. Совпадение оси разряда с направлением магнитного поля В0 обусловлено преимущественно продольным переносом заряженных частиц и максимумом напряженности ВЧ поля в центре шнура, где поверхность критической концентрации перпендикулярна вектору В0. Таким образом, появляется возможность передавать достаточно сильные ВЧ поля на большие расстояния от источника и поддерживать самолокализованный в пространстве шнур плотной плазмы.

В случае несимметричного возбуждения квазипотенциальных волн структура плазменного образования существенно зависит от подводимой мощности и отношения длины свободного пробега электрона 1е к длине квазипотенциальной волны Ъ. Для сравнительно небольших значений подводимой мощности картина разряда качественно такая же, как и для симметричного источника. С

увеличением ВЧ мощности аксиальная симметрия плазменного образования нарушается и наблюдается расслоение разряда на отдельные волноводные каналы: от двух при дипольной системе возбуждения до восьми при квадруполь-ной. При достаточно большой мощности для квадрупольного индуктора (1е < Ю обнаружен эффект фокусировки квазипотенциальных волн на оси системы с последовательным ступенчатым уменьшением числа каналов по мере удаления от источника.

Предложенная в разделе 2.4 теоретическая модель показала наличие би-фукарционной точки. В случае, когда поперечный масштаб изменения концентрации меньше характерного масштаба поля, существует только одно локализованное решение (одиночный солитон, рис.5.а). При обратном соотношении исследуемая система уравнений имеет бесконечной число решений, которые образуются путем последовательного добавления одиночного солитона, так, чтобы фазы колебаний в соседних отличались на тс (рис.5.6, в).

2

3

О

0.25

0.5

0.71 г

-г

б)

2

г

■5

5

Рис.5

В заключительном разделе 2.5 второй главы сформулированы основные выводы, вытекающие из полученных результатов.

Третья глава посвящена исследованию нелинейного самоканалирования волн вистлеровского диапазона частот.

В разделе 3.1 рассматривается самоканалирование волн в однородном продольном магнитном поле в ограниченной фоновой оболочке.

. В п. 3.1.1 приведено описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования, приведенные в данной главе. Рассмотрены основные методы диагностики плазмы, используемые в представленных результатах.

Полученные экспериментальные результаты позволяют утверждать, что в экперименте обнаружен эффект самоканалирования волн свистового диапазона частот в заданной закритической фоновой плазме (со^ ф0на > со). Повышение плотности электронов в канале связано с нагревом плазмы продольной компонентой электрического поля и соответствующим локальным увеличением частоты ионизации. Увеличение температуры приводит к дополнительной ионизации газа и образованию плазменного канала, который захватывает и направляет создавшее его излучение.

В п. 3.1.2 приведены результаты численного исследования дисперсионных характеристик и структуры полей осесимметричных мод плазменного волновода в фоновой оболочке. Экспериментально полученное распределение концентрации в плазменно-волноводном канале апроксимировалось ступенчатым распределением. При решении использовался метод частичных областей, рассмотренный ранее.

Из общего набора решений была выбрана вторая осесимметричная мода: структура полей и коэффициент замедления соответствовали полученным экспериментальным результатам. Результаты счета показали, что основной вклад в структуру волнового поля на разных расстояниях от центра канала вносят разные типы волны. Следовательно, такую гибридную моду нельзя назвать геликоном.

С учетом столкновений коэффициент замедления становится комплексным. Оцененное столкновительное затухание оказалось близким к наблюдаемому в эксперименте ослаблению волнового поля вдоль канала.

Исследовалась зависимость дисперсионных свойств и структуры полей от толщины фоновой оболочки. С ростом толщины уменьшается коэффициент замедления, и амплитуда поля в центре канала заметно убывает по сравнению с амплитудой поля в оболочке, т.е. появляется эффект "вытеснения" сильного поля на периферию волновода.

В разделе 3.2 рассмотрено самоканалирование ВЧ разряда (геликонного типа) в нарастающем продольном магнитном поле.

В п. 3.2.1 приведено описание установки, в которой продольное распределение магнитного поля В^г) можно изменять от квазиоднородного (Д2?тах / В0 = 0.1) до неоднородного (АВ^/ В0 =7). В данном эксперименте с увеличением маг-

нитного поля уменьшается радиус разрядного канала и растет концентрация плазмы в нем. Обнаружена возможность управления параметрами формируемого плазменно-волнового разрядного канала, дисперсионными характеристиками и структурой волновых полей путем изменения магнитного поля в заданной области.

В п. 3.2.2 предложено качественное объяснение эффекта обужения разрядного канала в нарастающем продольном магнитном поле. Обужение обусловлено особенностями дисперсионных характеристик волновых полей, формирующих разрядный канал.

Если предположить, что коэффициент замедления собственной моды в канапе навязан внешней замедляющей системой, то согласно полученным результатам величение продольного магнитного Во приводит к увеличению параметра неоднородности Ь/Ят.е. к обужению плазменного волновода. Если затухание моды не слишком велико, то из закона сохранения потока энергии, переносимого данной модой, обужение волновода и локализация полей в приосевой области сопровождается увеличением амплитуды волновых полей и ростом концентрации плазмы из-за повышенной ионизации газа в области сильного поля. Обсуждаемый эффект представляет новые возможности для получения стационарной, плотной, оторванной от стенок разрядной камеры плазмы с помощью сравнительно маломощных ВЧ источников и для формирования в лабораторных условиях плазменных резонаторов магнитосферного типа, в которых распределение величины магнитного поля В0, плотности плазмы Ы0 и радиуса плазменного канала вдоль его оси подобно распределению указанных параметров в естественном магнитосферном резонаторе с дактом повышенной плотности.

Выводы по главе сформулированы в разделе 33.

В Заключении приведены основные результаты диссертации.

В Приложении приведено описание изобретения "Устройство для возбуждения волн в плазменном столбе" (авторское свидетельство №1099823 от 22.02.1984 г.). Использование изобретения "Устройство для возбуждения волн в плазменном столбе" позволило равномерно распределить синфазное и симметричное возбуждение плазменной волны по большой поверхности разрядной камеры и ввести в плазму большие ВЧ мощности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Показано, что в результате нелинейной динамики ВЧ разряда в продольном магнитном поле возможно формирование стационарных многосолитонных плазменно-волновых структур, вытянутых вдоль внешнего магнитного поля. Экспериментально исследована самофокусировка ионизирующего излучения в магнитоактивной плазме, приводящая к совместному каналированию квазиэлектростатического поля и плазмы, в результате чего образуется узкий

изолированный от стенок камеры плазменно-волноводной канал с повышенной плотностью плазмы в центре.

2 .Предложена теоретическая модель, позволяющая исследовать многопучковое самоканалирования плазменных волн. Определено значение бифуркационной точки, определяющее переход от односолитонного решения к многосолитон-ному.

3. Экспериментально исследован эффект каналирования волновых полей свистового диапазона частот в условиях ионизационной нелинейности с образованием разрядного канала в фоновой слабоионизованной плазме. Построена численная модель неоднородного волновода в ограниченной фоновой плазменной оболочке, объясняющая особенности наблюдаемого явления. Установлено, что в формировании такой моды участвуют и вихревые (волны с комплексно сопряженными поперечными волновыми числами, вистлеры, истинно поверхностные волны), и квазипотенциальные волны. На основании выполненных расчетов показано, что наблюдаемая в эксперименте по ионизационному самоканалированию собственная мода является гибридной.

4. Показано, что учет неоднородности распределения плазмы поперек внешнего магнитного поля приводит к существенным изменениям дисперсионных характеристик основной осесимметричной моды, направляемой дактом с повышенной плотностью. Изменения дисперсионных кривых определяются величиной неоднородности канала и отношением плазменной частоты электронов на оси и границе канала к гирочастоте электронов.

5. Предложено объяснение обужения разрядного канала, формируемого в результате ионизационного самоканалирования волнового пучка в нарастающем продольном магнитном поле. Обнаружена возможность управления в широких пределах параметрами формируемого плазменно-волнового канала (дисперсионными характеристиками и структурой полей) путем изменения магнитного поля в заданной области пространства.

6. Получен патент на "Устройство для возбуждения волн в плазменном столбе". Данное устройство позволило равномерно распределить синфазное и симметричное возбуждение квазипотенциальных волн по большой поверхности разрядной камеры.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты, приведенные в диссертации, изложены в следующих публикациях:

1. Марков Г.А., Миронов В.А., Сергеев A.M., Соколова (Вдовиченко) И.А. Многопучковая самоконализация плазменных волн // Журнал экспериментальной и теоретической физики.1981. Т.80, вып.6. С.2264-2271.

2. Марков Г'.А., Миронов В.А., Вдовиченко И.А. Ионизационная самоканализация вистлеров в плазме // Письма в ЖЭТФ. 1986. Т.44, №5. С.216-218 .

3. Марков Г.А., Вдовиченко И.А. О дисперсионных свойствах и структуре полей собственных мод неоднородных замагниченных плазменных волноводов //Изв. вузов. Радиофизика 2006. Т.49, №7. С.607-617.

4. Марков Г.А., Вдовиченко И.А. Особенности дисперсионных характеристик неоднородных плазменных волноводов в продольном магнитном поле II Изв. вузов. Радиофизика 2008. Т.51, №5. С.434-446 .

5. Markov G.A., Mironov V.A., Sergeev А.М., Sokolova (Vdovichenko) LA. Multifilament self-ducting in plasma waves in HF discharge in magnetic field // Proceedings of the XV International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Minsk,1981.Pt 1. P.163-164 .

6. Марков Г.А., Вдовиченко И.А. О дисперсионных свойствах и структуре полей собственных мод неоднородных замагниченных плазменных волноводов // Труды Девятой научной конференции по радиофизике.7 мая 2005 г. / Ред. А.В.Якимов. Н.Новгород: TAJIAM, 2005. С.25-26 .

7. Марков Г.А., Вдовиченко И.А. О дисперсионных свойствах и структуре полей собственных мод неоднородных замагниченных плазменных волноводов // Третья международная научная конференция «Фундаментальные проблемы физики». Казань.2005.С.114 .

8. Вдовиченко И.А. Исследование собственных мод неоднородных замагниченных плазменных волноводов // Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов». Б.Болдино, 2005 г. С.54.

9. Марков Г.А., Вдовиченко И.А. Устройство для возбуждения медленных волн в плазменном столбе // Авторское свидетельство СССР №1099824. 1984.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1*. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме /В.Л.

Гинзбург. - М.: Наука, 1967. 2*. Гуревич А.В. Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере

/ А.В. Гуревич, А.Б. Шварцбург. - М.: Наука, 1973. 3*. Власов С.Н. Самофокусировка волн / С.Н. Власов, В.И. Таланов. -

Н.Новгород.: Институт прикладной физики РАН, 1997. 4*. Марков Г.А. О самоканализации плазменных волн в магнитном поле / Г.А. Марков, В.А. Миронов, A.M. Сергеев // письма в ЖЭТФ. - 1979. - Т.29, В.11.-С.672

5*. Голубятников Г.Ю. Исследование пространственной динамики нагрева и термодиффузии плазмы / Г.Ю. Голубятников, С.В. Егоров, А.В. Костров, В.А. Миронов, Ю.В. Чугунов // Физика плазмы. - 1988. -.Т. 14, В.4. - С.482 6*. Helliwell R.A. Whistlers and related ionospheric phenomena. Stanford: Stanford

University Press,1965. 365 p. 7*. Helliwell R.A. // Modern Radio Science 1993 / Ed. by H. Matsumoto. New

York: Oxford University Press, 1993. P. 189 8*. Sazhin S., Hayakawa M., Bullough K. // Ann. Geophys. 1992. V. 10. P. 293

f

9*. Fischer В., Kramer M., Enk Th. // Plasma Phys. Control. Fusion. 1994. V. 36, No. 12. P. 2 003

10*. Boswell R.W., Chen F. F. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997. V. 25, No. 6. P. 1 229.

11*. Chen F. F., Boswell R.W. // IEEE Trans. Plasma Sci. 1997. V. 25, No. 6. P. 1 245

12*. NJ. Fisch, J.M. Pax // Nuclear Fusion. 1992. V.32, No4. P.549. 13*. Т.К. Mau, and the ARIES Team // Proc. of the 17th IEEE/NPSS Symp. on Fusion Engineering. 1997. V. 1. P.425. 14*. Мареев E.A., Чугунов Ю.В. Антенны в плазме. Нижний Новгород: ИПФ

АН СССР, 1991.232 с. 15*. Chugunov Yu. V., Markov G.A. // J. Atmos. Sol.-Terr. Phys. 2001. V. 63, No. 17. P. 1 775.

16*. Kondrat'ev I.G., Kudrin A. V., Zaboronkona Т. M. Electrodynamics of density

ducts in magnetizedplasmas. Amsterdam: Gordon and Breach, 1999.288 p 17*. Кондратенко A.H. Плазменные волноводы. M.: Атомиздат, 1976. 18*. Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С. Плазменная релятивистская СВЧ-электроника. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2002. 544 с.

Подписано в печать 26.10.11. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 742.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

61 12-1/658

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Р.Е.АЛЕКСЕЕВА»

Вдовиченко Ирина Анатольевна

ПЛАЗМЕННО-ВОЛНОВЫЕ СТРУКТУРЫ, ФОРМИРУЕМЫЕ ВЧ-РАЗРЯДОМ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

На правах рукописи

01.02.05.- Механика жидкости, газа и плазмы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

д. ф.-м. н., профессор Г.А. Марков

Нижний Новгород - 2011

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ДИСПЕРСИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕОДНОЮДНЫХ ПЛАЗМЕННЫХ ВОЛНОВОДОВ ВПЮДОЛЬНОММАШИТНОМПОЛЕ"................18

1.1. Введение.................................................................................................................18

1.2. Основные соотношения....................................................................................20

1.3. Дисперсионные характеристики собственных мод плазменного волновода в однородном продольном магнитном поле...........................................25

1.3.1. Моды, направляемые однородным плазменным столбом...............25

1.3.2. Особенности дисперсионных характеристик слоистых плазменных волноводов.......................................................................................................31

1.3.3. Теоретическая модель плавно-неоднородного плазменного волновода. Дисперсионные характеристики................................................................43

1.4. Структура полей собственных мод неоднородных плазменных волноводов................................................................................................................................48

1.5. Выводы...................................................................................................................57

ГЛАВА 2. САМОКАНАЛИЮВАНИЕ КВАЗИЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ

ВОЛН В МАГНИТНОМ ПОЛЕ В УСЛОВИЯХ ИОНИЗАЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТИ.....................................................................................................................61

2.1. Введение.................................................................................................................61

2.2. Экспериментальная установка для исследования самовоздействия квазипотенциальных волн в магнитном поле............................65

2.3. Экспериментальное исследование мультисолитонных структур квазиэлектростатических волн...........................................................................................69

2.4. Теоретическое исследование многопучкового самоканалирования квазиэлектростатических волн..................................................77

2.5. Выводы................................................................................................................................................................................84

ГЛАВА 3. ИОНИЗАЦИОННОЕ КАНАЛИЮВАНИЕ ВОЛН ВИСТЛЕ-

ГОВСКОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ПЛАЗМЕННОЙ ОБОЛОЧКЕ_______________________________________________86

3.1. Самоканалирование волн в однородном продольном магнитном поле в ограниченной фоновой оболочке........................................................................86

3.1.1. Экспериментальное исследование самоканалирования волн вистлеровского диапазона частот в ограниченной фоновой оболочке..............87

3.1.2. Численное моделирование волнового канала, формируемого при самоканалировании свистов в ограниченной фоновой плазме.....................92

3.2. Каналирование волн в неоднородном продольном магнитном поле............................................................................................................................................107

3.2.1. Экспериментальное исследование самоканалирования волн, формирующих разрядный канал в неоднородном продольном магнитном поле............................................................................................................................................108

3.2.2. Влияние продольной неоднородности магнитного поля на ионизационное самоканалирование волн с заданным замедлением................112

3.4. Выводы.................................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ 116

Описание изобретения к авторскому свидетельству "Устройство для

возбуждения волн в плазменном столбе"........................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................122

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................126

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ Актуальность темы диссертации

Исследованию нелинейного взаимодействия сильного электромагнитного поля свистового диапазона частот cölh< ® < &ин (o)LH и соин - частоты нижнегибридного и верхнегибридного резонансов соответственно) с магнитоактив-ной плазмой уделяется большое внимание [1-8]. При определенных условиях такие взаимодействия могут привести к образованию вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменно-волноводных каналов (дактов плотности) с повышенной или пониженной плотностью плазмы [9-13]. Поддерживаемые такими структурами свистовые волны (вистлеры) играют важную роль во многих фундаментальных физических процессах в ионосфере и магнитосфере Земли. Вызывают интерес работы, использующие такие структуры в ряде приложений, включающих, в частности, активную волновую диагностику околоземного пространства [14, 15], создание высокочастотных источников плотной низкотемпературной плазмы [16-18], устройств для генерации тока и нагрева плазмы в то-камаках [19, 20], устройств для формирования активных плазменных антенн в ионосфере Земли [21, 22]. Поэтому исследования электродинамики плазменных волноводов в магнитном поле являются актуальной задачей (см. обзоры [2325]). Важно, что экспериментальные исследования дополнялись соответствующими теоретическими моделями, поясняющими физику наблюдаемых явлений.

Общепринятым является представление плазменно-волноводного канала виде однородного кругового цилиндра [23, 24], либо однородной цилиндрической трубки [25], что существенно упрощает определение дисперсионных характеристик таких волноводов и структуры полей их собственных мод. Однако у реальных дактов плотности всегда размыты боковые стенки и часто имеются фоновые оболочки [26]. В неоднородной области волновода возможно появление резонансных поверхностей, в окрестности которых диагональные компо-

ненты тензора диэлектрической проницаемости близки к нулю, наблюдаются максимумы в распределении амплитуды волновых полей [1] и сравнительно велико поглощение. Учет распределения плазмы в переходной области принципиально необходим для правильного определения структуры полей собственных мод неоднородных волноводов, их дисперсионных характеристик и масштабов затухания поля.

Цели диссертационной работы

Указанные выше обстоятельства позволяют сформулировать следующие цели диссертационной работы:

1. Лабораторное исследование самофокусировки и самоканалирования плазменных волн в свистовом диапазоне частот в магнитоактивной плазме. Определение основных физических закономерностей многопучкового самоканалирования плазменных волн и построение теоретической модели, описывающей экспериментальные результаты.

2. Лабораторное исследование каналирования волн в свистовом диапазоне частот в условиях ионизационной нелинейности при наличии фоновой плазменной оболочки. Построение теоретической модели неоднородного волновода в плазменной оболочке.

3. Теоретическое исследование влияния неоднородности плазмы на дисперсионные свойства и структуру полей осесимметричных мод свистового диапазона частот, направляемых плазменными каналами, расположенными в свободном пространстве.

4. Теоретическое обоснование самосжатия геликонного разряда в нарастающем продольном магнитном поле.

Научная новизна

Научная новизна работы определяется полученными оригинальными результатами и заключается в следующем:

1. Экспериментально обнаружены стационарные многосолитонные плазмен-но-волновые структуры ВЧ разряда в продольном магнитном поле. Разработана математическая модель, позволяющая объяснить и исследовать особенности многопучкового самоканалирования квазипотенциальных (плазменных) волн в условиях ионизационной нелинейности.

2. Экспериментально показана возможность ионизационного самоканалирования волновых мод свистового диапазона частот в фоновой плазме. Установлено, что образующаяся плазменная неоднородность локализует излучение короткого ВЧ источника внутри разрядного канала, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля. Построена численная модель неоднородного волновода в плазменной оболочке, объясняющая особенности наблюдаемого явления.

3. Исследовано влияние неоднородности плазменно-волноводного канала на дисперсионные свойства и структуру полей волн свистового диапазона частот, направляемых плазменными каналами в магнитоактивной плазме.

Научная и практическая ценность результатов работы

В научном плане результаты, полученные в работе, дают основу для более глубокого понимания особенностей нелинейного взаимодействия мощного электромагнитного излучения с магнитоактивной плазмой, условий и механизмов формирования вытянутых вдоль магнитного поля искусственных неодно-родностей - дактов плотностей. Полученные результаты могут быть использованы для объяснения результатов лабораторных и ионосферных экспериментов по возбуждению и распространению свистовых волн при наличии замагничен-ных неоднородных плазменных каналов.

Теоретический анализ дисперсионных кривых, полученных с учетом неоднородности концентрации плазмы, определяет диагностические признаки, наиболее легко регистрируемые в эксперименте, что позволяет их использовать для диагностики плазмы.

Результаты диссертации могут представлять интерес для следующих научно-исследовательских учреждений: ИКИ РАН, ИПФ РАН, ИЗМИР АН, НИРФИ.

Публикации и апробация результатов

Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях «XV International Conference on Phenomena in Ionized Gases» (Минск, 1981), 3-ей Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы физики" (Казань. 2005), IV Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Болдино, 2005).

Основные результаты диссертации опубликованы в 4 статьях международных и российских реферируемых журналах [26,47,50,75], 3 работах в трудах международных и российских конференций [76,94,95], 1 тезисах докладов научных конференций [96], авторское свидетельство [124].

Результаты проведенных исследований использовались при выполнении проектов РФФИ (№ 04-02-16506-а,.№ 07-02-00436-а), программ «Ведущие научные школы» (№ НШ-1637.2003.2, №НШ-6043.2006.2) , «Университеты России» (проект № УР.01.01.176), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России»(Государственный контракт №П1072), Аналитическая ведомственная целевая программа «Развитие научного потенциала высшей школы », а также для объяснения результатов натурного ионосферного эксперимента «Активный шнур».

Личный вклад автора

Все эксперименты по лабораторному исследованию нелинейных, волновых явлений в плазме ВЧ разряда, представленные в диссертации, были выполнены при непосредственном участии автора. Личный вклад его в этом направлении являлся определяющим при проведении численных расчетов и построении теоретических моделей наблюдаемых явлений.

Основные положения, выносимые на защиту

1. В однородном продольном магнитном поле самофокусировка ионизирующего излучения приводит к совместному самоканалированию квазиэлектростатического поля и плазмы, в результате чего возможно формирование стационарных многосолитонных плазменно-волновых структур ВЧ разряда, изолированных от стенок камеры и вытянутых вдоль внешнего магнитного поля.

2. В результате ионизационного каналирования волновых мод свистового диапазона частот в фоновой плазме образуется плазменная неоднородность, локализующая излучение ВЧ источника малых электрических размеров внутри дакта, вытянутого вдоль внешнего магнитного поля.

3. Учет поперечной неоднородности дакта с повышенной плотностью приводит к существенным изменениям дисперсионных характеристик и структуры полей направляемых им собственных волн. Структура формируемых каналов и дисперсионные свойства направляемых волн определяются величиной неоднородности дакта и соотношениями между плазменной частоты электронов на оси и границе дакта и гирочастоты электронов.

4. При формировании дактов в нарастающем продольном магнитном поле наблюдается самосжатие разряда и увеличение концентрации плазмы на оси.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, приложения и списка литературы.

Общий объем диссертации составляет 139 страниц, включая 47 рисунков и 9 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 126 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении кратко освещено современное состояние исследований по теме диссертации и обоснована ее актуальность, сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту, отмечена новизна полученных результатов, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена исследованию дисперсионных характеристик и структуры полей неоднородных плазменных волноводов в продольном магнитном поле.

В разделе 1.1 обосновывается необходимость использования уточненных моделей плазменных каналов, позволяющих корректно учесть ряд особенностей дисперсионных характеристик и поперечных распределений полей свистовых волн.

В разделе 1.2 представлены основные соотношения, описывающие магни-тоактивную плазменную среду, обсуждаются дисперсионные свойства и поверхности показателя преломления волн бесстолкновительной магнитоактив-ной плазмы в свистовом диапазоне частот.

В разделе 1.3 исследуются дисперсионные характеристики собственных мод плазменного волновода в однородном продольном магнитном поле.

В п. 1.3.1 записана общая система дифференциальных уравнений для продольных компонент поля при наличии однородного замагниченного плазмен-

ного столба. Даны выражения, связывающие поперечные и продольные компоненты поля. Приводятся формулы для компонент полей симметричных мод внутри однородного плазменного столба и в окружающем его свободном пространстве.

Показано, что граница дисперсионной кривой для основной аксиально-симметричной моды не зависит от ширины канала (а), а определяется отношением плазменной частоты к гирочастоте электронов (оре / (аВе ■

В случае слабых магнитных полей {&ре / (йВе> 1) верхняя граница полосы частот распространения основной осесимметричной моды оаир оказалась равной

В случае сильных магнитных полей (&ре / а>Ве < 1) область существования дисперсионной кривой основной осесимметричной моды определяется плазменной ЧаСТОТОЙ СОре .

Все высшие симметричные моды при любом отношении а>ре / (оВе имеют два характерных интервала частот: область прямой и обратной дисперсии.

В п. 1.3.2 теоретически исследовалось влияние неоднородности плазмы на дисперсионные характеристики плазменно-волновых каналов. Численное моделирование волновых процессов в радиально-неоднородном плазменном канале было выполнено методом частичных областей. Плавное распределение концентрации было заменено на ступенчатое. В каждой области брались свои значения тензора диэлектрической проницаемости, соответсвующие им значения поперечных волновых чисел и компоненты полей, описываемые двумя функциями Бесселя. Полученное из граничных условий дисперсионное уравнение позволяет определить постоянную распространения такой волновой структуры. Результаты численных расчетов показали, что границы дисперсионных кривых существенно зависят от параметра неоднород ности Ь/Я± и отношения ю^ ^ / со&.

В случае слабых магнитных полей (<х>ре тах / &Ве >1) дисперсионные кривые неоднородного волновода заметно отличаются от кривых однородного цилиндра, и с ростом параметра неоднородности эти изменения становятся все более существенными. Если плазменная частота, определяемая концентрацией плазмы у стенки волновода юре(Ь), больше гирочастоты электронов, верхняя граница полосы частот распространения слабозатухающей моды в многослойном

волноводе (0[/р оказалась равной (£>ир = сош (Ь)/л/2. В сильно-неоднородных

волноводах, когда плазменная частота, определяемая концентрацией плазмы у стенки волновода, меньше гирочастоты электронов, граница дисперсионной кривой смещалась к гирочастоте электронов со иР - (£>ве •

В случае сильных магнитных полей (соре тах/(йве <1) в неоднородном плазменном волноводе нет поверхности верхнегибридного резонанса, следовательно, область существования дисперсионных кривых основной осесиммет-ричной моды не зависит от параметра неоднородности и, как и в случае однородного волновода, всегда определяется плазменной частотой на оси канала СОре тах •

У высших симметричных мод границы дисперсионных кривых не зависят от параметра неоднородности, а как и в случае однородных волноводов, определяются отношением (оре тах / со5е. При этом существенно меняется значение показателя замедления.

В п. 1.3.3 приведена модель плавно-неоднородного плазменного волновода. Расчет дисперсионных кривых проводился мет�