Импульсные режимы электронно-циклотронной неустойчивости плазмы в открытой магнитной ловушке

• Автор: Викторов, Михаил Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 137 с. : ил.

Содержание
Введение
Глава 1. Описание экспериментальной установки и методов диагностики
1.1. Описание экспериментального стенда
1.2. Методы диагностики
Глава 2. Экспериментальные результаты исследования циклотронной неустойчивости разреженной плазмы ЭЦР разряда
2.1. Особенности развития циклотронных неустойчивостей плазмы на разных стадиях ЭЦР разряда
2.2. Циклотронная неустойчивость разреженной плазмы на начальной стадии ЭЦР разряда
2.3. Циклотронная неустойчивость разреженной плазмы на стадии распада плазмы
Глава 3. Теоретическое исследование импульсных режимов электронно-циклотронной неустойчивости разреженной плазмы
3.1. Исследование временных структур релаксационных колебаний при циклотронной неустойчивости распадающейся плазмы ЭЦР разряда
3.2. Характерные режимы циклотронной неустойчивости на начальной стадии ЭЦР разряда
Заключение
Литература

Введение
Актуальность работы
Интерес к теоретическим и экспериментальным исследованиям процессов генерации электромагнитного излучения плазмой, удерживаемой в магнитных ловушках, в результате взаимодействия волн и частиц в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР) связан, с одной стороны, с определяющей ролью, которую эти процессы играют в образовании электромагнитного излучения Земли и планет, формировании их радиационных поясов, а с другой стороны - с целым рядом возможных практических приложений такой плазмы.
Активные исследования электромагнитного излучения, генерируемого в магнитосфере Земли [1] и планет-гигантов [2], привели к созданию концепции циклотронных мазеров [3-6]. Наиболее изученный тип циклотронных мазеров, свистовые (электронные) и альфвеновские (ионные) мазеры, реализуется в магнитных силовых трубках ловушечной конфигурации, заполненных плотной холодной плазмой с малой добавкой энергичных частиц с анизотропной функцией распределения [4]. Например, во внутренней магнитосфере Земли в таких системах в результате развития электронноциклотронных неустойчивостей возможна генерация волн свистового диапазона частот: крайне-низкочастотного излучения (КНЧ) в диапазоне от 3 Гц до ЗкГц и очень-низкочастотного излучения (ОНЧ) в диапазоне от 3 до 30 кГц [7]. В магнитосфере Земли наблюдается большое разнообразие типов КНЧ-ОНЧ излучений. Хорошо известны квазипериодические КНЧ излучения С^Р-1 и С^Р-2 с периодом 10-150 с [3] и хоровые КНЧ излучения с характерными периодами 0.1-1 с [4]. Появляется все больше работ, в которых обсуждаются новые экспериментальные данные по исследованию различных типов импульсных квазипериодических излучений с околоземных спутников [8, 9]. В этих работах большое внимание уделяется объяснению,
как временных особенностей регистрируемого излучения, так и анализу его частотного спектра. Успешный анализ тонкой структуры спектров КНЧ-ОНЧ излучения на основе теории циклотронных мазеров [3, 10] позволяет диагностировать недоступные для прямого измерения глобальные свойства магнитосферной плазмы [11]: степень анизотропии функции распределения захваченных частиц, концентрацию фоновой плазмы, мощность источника энергичных частиц, время жизни энергичных частиц в магнитной ловушке, режим питч-угловой диффузии при конкретных геофизических условиях, частотную зависимость добротности магнитосферного резонатора и некоторые другие.
Другой тип циклотронных неустойчивостей реализуется в достаточно разреженной плазме при плотности энергичной компоненты сравнимой или превышающей плотность холодных электронов [5]. Именно в таких условиях генерируются всплески аврорального километрового радиоизлучения (АКР) Земли в диапазоне частот от 50 до 600 кГц, которое является самым мощным естественным нетепловым излучением магнитосферы планеты [12, 13]. Предложенная в [14] электронно-циклотронная мазерная неустойчивость в настоящее время является общепризнанным механизмом, позволившим с единых позиций объяснить природу и основные свойства АКР, а также генерацию аврорального радиоизлучения в магнитосферах Юпитера [15-17], Сатурна [18, 19], Урана [20, 21] и Нептуна [22]. С функционированием данного типа циклотронного мазера связывают происхождение некоторых типов солнечных радио всплесков [23] и некоторых типов всплесков излучения звезд [24-26].
За последнее время теоретические и экспериментальные (спутниковые) исследования позволили, используя механизм циклотронной мазерной неустойчивости, объяснить многие свойства АКР, такие как: генерацию излучения в областях пониженной плотности на локальной гирочастоте электронов, высокую интенсивность излучения и ее связь с магнитосферными

Рис. 1.6. Реконструированная для измерения скорости инжекции газа ионизационная лампа ПМИ-2.
верстия, что обеспечивало быстрый доступ газа в разрядный объем. Ток коллектора лампы линейно связан с давлением напускаемого в камеру газа, где коэффициент пропорциональности зависит от сорта газа. Абсолютные значения давления, полученные с помощью модернизованной ионизационной лампы, калибровались стандартным преобразователем при стационарном давлении газа.
Результаты измерений представлены на рисунке 1.7. Задержка между моментом открытия клапана и фиксируемым изменением давления в разрядной камере составляет от 8 до 11 мс. На графиках видно, что при фиксированном напряжении на клапане и к величина задержки между открытием клапана и увеличением давления в разрядной камере увеличивается при уменьшении давления в ресиверном объеме рк (см. рисунок 1.7 (а)). Однако при изменении напряжения питания клапана при фиксированном давлении в ресиверном объеме величина задержки остается постоянной (см. рисунок 1.7 (б)). Здесь следует учесть, что измерения давления проводились в центре камеры, следовательно, фиксируемый интервал времени превышает действительную величину задержки попадания газа в камеру. Кроме того, значительный вклад в увеличение полученной задержки вносит эффект вязкости течения газа по трубке системы инжекции газа.
Из анализа полученных данных следует, что скорость инжекции рабочего газа в разрядную камеру существенно зависит от давления газа рк в