На правах рукописи

ГУЩИН Михаил Евгеньевич

АБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛН
СВИСТОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ В ПЛАЗМЕ
С НЕСТАЦИОНАРНЫМ
И НЕОДНОРОДНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

01.04.08 - физика плазмы

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель доктор физико-математических наук

А.В. Костров

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Н.С. Степанов

доктор физико-математических наук,

профессор П.А. Беспалов

Ведущая организация Институт космических исследований РАН

Защита состоится мая 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950 г.аНижний Новгород, ул. Ульянова, д.46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики Российской академии наук.

Автореферат разослан л ___ _____________ 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук,

профессор Ю. В. Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Низкочастотные волны, возбуждаемые в околоземной плазме наземными и спутниковыми передатчиками, а также естественные излучения, формирующиеся в ионосфере и магнитосфере, представляют большой интерес в связи с различными научными и техническими приложениями. Значительная часть низкочастотных сигналов распространяется в магнитоактивной плазме ближнего космоса в виде волн свистового диапазона частот (вистлеров). В современных магнитосферных исследованиях регистрация и анализ волн крайне низких и очень низких частот (КНЧ и ОНЧ) являются приоритетными задачами. Искусственные и естественные вистлеры используются для диагностики и мониторинга плазменного окружения Земли [1], в экспериментах по контролируемым высыпаниям энергичных частиц [2]. В настоящее время обсуждаются программы по активному воздействию на процессы генерации естественных магнитосферных излучений [3].

В процессе возбуждения и при распространении вистлеры подвержены влиянию вариаций различных параметров магнитосферы. Часто наблюдаются такие явления, как уширение спектра, модуляция амплитуды и частоты ОНЧ волн. Кроме того, в областях с пространственно-неоднородными магнитосферными возмущениями могут формироваться специфические волноводные структуры, способствующие транспортировке излучения в режиме волноводного распространения. Традиционно эффекты обогащения частотного спектра и изменения пространственной структуры вистлеров объясняются вариациями плотности околоземной плазмы. Однако в исследовательских программах последних лет, например, в рамках проекта Cluster [4], значительное внимание уделяется изучению возмущений магнитного поля. В частности, большой интерес представляют физические процессы в турбулентном (магнитном) слое и в зоне нейтрального слоя, где, наряду со всплесками КНЧЦОНЧ излучений, регистрируются интенсивные (B/B0а~а100%) магнитные возмущения. Корреляция низкочастотных сигналов и магнитных вариаций, отмечаемая в магнитосфере, требует всестороннего анализа механизмов модуляции вистлеров нестационарными и пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля.

Техническая сложность и высокая стоимость программ космических исследований оправдывают изучение плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории. В последние десятилетия научными группами из разных стран построены крупномасштабные стенды для моделирования явлений в космической плазме (см., например, [5]). Богатый опыт, накопленный в сфере экспериментальной физики плазмы, обширный арсенал разработанных диагностических средств, успехи, достигнутые в автоматизации плазменного эксперимента, новые эффективные технологии сбора и обработки данных делают лабораторное моделирование перспективным подходом к изучению физических процессов в космической плазме.

Цель работы

Целью диссертационной работы является лабораторное исследование влияния нестационарных и пространственно-неоднородных возмущений магнитного поля на процессы возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот. Работа выполнена на экспериментальном стенде Крот, предназначенном для моделирования физических процессов в космической плазме.

Научная новизна

1. Экспериментально исследовано преобразование частоты излучения свистового диапазона в плазме с нестационарным магнитным полем. Показано, что наблюдаемая частотная модуляция свистовых волн относится к классу нерезонансных параметрических явлений. Предложена упрощенная модель, позволяющая связать параметры частотной модуляции вистлеров с характеристиками магнитных возмущений.
2. Продемонстрирован эффективный механизм амплитудной модуляции излучения в плазме с нестационарным магнитным полем, обусловленный эффектами нерезонансной модуляции частоты и сильной дисперсией групповой скорости волн свистового диапазона. Показано, что при квазипериодической модуляции магнитного поля комплекс параметрических и дисперсионных явлений приводит к формированию из непрерывных свистовых волн последовательностей волновых пакетов с модулированной частотой заполнения.
3. В лабораторном эксперименте впервые изучено рассеяние вистлеров неоднородностями магнитного поля, создаваемыми в плазме с квазиоднородным распределением плотности. Показано, что протяженные неоднородности магнитного поля, на масштабе которых укладывается несколько длин волн, могут существенно изменять структуру электромагнитных полей и способствовать эффективной транспортировке излучения свистового диапазона частот.
4. Предложен новый электродинамический способ управления излучением свистовых волн рамочной антенной за счет локальной модификации магнитного поля вблизи антенны. Предложен метод создания искусственной неоднородности магнитного поля, заключающийся в пропускании по антенне, наряду с переменным током на рабочей частоте, дополнительного постоянного тока. Показано, что при создании околоантенной неоднородности магнитного поля мощность, излучаемая в свистовые волны, может быть увеличена более чем на порядок.

Научная и практическая и ценность

В ходе выполнения диссертационной работы изучены механизмы влияния нестационарных и пространственно-неоднородных вариаций магнитного поля на процессы возбуждения и распространения волн свистового диапазона частот, которые ранее систематически не исследовались. Эффекты нерезонансной амплитудно-частотной модуляции излучения важны для магнитосферных приложений, и позволяют объяснить модуляцию волн в околоземной плазме без привлечения традиционно рассматриваемых механизмов резонансного рассеяния. Эффекты нерезонансной модуляции излучения могут использоваться для диагностики нестационарных вариаций магнитного поля в околоземной плазме (по характеристикам естественных излучений, при инжекции искусственных КНЧЦОНЧ волн с поверхности Земли и с борта космических аппаратов) и в экспериментах по управляемому термоядерному синтезу. Результаты, полученные при исследовании эффектов рассеяния свистовых волн на неоднородностях магнитного поля, важны для объяснения изменения условий распространения свистовых волн при сильных геомагнитных возмущениях и внедрении в магнитосферу потоков энергичных частиц. В диссертации показано, что искусственные неоднородности магнитного поля позволяют управлять импедансными характеристиками антенн, используемых для излучения и приема волн свистового диапазона частот.

Публикации и апробация результатов

Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах ИПФаРАН и докладывались на XXX-XXXIII Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2003аЦа2006), VIII и IX Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2003аЦа2004), VI Международном Суздальском симпозиуме (Москва, 2004), Международной конференции по физике низкотемпературной плазмы PLTP-03 (Киев, Украина, 2003), 30 Конференции Европейского физического общества по физике плазмы и УТС (Санкт-Петербург, 2003), Конференции молодых ученых Нелинейные волновые процессы (Нижний Новгород, 2004), 12 Международном конгрессе по физике плазмы ICPP-2004 (Ницца, Франция, 2004), 8 Международной школе по лабораторным и космическим плазменным экспериментам IPELS-05 (Тромсе, Норвегия, 2005), XI Региональной конференции по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 2005), 36 конгрессе COSPAR (Пекин, Китай, 2006), 2 Международной школе по низкочастотным излучениям в ионосфере и магнитосфере VERSIM-2006 (Соданкюля, Финляндия, 2006).

По теме диссертации опубликовано 6 статей в научных журналах и 1 препринт. Результаты изложены в сборниках трудов и тезисах докладов российских и международных конференций.

ичный вклад автора

Диссертация выполнена на крупномасштабном экспериментальном стенде, и основные результаты выполненной работы получены в соавторстве. Однако вклад автора во все исследования, которым посвящена диссертация, является определяющим. Автор руководил работами, результаты которых представлены в диссертации, ему принадлежит решающая роль в планировании и проведении экспериментов, выборе экспериментальных методик, интерпретации экспериментальных данных, разработке теоретических моделей.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Нерезонансные параметрические эффекты играют важную роль в процессах преобразования спектра электромагнитного излучения в нестационарной магнитоактивной плазме. Относительные сдвиги частоты излучения достигают значений порядка относительной величины вариаций магнитного поля. Эффекты амплитудно-частотной модуляции излучения свистового диапазона могут использоваться для диагностики нестационарных вариаций магнитного поля в космической и лабораторной плазме.
2. В плазме с квазипериодическими возмущениями магнитного поля параметрическая модуляция частоты излучения, при наличии сильной дисперсии групповой скорости, приводит к преобразованию изначально непрерывных волн свистового диапазона в последовательности волновых пакетов с модулированной частотой заполнения.
3. Амплитудная модуляция частотно-модулированных (ЧМ) сигналов свистового диапазона частот обусловлена сжатием (растяжением) отдельных участков волны за счет дисперсии групповой скорости и зависимостью декремента затухания вистлеров от частоты. При распространении ЧМ волн свистового диапазона в неоднородных плазменных структурах (дактах) дополнительные эффекты амплитудной модуляции возникают за счет интерференции волноводных мод, имеющих различные групповые скорости.
4. Неоднородности магнитного поля, формируемые в плазме с квазиоднородным распределением плотности, оказывают существенное влияние на структуру волновых полей, возбуждаемых в свистовом диапазоне частот. Области с увеличенным магнитным полем фокусируют наклонные волны свистового диапазона, области с пониженным магнитным полем, напротив, дефокусируют излучение. Вытянутые неоднородности, на масштабе которых укладывается несколько длин свистовых волн, удерживают излучение, и способствуют его эффективной транспортировке вдоль направления магнитного поля.
5. Эффективность рамочной антенны, работающей в свистовом диапазоне частот, может быть увеличена за счет локальной модификации магнитного поля. Управление излучением (приемом) вистлеров может осуществляться при пропускании по антенне, наряду с переменным током на рабочей частоте, дополнительного постоянного тока, возмущающего статическое магнитное поле вблизи рамки.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 125 страниц, включая 58 рисунков и 3 таблицы. Список цитированной литературы содержит 140 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований, кратко изложено содержание диссертации.

В главе 1 приводится описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования, составляющие основу диссертации. Проблемы, связанные с лабораторным моделированием волновых процессов в околоземной плазме, изложены в разделе 1.1. Адекватное моделирование процессов возбуждения и распространения волн, при условии измерения параметров плазмы и волновых полей с высоким пространственно-временным разрешением, возможно только на крупномасштабных установках. Стенд Крот был специально создан для моделирования физических явлений в плазме ближнего космоса. Его параметры приводятся в разделе 1.2. Квазиоднородный столб магнитоактивной плазмы длиной 4ам и диаметром до 1.5ам формируется в результате импульсного индукционного высокочастотного разряда в аргоне (давление нейтрального газа pа=а4Ц7аа10-4аторр, мощность плазмосоздающих генераторов порядка 1аМВт, частота 5аМГц). Максимальная концентрация плазмы достигает значения 2аа1013асм-3, максимальная величина магнитного поля 1акГс. Эксперименты, описанные в диссертации, производились в распадающейся плазме, при плотностях n0а=а1010аЦа1012асм-3, значениях температуры электронов Teа=а0.2аЦа1.5аэВ, ионной температуре Tiаа0.5аэВ. Раздел 1.3 содержит описание методов, использовавшихся для диагностики параметров плазмы и магнитного поля. Применялись традиционные зондовые методы (одиночные и двойные электростатические зонды), методы бесконтактной диагностики (СВЧ-интерферометр), миниатюрные зонды с СВЧ-резонаторами, многосеточный анализатор энергий электронов. Измерение и контроль возмущений магнитного поля осуществлялись магнитными зондами, а также методом циклотронного резонанса. Возбуждение и детектирование высокочастотных полей в плазме производились с помощью антенн, описанных в разделе 1.4. В экспериментах использовались, главным образом, изолированные электрически экранированные рамочные антенны.