Применение усиленного рассеяния СВЧ излучения для диагностики коротковолновых плазменных колебаний тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

6 ДГi? РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ км. А.Ф.ИОФФЕ

На правах рукописи

Селенян Валерий Леонидов!«

ПРИМЕНЕНИЕ УСИЛЕННОГО РАССЕЯНИЯ СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ КОРОТКОВОЛНОВЫХ ПЛАЗМЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ

(специальность 01.04.08. — физика и химия плазмы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе Российской Академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

зав. лаб. физики высокотемпературной плазмы Е.З.Гусаков.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Е.В. Суворов

(ИПФ РАН, Нижний Новгород), кандидат физико-математических наук В.В. Буланин (СПбГТУ, С-Петербург).

. Ведущая организация — Институт общей физики РАН, Москва.

Защита диссертации состоится "

в "/^ " часов на заседании специализированного ученого совета № Д 003.23.01 Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН по адресу: 194021, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 26.

С диссертацией можно ознакомиться в. библиотеке ФТИ им.А.Ф.Иоффе РАН. Автореферат разослан "_

¿9- т/т.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета кандидат физико-математических наук

Орбели АЛ.

1,Общая характеристика работы

Исследование коротковолновых плазменных колебаний является важной задачей в проблеме УТС. Коротковолновые спонтанные флуктуации плазмы могут приводить к аномальному переносу частиц (Основы физики плазмы, 1984 г.. Сборник статей, т.2,М.: Энергоатомиздат), а тахже быть ответственными за дополнительный поток лучистой энергии из плазмы (Rosenbluth M.N., Liu C.S. 1976, Phys. Fluids, 19, p.815), препятствуя тем самым достижению необходимых величии плазменных температуры и концетрации. Кроме этого, изучение распространения, поглощения и нелинейной трансформации волн, использующихся для высокочастотного iiaipcna плазмы в термоядерных установках, может способствовать повышению его эффективности.

Поэтому актуальным является развитие методов диагностики плазменных колебаний, основанных на эффекте рассеяния электромагнитного излучения. Основными преимуществами данных методов по сравнению с зондовыми является отсутствие возмущающего воздействия на плазму, применимость для горячей плазмы термоядерных установок, а также возможность проведения измерений очень коротковолновых колебаний.

В случае, когда зондирующая электромагнитная волна взаимодействует с большим количеством частиц, поведение которых скоррелиропно, рассеяние является коллективным. Угловой и частотный спектры рассеянного сигнала несут информацию о пространственном и частотном спектрах исследуемых колебаний. В традиционных методах коллективного рассеяния для зондирования плазмы используется излучение в СВЧ и длинноволновом лазерном диапазонах частот. При этом основным недостатком данного класса диагностик оказывается малая эффективность рассеяния, что вследствие ограничения на величину мощности источника зондирующего излучения в данном частотном диапазоне часто является серьезным препятствием для проведения достоверных количественных измерепий. В ряде случаев также неудовлетворительным является пространственное разрешение. Кроме того, эксперимент, использующий лазер как источник зондирующею

излучения, связан со значительными техническими трудностями, а также является довольно дорогостоящим.

Поэтому актуальной задачей является развитие альтернативных методов диагностики, основанных на эффекте рассеяния электромагнитного излучения и не имеющих вышепеоечисленных недостатков.

Диссертационная работа посвящена применению и дальнейшему развитию метода Усиленного Рассеяния (УР) СВЧ излучения в пространственно-неоднородной плазме (Enhanced microwave scattering in plasmas, Novik K M., Piliya A.D. ¡993, Plasma Phys. Control Fusion, 35, p. 357-381), который имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами. Диалюстика УР основана на том, что рассеянное излучение принимается из области плазмы, в которой для зондирующей волны выполняется условие резонанса. В большинстве случаев используется верхний гибридный резонанс (ВГГ). При этом рассеивающий объем принципиально не является оптически однородным, как в случае, например, лазерного излучения. Зондирующая волна, распространяясь сквозь плазму, изменяет свои параметры в соответствии с дисперсионным уравнением. В окрестности плазменного резонанса происходит сильное замедление зондирующей волны и резкое возрастание сё электрического поля, что приводит к значительному увеличению интенсивности рассеяния. Если в плазме вблизи резонанса присутствуют коротковолновые колебания, то зондирующая волна может рассеяться на них. Причем основной вклад в рассеянный сигнал будет давать узкая область в окрестности резонанса, что обеспечивает хорошую локальность измерений. Большая эффективность рассеяния и сильное замедление зондирующей волны позволяет использовать для зондирования излучение относительно небольшой мощности в более низкочастотном.чем для обычного рассеяния, СВЧ диапазоне частот. Это существенно упрощает и удешевляет данную диагностику.

На начальных стадиях разработки метод усиленного рассеяния был пригоден для определения лишь частотных спектров плазменных колебаний и применялся для изучения спонтанных флуктуации плотности плазмы, нижнегибридных волн возбуждаемых извне, а также параметрических процессов распада нижнешбршшо?

юлны накачки. В дальнейшем была предложена время-пролетная модификация ¡анного метода (Е.З.Гусахов, АД.Пилия. //Письма в ЖТФ.- 1992,- Т. 18,- С.63), гозволяюшая исследовать не только частотные спектры, но и волновые векторы «следуемых колебаний.

Целью работы является демонстрация возможностей метода УР для диагностики коротковолновых плазменных колебаний, а также развитие данного метода, направленное на преодоление главного недостатка УР - интегральности рассеянного сигнала по волновым векторам, то есть на совмещение таких его достоинств, как локальность и высокая эффективность рассеяния, с разрешением по длинам волн.

Научная новизна.

1. Показана возможность использования сигнала УР на спонтанных колебаниях плазмы для шмерения максимальной по радиусу плотности плазмы.

2. Впервые с помощью усиленного рассеяния наблюдался резонансный конус нижнегибридной волны И изучалось его взаимодействие со спонтанными фдуктуациями плазмы.

3 Исследован процесс распада нижнегибридной волны накачки (Мода Трайвелписа-Гулда) на две дочерние волны, имеющие ту же природу, что и волна накачки, но локализованные вблизи своей нижнегибридной плотности.

4. Экспериментально подтвержден эффект задержки зондирующей волны в гибридном резонансе и показана линейная зависимость времени задержки волны в гибридном резонансе от величины волнового вектора исследуемых колебаний.

5. Предложена и разработана стробоскопическая методика, с помощью которой произведены измерения спектров волновых векторов исследуемых колебаний при одновременной регистрации частотного спектра колебаний с данной величиной волнового вектора.

6. В результате впервые с помощью УР произведена идентификация исследуемых колебаний по измеренным частотным спектрам и спектрам волновых векторов, а также подтвержден механизм распада нижнегибридной волны.

7. Продемонстрирована возможность измерения волновых векторов колебаний, имеющих узкий частотный спектр, с помощью линейной частотной модуляции зондирующего излучения.

Продемонстрирована возможность исследования коротковолновых плазменных колебаний с помощью УР СВЧ излучения. Предложенные и опробованные в лабораторной плазме стробоскопический метод измерений и метод, использующий линейную частотную модуляцию зондирующего излучения,могут служить основой при исследованиях коротковолновых колебаний с помощью УР на термоядерных установках.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод измерения максимальной по сечению плазменного столба концентрации плазмы с помощью сигнала усиленного рассеяния па спонтанных колебаниях плазмы.

2. Результаты экспериментов но наблюдению с помощью усиленного рассеяния резонансного конуса нижнегибридной волны и его взаимодействия с низкочастотными колебаниями плазмы.

3. Исследования параметрического распада нижнегибридной волны нахачки.

4. Результаты экспериментов, подтверждающих эффект задержки зондирующей злектромапштиой волны в гибридном резонансе н показывающих линейную зависимость времени задержки от величины волнового вектора колебаний, на которых происхо дит рассеяние.

5. Стробоскопическая методика для измерения волновых векторов отдельных спектральных составляющих частотного спектра рассеяния.

6. Результаты измерений с помощью стробоскопической методики волновых вехторов параметрически возбужденных ионно-звуковых волн, спонтанных флуктуапий и волн, возбуждаемых в результате параметрического распада нижпеги Аридной волны накачки.

7. Результаты экспериментов с использованием линейной частотной модуляции зондирующею излучения.

Апробачия результатов:

Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1984-1995), на Международной конференции по физике плазмы (Киев, 1987), на 5-ой конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Ташкент, 1989), на 6-ой конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (Душанбе, 1991), на Международных конференциях по физике плазмы (Лозанна, 1984). (Дели, 1989), (Инсбрук, 1992), (Монпелье, 1994). приглашенный доклад в Борнемуте (1995). Публикации-

По материалам диссертации опубликовано 16 печатных работ, из них б журнальных статей, 1 препринт, 9 докладов на конференциях, а также сделано два изобретения.

Лччнын вклад яятора;

Диссертационная работа отражает личный вклад автора в исследование, выполненное авторским коллективом. Научный руководитель принимал учасгие в формировании темы исследований, анализе и обсуждении результатов. Соавторами оказывалась помощь при проведении экспериментальных измерений и выполнении численных расчетов.

Диссертация содержит введение, четыре главы и заключение. В диссертации 173 страницы, в том числе 137 страниц текста, 54 рисунка на 36 страницах и список литературы включающий 51 наименование.

Во введении показана актуальность темы и кратко сформулирована задача диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, перечислены конференции, на которых доклевывались результаты, включенные в работу.

плазменных колебаний с помощью коллективного рассеяния электромагнитного излучения; кратко изложена теория усиленного рассеяния, а также дан обзор работ, п

П .Содержание работы

представлен обзор экспериментальных работ по диагностике

ь

которых был использован метод усиленного рассеяния на различных установках. В конце главы подробно сформулированы цели и задачи работы.

Во второй главе описана линейная установка "Linde" и диагностическая аппаратура. Большинство экспериментов, описанных в диссертации, проводилось на стационарной линейной плазменной установке (Источник спокойной плазмы с магнитными мультинолями Варфоломеев В.И., Кондратьева JI.B., Новик K.M. Тезисы докладов 6 Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы, Ленинград. 1983, т.2, стр. 122-124). Аргоновая плазма при давлении нейтрального газа 4...8 10"* Topp, средней плотностью Ю10 1/см3 и температурой - 2...4 эВ создавалась в стеклянном баллоне с внутренним диаметром 4,8 см и длиной около 200 см с помощью источника спокойной плазмы с магнитными мультиполями. Стационарчое магнитное поле величиной 850 Э создавалось соленоидом с внутренним диаметром 28 см и длиной около 200см. Плазма имела только радиальную неоднородность - вдоль магнитного поля концентрация не изменялась. Форма профиля плотиости и температура электронов измерялись с помощью двойного ленгмюровского зонда; средняя плотность-с помощью СВЧ резонатора. В ходе работы была найдена также возможность измерения максимальной плотиости плазмы с помощью метода, предложенного в данной работе и использующего УР на спонт шных колебаниях плазмы. Одним из основных объектов исследования являлис! волны нижнегобридного диатюна частот (2...80 МГц). Они возбуждались < помощью антенны, расположенной снаружи стекляного баллона, в широкое диапазоне мощностей: от нескольких милливатт до десятков Ватт. Зондированж осуществлялось на частоте 2400 МГц. Излучение подводилось к плазме ш коаксиально-волноводному тракту в виде необыкновенной моды. Сигнал из ВГР рассеянный назад, принимался той же СВЧ антенной. Сканирование исследуемы; колебаний по радиусу осуществлялось путем перемещения верхнего гибршшоп резонанса по радиусу с помощью относительно небольшого изменения величин! внешнего магнитного поля. Радиальное распределение рассеянного сигнал получалось с помощью пересчета величины магнитного поля в радиус с помощы условия ВГР при известном профиле плотности. Вследствие однородност

магнитного поля область ВГР была закрыта со всех сторон отсечкой и зондирование осуществлялось черса зону непрозрачности, что было возможно благодаря тому, что вахуумная длина волны зондирующего излучения (12 см) была много больше ширины области непрозрачности (несколько мм).

В третьей птаве представлены результаты экспериментального исследования коротковолновых плазменных колебаний с помощью метода УР без разрешения по волновым векторам.

Глава начинается с описания экспериментов по усиленному рассеянию на спонтанных колебаниях плазмы. Рассеянный сигнал при этом имеет сплошной спектр, сдвинутый относительно зэидирующей частоты как в "синюю", так и в "красную" стороны и спадающий по амплитуде с увеличением частоты фпуктуаций. Рассеянный сигнал существовал лишь в некотором интервале величин внешнего

магнитного поля Н: Нс>Н>Нщт, где Нс = ^птс ^ _ циклотронное поле, П-

е

зондирующая частота. То есть, сигнал рассеяния регистрировался только при наличии ВГР в плазме, условие которого в данном случае удобно записать в

котором происходит исчезновение сигнала, связано с достижением ВГР максимальной плотности в сечении плазменного стрлба п™*, связанной с Н„т соотношением:

Для доказательства этого предположения были произведены сравнения данных, полученных пц ф-ле (I) с данными по измерению птах. полученными независимым способом с подошью двойного зонда и СВЧ резонатора.Хорошее соответствие этих

Нпйп. с помощью формулы (1).

Рассеяние на спонтанных шумах было использовано также для выяснения влияния барьера непрозрачности на радиальную зависимость рассеянного сигнала.

критическая концентрация плазмы. Поле Нтт, при

(1)

величин позволило предложить способ измерения пм«* по измеренному значению

Было показано, что при условии их равномерного распределения по радиусу радиальная зависимость рассеянного сигнала качественно соответствует расчетной которая имеет достаточно широкий максимум в середине градиентного участк; радиуса и спадает как к периферии, так и к центру плазмы. В экспериментах пс измереиию Птах падение сигнала вблизи центра плазмы компенсировалось резким увеличением сигнала рассеяния за счет раскачки параметрической неустойчивости зондирующей волны, хотя экспериментальный опыт, подтверждаемый расчетами, показывает, что и без этого эффекта точность определения Птах достаточно высока (10%), если отношение сигнала рассеяния в максимуме радиальной зависимости превышает аппаратурные шумы хотя бы па 1(ИВ.

В §2 1Л.З описаны эксперименты по УР на волнах нижнегибршшого частотного диапазона., возбуждаемых кольцевой антенной снаружи стекляного баллона. Сигнал рассеяния в этом случае проявляется на частотном спектре в виде одиночной узко» линии, сдвинутой в "красную" сторону иа частоту НГ волны, что соответствует условиям трёхволнового резонанса при рассеянии на НГ волне, распространяющейся от периферии к центру плазмы. Рассеянный сигнал регистрировался стандартные анализатором спектра, начиная с уровня накачки в несколько милливатт, чте подтверждает наличие большого фактора усиления при ^рассеянии. Для волн < частотой больше 30 МГц был зафиксирован резонансный конус НГ волны, которые проявлялся в виде сигнала УР некотором интервале по радиусу, а также смешение этой локализации при изменении расстояния между НГ антенной и областьк зондирования и при изменений частоты НГ волны. Частотный спектр рассеяния пр| этом состоял из узкой линии, сдвинутой на частоту накачки, , и широкоп шумоподобного "пьедестала" шириной несколько МГц. Изменение локализашп узкой линии хорошо соответствовало расчетному поведению резонансного конуса Однако узкая часть в спектре рассеяния "тонет" в шумовом "пьедестале" по мер! приближения конуса по радиусу к максимальной плотности плазмы. Оставшийся шумовой "пьедестал" не изменяет локализации по радиусу с увеличением расстояни до НГ антенны и быстро затухает. Такое поведение НГ волны можно объяснить © рассеянием на низкочастотных спонтанных колебаниях плазмы. Это подтверждаете;

и

хорошим соответствием формы "пьедестала" форме спектра спонтанных флуктуации, наблюдаемых одновременно. Наличие "пьедестала" также и в "синей" части спектра, гае узкая линия вообще отсутствует, свидетельствует о том, что рассеяние происходит на коротковолновых флуктуациях плазмы. В таком случае вероятной причиной быстрого исчезновения резонансного конуса может являться передача энергии от него к вторичным волнам ("пьедесталу"), которые, в свою очередь, быстро затухают.

При частоте накачки меньше 8 МГц наблюдался параметрический распад волны накачки на две дочерние волны, результаты исследования которого изложены в §3 гл. 3. В частотном спектре рассеяния он проявлялся в виде двух дополнительных сателлитов: один в "красной", другой в "синей" часта спектра относительно частоты зондирования. Появление сателлитов носило пороговый характер по мощности накачки; величина пороговой мощности около 100мВт. При небольшой мощности НГ волны накачки (<1 Вт) частота "красного" сателлита лишь ненамного превосходит частоту, "синего". В разных случаях эта разница составляла 100...300 кГц. При этом всегда частота "красного" сателлита превосходила частоту "синего", а сумма их частот всегда была равна частоте волны накачки. Природу сателлитов проясняет характер их пространственного распределения. Оба. сателлита были локализованы в одной, довольно узкой области по радиусу. При изменении частоты сателлитов (в результате изменения частоты накачки) область их локализации изменялась таким образом, что локальная плотность, при которой они наблюдались, соответствовала нижнегибридной для данной частоты сателлитов. Поэтому можно было предположить, что дочерние воины по своей природе близки нижнегибридцым и локализованным вблизи своего НГ резонанса. При этом волновые векторы сателлитов к1 и кг могут существенно превосходить волновой вектор накачки ко, и для выполнения распадяого условия ко=к!+кг они должны быть направлены в разные стороны, что находит свое подтверждение в виде разного знака частотного сдвига сателлитов, наблюдавшегося в эксперименте.

Четвертая i-пава диссертации посвящена эхсперимептам с использованием время-нролетной модификации усиленного рассеяния, позволяющей, кроме наблюдений частотных спектров плазменных фдуктуаций, производить также измерения спектра их волновых векторов. Идея метода основана на эффекте линейной зависимости времени распространения зондирующей волны td до области рассеяния и обратно от величины волнового вектора колебаний q. на которых произошло рассеяние. (Гусаков Е.З.. Пилия АД.. 1992, О возможности определения пространственного спектра колебаний плазмы методом усиленного рассеяния микроволн. Письма в ЖТФ. 18. 63).

Эта зависимость выражается формулой: ,

«.-^q. О)

do>

гае ©¡-частота зондирующего излучения, Xr-пространственная координата резонанса. Несмотря на малый размер области резонанса, время задержки рассеянного сигнала tj относительно зондирующего является достаточно' большой величиной (в разных случаях от 5 до 60 не) из-за сильного уменьшения групповой скорости электромагнитной волны вблизи резонанса. Такая величина tí вполне поддастся измерению, что позволяет создавать диагностику, базирующуюся на этом эффекте. В данной работе для измерения ta применялась амплитудная модуляция зондирующего излучения короткими импульсами, а также линейная частотная модуляция (ЛЧМ). Е первом случае измеряется задержка отклика рассеянного излучения на кооогкий импульс зондирования. Во втором случае ta определяется фактически по уходу частоты зондирующего ЛЧМ излучения за время Ц проявляющемуся при гомодинном приёме в виде дополнительного сдвига частоть рассеянного сигнала. В обойх случаях, измерив распределение рассеянного сигнал: по временам задержки, можно определить спектр волновых векторов исследуемы; колебаний.

Первые эксперименты по измерению td зондирующей волны были, проведены № установке "Гранит" с двумерно-неоднородной плазмой, в которой для воЛ1 промежуточного частотного диапаюпа реализуется гибридный резонанс типа "фокус' (Архинснко В.И., Будииков В.Н., Гусаков Е.З., Романчук И.А., Симончик Л.В

Исследование параметрической неустойчивости неоднородной плазмы в области линейной трансформации волны накачки // ЖТФ.- 1985.- Т. 55, № 2.- С. 298-313). Параметрически возбуждаемые на этой установке ионно-звуковые волны являлись по ряду' причин удобным объектом для проверки время-пролетной методики. То обстоятельство, что возбуждаемый пучок ионно-звуковых волн распространялся только вдоль магнитного поля, имея при этом узкий частотный спектр, приводило к тому, что весь рассеянный сигнал имел одно время задержки. Существенным обстоятельством являлась также большая величина рассеянного сигнала.. В первом эксперименте зондирующая волна представляла собой последовательность импульсов с достаточно крутым передним фронтом Ц,<10нс<1<|,но с большой длительностью 1Й >100нс>11. Измерения проводились по моменту появления биений рассеянного и зондирующего сигналов на детекторе в приемном тракте, отсчитанному от начала зондирующего импульса. Измеренная зависимость ^ от частоты ионно-звуковых волн хорошо соответствовала расчетной, полученной из формулы для дисперсии ионно-звуковых волн и зависимости (1). Данный модельный эксперимент подтвердил эффект задержки зондирующей волны в гибридном резонансе и показал принципиальную возможность использования этого эффекта для определения волновых векторов.

Для большинства практических применений, когда в спектре рассеянного сигнала содержится болыпе одной частотной компоненты, а величина рассеянного сигнала гораздо меньше, описанная выше схема измерений не применима из-за отсутствия частотного анализа и отражений зондирующего излучения в СВЧ тракте, накладывающихся на полезный сигнал. и затрудняющих его измерение. Поэтому была предложена более универсальная стробоскопическая методика измерения В ней для зондирования плазмы используется когерентная последовательность коротких импульсов, формируемая с помощью быстродействующего модулятора. С помощью аналогичного модулятора, помешенного в приемном тракте, из каждого рассеянного отклика вырезается лишь небольшая часть с данным временем задержки (а . то есть осуществляется стробирование по времени. После этого производится частотный анализ этой когерентной последовательности импульсов рассеянного сигнала

обычным . анализатором спектра. Спектр, получаемый в этом случае, состоит из набора гармоник, расстояние по частоте между которыми обратно пропорционально частоте повторения импульсов зондирования. Типичные параметры импульсной последовательности, использовавшиеся в данных экспериментах, были следующими: длительность импульса 10 не, период повторения 100нс. Для измерений использовался частотный спектр рассеяния одной из центральных гармоник зондирующего'.излучения. Зависимость величины данной частотной составляющей полного спектра, от задержки по времени строб-импульса отоносителыю импульса зондирования давала распределение рассеянного сигнала по tj и соответствующий спектр волновых векторов для этой спектральной компоненты. Если источник шума, определяющий чувствительность приемника, находятся перед строб-модулятором (как к случае, например, циклотронного излучения из токамака), потеря чувствительности при этой методике цо сравнению с обычным УР происходит на величину, равную скважности зондирующих импульсов.

Экспериментальная проверка данной: методики была выполнена на установке "Тралит". Было продемонстрировано, что сигнал рассеяния на параметрически возбуждаемых ионно-звуковых волнах,* имеющих узкий частотный спектр, наблюдается лишь в некотором , интервале времен задержек строб-импульса относительно импульса зондирования.» Измерения были проведены для разных частот ионно-звуковых волн. Измеренные 'при этом разные времена задержек хорошо согласовывались с расчетной зависимостью для ионно-звуковых волн.

На установке "Linde" данная методика вначале была применена для широкого сплошного спектра спонтанных флуртуаций, природа которых ранее была неясна. Частотные спектры спонтанных шумов, измеренные для разных времен задержек ta, существенно отличались от интегралыгопр по q спектра и испытывали существенную модификацию с изменением td таким образом. что при увеличении t<¡ подчеркивалась более высокочастотпая часть спектра! В результате проведённых измерений данные шумы были идентифицированы как ионно-звуковая турбулентность.

Стробоскопическая методика была'применена также для измерения волновых BcKiopoi;, дочйрпих' BWiii, образующиеся в результате распада НГ волны накачки.

Было обнаружено, что сигнал рассеяния на дочерних волнах локализован по временам задержек с максимумом распределения на 25 нр для вашего" саттелита и на 30 не для "красного". Это означало, что обе волны являются достаточно коротковолновыми (А,<1мм), при этом волновой вектор "красного" сателлита несколько больше, чем у "синего"^ Разница их волновых векторов соответствовала расчетному значению волнового вектора' накачки, измерить который в данном эксперименте не удалось. Эти измерения полностью подтвердили модель распада НГ волны накачки, предложенную в Гл.3.

V

В последнем разделе четвертой главы диссертации описаны эксперименты по измерению волновых векторов, выполненные на различных усгановках с применением линейной частотной модуляции зондирующего излучения, а также проведен подробный анализ достоинств, и недостатков метода. Основными преимуществами этого метода являются малые потери 'полезного сигнала н. относительная простота технической .реализации. Главный недостаток применимость только для- колебаний, имеющих узкий частотный спектр. В данном методе измерения проводятся при гомодиниом преобразовании сигнала, при этом "красные" и "сшше" сателлиты при свипировании испытывают сдвиг частоты, относительно исходной в разных направлениям. Первые эксперименты с ЛЧМ были выполнены на установке "Гранит". Скорость свипировання была 8 10,3с"г. В плазме возбуждались ионно-звуковые волны различных частот. Измерения проводились с помощью импульсного анализатора в течение одного периода свипировання (несколько микросекунд). Было показано, что направление сдвига частоты соответствует направлению свипировання, а величина сдвига определяется волновым вектором колебаний.

Наглядные демонстрационные эксперимента, поясняющие методику свипировання и ее преимуществ в случае колебаний с узки»! частотным спектром,были выполнены на установке "Boxes" Рурского университета (Германия), описанной в работе: Enhanced microwave pulse backscatternig off externally exited lower-hybrid waves Brnsehaber B, Kramer M.. Plasma Phys: Coiitr. Fusion 1995 V37, N5, 497-503. Объектом ЛЧМ зондирования служили волны НГ диапазона, возбуждаемые и~вне. Алгяиз спектра проводился за времена много больше периода свипировання, то есть

анализировался рассеянный сигнал от большого количества импульсов свипирования зондирующей частоты. Было продемонстрировано, что форма частотного спектра изменяется в соответствии с характером свипирования частоты, а потери чувствительности по сравнению с зондированием без модуляции практически не происходит. Полученные ta совпали с измеренными ранее с помощью стробоскопической методики.

На установке "Linde" с помощью JI4M зондирования удалось измерить td для НГ волны накачки в условиях ее параметрического распада. Измеренное ta. равное 5нс, является минимальным среди всех измеренных на разных установках и соответствует длине волны 4мм. Измеренные в этих же условиях времена задержек (и соответствующие им волновые векторы) для параметрических сателлитов совпали со значениями, полученными с помощью стробоскопической методики. Это позволило подтвердить выполнение распадиых условий для НГ волны ^накачки.

В конце главы делаются выводы о преимуществах той или иной время-пролетной методики для конкретных условий эксперимента, а также обсуждается возможность Повышения чувствительности стробоскопической методики за счет уменьшения .скважности до 2 без ухудшения разрешения спектра волновых векторов в большинстве практических случаев.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

]. Показано, что наблюдаемый в эксперименте .большой сигнал рассеяния на спонтанных колебаниях плазмы в некотором интервале се параметров связан с условиями существования верхнего гибридного резонанса, то есть с наличием условий для усиленного рассеяния. Исходя из этого, был предложен метол измерения максимальной по сечению плоти остр плазмы с i использованием сигнала УР на спонтанных флуктуаииях.

2. Проведены измерения сип.аЛа УУ на возбуждаемой извне иижнегобридной волне Накачки в широком диапазоне частот. Рассеянный сшнал регистрировался стандартной аппаратурой, начиная с мощности накачки в несколько милливатт, что свидетельствовало о большом факторе усиления. При достаточно высоких частотах накачки (>30 МГц) наблюдал?? резонансны» конус НГ волны. Было обнаружено, что

на его распространение в плазме сильное влияние оказывает взаимодействие с коротковолновыми спонтанными колебаниями.

3. При частотах НГ накачки меньше 8МГц наблюдались нелинейные эффекты, проявляющиеся в появлении двух дополнительных сателлитов в спектре рассеяния. Характер частотного спектра и пространственной локализации сателлитов, а также наличие у них порога по мощности накачки дали возможность классифицировать этот процесс как параметрический распад волны накачки на две дочерние волны, по крайней мере, одна из которых является нижнегибрищной и локализованной вблизи своего резонанса.

4. В модельных экспериментах по рассеянию на ионно-звуковых волнах с узким спектром по частотам и волновым векторам в двумерно-неоднородной плазме подтвержден эффект задержки зондирующей волны в гибридном резонансе, показано, что это время линейно зависит от величины волнового вектора нсследуемых колебаний и что, таким образом, существует принципиальная возможность использования этого эффекта для измерения волновых векторов плазменных колебаний.

5. Для разрешения по волновым векторам различных спектральных компонент сложных частотных спектров была предложена стробоскопическая методика измерений. Она была опробована в модельных экспериментах с ионно-звуковыми Волнами в двумерно-неоднородной плазме. С ее помощью на установке "Linde" была измерена дисперсия спонтанных флуктуаций, позволившая классифицировать их как иоино-звуковую турбулентность,а также длины волн параметрических сателлитов при распаде НГ волны накачки.

6. Была предложена также альтернативная методика определения времени задержки сигнала усиленного рассеяния, использующая линейную частотную модуляцию волны зондирования. Были показаны преимущества данной методики в случае частотных спектров, состоящих из относительно узких линий. В частности, с использованием данной методики был измерен волновой вектор нижнегибрйдной волны накачки в условиях ее параметрического распада, что дало возможность экспериментально подтвердит!, наличие распадных условий по волновым векторам.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Application of the enhanced microwave scattering for diagnostics of lower hubrid waves, Budnikov V.N., Kondratieva L.V., Novik K.M., Piliya A.D., Selenin VX., Int. conf. on Plasma Physics, Pr.Contrib. papers 7 p.307, Lausanna, Switzerland, 1984,

2. Наблюдение резонансного конуса нижнегибридных волн с помощью усиленного рассеяния СВЧ колебаний, Будников В.Н., Кондратьева Л.В., Новик К.М., Сеяеиин BJI., 4 Всероссийская конференция по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой, Ташкент. 1985, Тезисы докладов, стр. 205206.

3. Budnikov V.N., Kondratieva L.V.. Novik К.М., Piliya AD., Selenin VI. Experimental study of low-hybrid wave resonance cone via microwave enhanced scattering 1987 Kiev. Proc. InL conf on Plasma Physics,v.3, p.137.

4. Будников B.H.. Каганская H.M., Новик K.M., Селении BJ1. Общие закономерности взаимодействия НГ волн с плазмой на токам аке и линейной установкс.Препршгг N 1387,Ленинград, 1989, стр.1-19.

5. Будников В.Н.. Каганская КМ.. Новик К.М., Селении BJI. О рассеянии резонансного конуса НГ волн на коротковолновых колебаниях плазмы. 1989, Ташкент, Тезисы докладов 5-ой Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой, стр.157.

6. Budnikov V.N., Kaganskaya N.M., Novik К.М., Selenin V.L. Study of lower hybrid wave instability by the enhanced microwave scattering method 1989 Delhy Proc. of Int conf. on Plasma Phys.. vol.3, p.1045-1048.

7. Будников B.H.. Каганская H.M., Новик К.М.,Пилия АД., Селении ВЛ. Способ определения максимальной концентрации электронов неоднородной плазмы в магнитном полеАвт. свидетельство 1605760, 8 июля 1990 г, 1стр.

8. Будников В.Н., Каганская Н.М., Новик К.М.,Пилия АД., Селении BJI. Способ определения махсимальной концентрации электронов неоднородной плазмы в магнитном полаАвт. свидетельство 1605761, 8 июля 1990 г, 1стр.

9. Будников В.Н.,Новик К.М.,Пилия АД., Селении ВЛ., Эстеркин А.Р. Экспериментальное наблюдение параметрической неустойчивости в окрестности верхнего гибридного резонанса. 1991, Душанбе. Тезисы докладов 6-ой Всероссийской конференции по взаимодействию электро-магаитного излучения с плазмой.

10. Arkhipenko V.I.,Budnikov V.N.,Gnsakov E.Z., Piliya A.D., Selenin V.L.. Simonchik L.V. The time-delay of a microwave signal, baskscattered ai the hybrid resonance and a new possibilities for the diagnostics of small scale plasma fluctuations In: Proc. of 19th EPS Conference on Controlled Fusion arid Plasma Physics, 1992. Innsbruck v.16 С part 2, p.1263-1266.

11. Будников B.H., Каганская H.M., Новик К.М.Лилия АД., Селении BJI., Эстеркин А.Р. Измерение концентрации плазмы методом усиленного рассеяния, 1993. Физика плазмы. Nl,c.92-96.

12. Архипенко В.И.,Будников В.Н.,Гусаков "Е.З.. Селении ВJI., Симончик JI.B. Экспериментальное исследование задержки электромагнитной волны в окрестности гибридного резонанса Письма ЖЭТФ. 1993, т.59, вып.6, с.393-396.

13. Архипенко В.И., Будников В.Н., Гусаков Е.З., Пилия АД., Селении ВЛ., Симончик J1.B. 'Задержка СВЧ сигнала, рассеянного в области гибридного резонанса и новые возможности диагностики коротковолновых плазменных колебаний. Письма ЖТФ. 1993, т. 19, с.40-45.

14. Arkhipenko V.I., Budnikov V.N., Gusakov E.Z.,Kaganskaya N.M., Novik K.M., Selenin V.L., Simonchik L.V. Investigation of small scale plasma fluctuation by the radar backscattering in the vicinity of the upper hybrid resonance. Proc. 21 EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. V.18B(3), p.1200-1203. Montpellier. 1994;

15. Архипенко В.И.Будииков В.Н.,Гусаков Е.З.,Каганская Н.М., Новик K.M., Селении ВЛ..Симончик JIJJ. Исследование мелкомасштабных плазменных флуктуации в окрестности ВГР с помощью время-пролетной диагностики _ Труды конференции "физика и техника плазмььМинск Беларусь. 1994,стр. 148-151.

16. Гусаков Е.З., Каганская Н.М., Новик K.M., Селении В Л. Задержка сигаала рассеяния электромагнитной волны в области ВГР и время-пролётная диагностика плазменных флуктуаций. Письма ЖТФ, 1995 21(14) стр.11-17.

П.Брюесехабер Б., Гусаков Е.З., Кремер М., Новик K.M., Пилия АД., Селении ВЛ. Исследование пространственного спектра нижнегибридных волн методом усиленного рассеяния СВЧ излучения с частотной модуляцией Письма ЖТФ, 1995, т236, в13, 38-44.

18. Arkhipenko V.l., Braesehaber В., Budnikov V.N. Gusakov EZ., Iis E.R., Kaganskaya N.M.. Kraemer M.,Novik K.M., Piliya A.D., Selenin V.L., Shorikov V.Yu., ! Simonchik L.V., Stepanov A.Yu. Investigation of small scale plasma fluctuation by radar baclcscattering in the upper hybrid resonance. Plasma Physics Control-Fasion. 1995, v.37, A347-A357.

Отпечатано в типографии ПИЯФ 188350, Гатчина Ленинградской обл., Орлова роща Зак. 507, тир. 100, уч.-изд. л. 1; 22.12.1997 г.