Формирование дактов плотности полем электромагнитного источника в магнитоактивной плазменной среде и особенности возбуждения в них волн свистового диапазона

• Автор: Курина, Людмила Евгеньевна
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 220 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ
Нелинейное воздействие электромагнитных полей достаточно мощных источников на окружающую плазменную среду приводит, как известно [1-6], к формированию плазменных структур, оказывающих, в свою очередь, существенное влияние на характеристики источников [7,8]. Интерес к нелинейным эффектам, проявляющимся в интенсивных электромагнитных полях в плазме, продиктован, в частности, разработкой методов волновой диагностики ионосферной и магнитосферной плазмы [9,10], проведением активных космических экспериментов с использованием электромагнитных излучателей, установленных на искусственных спутниках Земли [10], а также задачами высокочастотного нагрева плазмы в магнитном поле [4,11]. В связи с этим, исследование структуры и динамики самосогласованных плазменно-полевых образований, возникающих вследствие нелинейных эффектов в электромагнитном поле источника, представляется весьма актуальным.
В магнитоактивной плазме нелинейные явления, возникающие при ее локальном нагреве в неоднородном электрическом поле, приводят, как правило, к образованию вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменных неоднородностей - так называемых, дактов плотности. Протяженность формирующихся квазицилиндрических дактов может быть настолько значительной, что они оказывают существенное влияние на структуру поля источника не только в ближней, но и в волновой (дальней) зоне. В частности, наличие таких “околоантенных” волноводных каналов может привести к значительному изменению характеристик излучения источников, по сравнению со случаем их размещения в однородной фоновой плазме [7,8].
В настоящее время наблюдается повышенный интерес к задачам возбуждения и распространения в дактах плотности волн свистового диапазона (вистлеров). Интерес обусловлен с одной стороны тем, что свистовые волны, существующие в условиях околоземного космического пространства, могут играть весьма важную роль применительно ко

многим фундаментальным проблемам физики космической плазмы [12-14]. С другой стороны, в последние годы проведен ряд экспериментальных исследований, важных с точки зрения практических приложений (формирование в ионосфере низкочастотных плазменно-волноводных излучающих систем [8-15], использование высокочастотного разряда в поле вистлеров в геликонных источниках плазмы [16-18] и др.).
Необходимо отметить, что проблеме нелинейного формирования вытянутых вдоль внешнего магнитного поля плазменных неоднородностей в космической и лабораторной плазме и распространению в них электромагнитного излучения посвящено довольно большое число работ (см. например, [4-53]). В бесстолкновительной магнитоактивной плазме в результате действия пондеромоторной силы [19,20] образуются дакты с довольно незначительным перепадом плотности (см. например, [43-45]). Поэтому их влияние на характеристики излучения электромагнитных источников невелико. Представляющие больший практический интерес дакты с значительными перепадами плотности формируются, как правило, вследствие тепловых и ионизационных нелинейных эффектов [28-32].
Из экспериментальных иследований формирования дактов в условиях тепловой нелинейности следует отметить работы [31-32], в которых наблюдались дакты с пониженной относительно фона плотностью, возникающие вследствие термодиффузии магнитоактивной плазмы при ее нагреве в квазистатическом поле антенны. Обсуждению вопросов формирования соответствующих плазменных структур посвящены работы [33,34], причем рассмотрение проводилось для заданных модельных стационарных профилей электронной температуры, отвечающих малым размерам источника по сравнению с характерными продольным и поперечным масштабами электронной теплопроводности. Указанные приближения далеко не всегда соответствуют условиям конкретных экспериментов. Поэтому дальнейшее исследование процессов термодиффузии магнитоактивной плазмы, в особенности возможностей формирования дактов с повышенной плотностью или сложным немонотонным профилем плотности, представляется чрезвычайно важным.
Ионизационное самовоздействие электромагнитных полей, приводящее к образованию дактов плотности, исследовалось экспериментально и теоретически в работах [6,28-30,39-42]. В них применительно к различным частным случаям обсуждался ВЧ пробой (в квазистатических или волновых полях) фонового нейтрального газа при наличии внешнего

магнитного поля. Следует, однако, отметить, что в литературе практически отсутствуют теоретические работы по ионизационному формированию дактов в изначально существующей (фоновой) плазме, хотя такая постановка характерна для ряда активных ионосферных экспериментов [15,49-53], результаты которых представляют значительный интерес с точки зрения возможности формирования самосогласованных плазменных антенн полями мощных электромагнитных источников в околоземном космическом пространстве. Таким образом, изучение особенностей ионизационного формирования дактов плотности в магнитоактивной плазме является актуальной задачей.
Что касается влияния дактов плотности на возбуждение и распространение электромагнитного излучения в магнитоактивной плазме, то следует отметить, что сравнительно недавно была разработана строгая теория возбуждения и распространения волн свистового диапазона при наличии цилиндрических дактов [54-62]. Было установлено, что наличие уже сформированных дактов плотности приводит к заметному изменению условий возбуждения и распространения свистовых волн и может способствовать значительному повышению эффективности низкочастотных излучателей. В указанных работах рассмотрение проводилось в основном для бесстолкновительной, либо слабостолкновитель-ной плазменной среды, в то время, как дакты, возникающие в условиях ионизационной нелинейности, могут характеризоваться сравнительно большим значением эффективной частоты столкновений. При этом наличие потерь, связанных, например, с электронными столкновениями, может приводить к различным (как негативным, так и позитивным) эффектам, оказывающим существенное влияние на пространственную структуру полей источников и, в итоге, на их характеристики излучения. Следует иметь в виду, что при увеличении мощности излучения имеет место ионизационное самовоздействие волновых полей, также сопровождающееся формированием дактов плотности и сравнительно слабо изученное применительно к свистовому диапазону частот. В связи с вытекающими отсюда перспективными приложениями, весьма важным является дальнейшее теоретическое исследование как процессов формирования дактов, так и особенностей возбуждения и волноводного распространения вистлеров в них.
Настоящая работа посвящена изучению особенностей формирования протяженных плазменно-волноводных структур (дактов плотности), возникающих вследствие тепловых и ионизационных нелинейных

величина vRi ночью значительно меньше.
Несомненный интерес представляет сравнение результатов лабораторных экпериментальных исследований [31, 32] динамики термодиффузионного формирования дактов плотности в замагниченной плазме с результатами численного расчета, выполненного для таких же параметров источника, и среды.
В экспериментах [31, 32] коэффициенты переноса для электронов замагниченной плазмы (£Го — 200Э) были обусловлены электрон-ионными столкновениями, а для ионов - ион-нейтральными столкновениями и равны: De ц = 1,2 107 см2/с, De± = 1,1-103 см2/с, Л гц = 4,6 106 см 2/с, Dj± = 2,4-104 см2/с при следующих параметрах частично ионизованной плазмы - Тео ~ Ti « 0,4эВ, uei и 108с-1, Vin рв 5 104 с-1 (частота ион-нейтральных столкновений определялась процессом перезарядки)
нагреве электронов температуру ионов можно было полагать невозму-

щеннои, так как в эксперименте выполнялось соотношение г/гп >> ~дРег-Источником нагрева электронов служила рамочная антенна радиусом ао — 0,8см. Характерный поперечный масштаб электронной тепло-

проводности в невозмущенной плазме A_l ~ -= « 3,2 см был зна-
UHV°ei
чительно больше радиуса антенны: Ах/ао = 4 (VrK - тепловая скорость электронов). Поэтому при расчетах модельное представление источника нагрева было выбрано в виде (1.30), причем 1ех — 1 см и /е\ — 20 см. Масштабы источника нагрева I ех и I е\ определялись в соответствии с характерными масштабами спадания квазистатического поля рамочной антенны. При этом, как будет показано в следующей главе, п.2.1, в качестве характерного поперечного масштаба молено выбрать размер антенны ао, а в качестве продольного - расстояние вдоль оси 2 до фокальной области z* ~ щшн/ш, формирующейся в окрестности пересечения направляющих резонансного конуса.
Отношения масштабов источника нагрева ~ 2üj было порядка
26) (см. раздел 1.2). Сле-
ГіА и
характеристического отношения [,
V 1 еСрЛ'Х
довательно, вначале скорость термодиффузионных процессов определялась в продольном направлении электронами, а в поперечном - ионами. В результате продольного (характерное время тц ~ 3 10_5с) и поперечного (характерное время т± ~ 4 10_г’с) выноса плазмы из области нагрева формировался дакт с пониженным значением плотности плаз-