научная статья по теме БЛИЖНЕЕ ПОЛЕ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ В ПЛАЗМЕ В СВИСТОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ Физика

Текст научной статьи на тему «БЛИЖНЕЕ ПОЛЕ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ В ПЛАЗМЕ В СВИСТОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ»

ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 2, с. 120-127

КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ В ПЛАЗМЕ

УДК 533.951,537.87

БЛИЖНЕЕ ПОЛЕ РАМОЧНОЙ АНТЕННЫ В ПЛАЗМЕ В СВИСТОВОМ ДИАПАЗОНЕ ЧАСТОТ

© 2007 г. С. В. Коробков, M. Е. Гущин, А. В. Костров, А. В. Стриковский, К. Краффт*

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород, Россия *Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas, Université Paris-Sud, France Поступила в редакцию 11.01.2006 г.

Окончательный вариант получен 08.06.2006 г.

Экспериментально и теоретически изучена структура высокочастотных магнитных полей вблизи рамочной антенны, работающей в свистовом диапазоне частот. Лабораторные эксперименты выполнены в широком частотном диапазоне при различных значениях плотности плазмы, электронной температуры и внешнего магнитного поля. Обнаружено, что распределение магнитных полей малой (в масштабе длины волны квазипродольного вистлера) антенны не отличается от распределения поля витка с током в вакууме; если рамку нельзя считать электрически малой, то высокочастотное поле локализуется вблизи провода антенны. Проведен численный расчет, результаты которого соответствуют экспериментально полученным распределениям полей. Для расчета использовано спектральное разложение высокочастотных полей по собственным модам магнитоак-тивной плазмы, с учетом как распространяющихся, так и нераспространяющихся (экспоненциально затухающих) волн, вклад которых вблизи антенны является определяющим. Предложена аналитическая оценка глубины проникновения высокочастотного магнитного поля рамочной антенны в плазму.

PACS: 52.35.Hr.

ВВЕДЕНИЕ

Интерес к исследованию полей и импедансных характеристик рамочных антенн, помещенных в плазму, вызван, прежде всего, их широким использованием в космических и лабораторных экспериментах. Рамочные антенны (или антенны магнитного типа), установленные на борту космических аппаратов, применяются для излучения и приема волн различных частотных диапазонов, регистрации естественных излучений, формирующихся в ионосфере и магнитосфере Земли [1, 2]. В отдельных ионосферных экспериментах использовались спутниковые рамочные антенны диаметром до 20 м [3, 4]. В лабораторных условиях магнитные рамки используются при исследовании волновых процессов в плазме в качестве излучающих и диагностических антенн [5].

Особый интерес вызывают вопросы, касающиеся использования рамочных антенн в свистовом диапазоне частот. В многочисленных теоретических работах, посвященных исследованию свойств рамочных антенн в указанном диапазоне, рассматривались их импедансные характеристики [6, 7], поля излучения [8], выполнялись расчеты параметров антенн применительно к условиям космического эксперимента [9]. Структура магнитных полей вблизи рамочного излучателя исследовалась в квазистатическом приближении [7, 10], в условиях, когда длина воз-

буждаемых свистовых волн значительно превышает размер антенны. Модельные эксперименты и теоретические расчеты показывают, что импеданс электрически малой рамки, помещенной в магнитоактивную плазму, не отличается от ее импеданса в вакууме [11]. Между тем, большой интерес представляет распределение поля вблизи рамочной антенны, не являющейся электрически малой; в этой ситуации, в частности, структура переменного магнитного поля может сильно отличаться от полей антенны в отсутствие плазмы.

Вопрос о структуре ближнего поля рамочной антенны, помещенной в плазму, тесно связан с проблемой проникновения высокочастотных (ВЧ) полей в плазму индукционного разряда [12]. Рамочные антенны (индукторы) являются основными элементами плазмосоздающей системы в источниках индукционного типа. В последнее время широкое распространение получили источники плотной (до Ые = 1014 см3) плазмы на базе ВЧ индукционного разряда в сильном магнитном поле [13]. Обычно частота плазмосоздающих генераторов, применяемых в источниках данного типа, также называемых геликонными, соответствует свистовому диапазону. В подобных системах особенно важно знать характер проникновения ВЧ-поля в плазму: в сильном магнитном поле таких разрядов (В ~ 103 Гс) процессы поперечного переноса заряженных частиц сильно подавлены, в результате чего распределение плотности плаз-

(а)

В2, отн. ед.

В

2.4 Во Во

-200

-100

100

200 2, СМ

Рис. 1. Схема экспериментальной установки (а): 1 -рамочная антенна диаметром 2Я = 20 см, 2 - диагностическая рамочная антенна, 3 - двойной зонд, 4 -СВЧ-зонд; распределение внешнего магнитного поля вдоль оси вакуумной камеры (б).

мы в поперечном (по отношению к направлению магнитного поля) сечении разряда и эффективность ионизации нейтрального газа существенно зависят от структуры ВЧ индукционных полей плазмосоздающей системы [14].

В настоящей работе представлены результаты исследования структуры ВЧ магнитного поля рамочной антенны, работающей в свистовом диапазоне частот. Исследование проведено на большом экспериментальном стенде "Крот", размер плазменного столба которого позволил провести эксперименты в приближении "безграничной" плазмы. Большой диаметр рамочной антенны, в свою очередь, сделал возможным подробное изучение структуры ее ближнего поля с помощью измерительных антенн малого размера.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальная установка "Крот" представляет собой вакуумную камеру длиной 10 м и диаметром 3 м (рис. 1а). Магнитное поле пробочной конфигурации (пробочное отношение Я = 2.4) (рис. 16) создается с помощью соленоида, установленного внутри вакуумного объема. Цилиндрический плазменный столб (длина 4 м, диаметр 1.5 м), не контактирующий с металлическими стенками камеры, формируется в результате импульсного индукционного ВЧ-разряда (/^ = 5 МГц, Р^п ~ 150-250 кВт, трике = 1 мс) в аргоне при давлении р = (2-7) х 10-4 Тор. Максимальная плотность плазмы в момент разряда достигает значения порядка 1012 см-3, температура электронов и

12 R, см

Рис. 2. Структура ВЧ магнитного поля рамки (Я = 10 см) в вакууме на расстоянии 5 см от ее плоскости при частоте подводимого сигнала / = 1 МГц.

ионов - Те ~ 10 эВ и Т < 0.5 эВ, соответственно. Эксперименты проводились в распадающейся плазме, после выключения плазмосоздающих генераторов. Распад плазмы определяется процессом амбиполярной диффузии электронов вдоль магнитного поля с характерным временем tp ~ 3 мс.

В экспериментах исследовалась структура ближнего поля рамочной антенны в форме кольца диаметром В = 20 см, установленной в центральном сечении вакуумной камеры. К антенне подводился ВЧ-сигнал малой мощности (Р < 0.1 Вт), что исключало развитие тепловых нелинейных эффектов в ближнем поле. Измерения ВЧ ближнего магнитного поля выполнялись с помощью экранированной одновитковой антенны магнитного типа диаметром 1 см, установленной на расстоянии 5 см от плоскости рамки. Структура ближнего поля рамочной антенны исследовалась в широком диапазоне частот (/ = 1-100 МГц), параметров плазмы (Ые = 3 х 1010-1012 см-3, Те ~ 110 эВ) и величин внешнего магнитного поля (В0 = = 10-150 Гс). Измерения плотности плазмы выполнялись миниатюрным зондом с СВЧ-резона-тором из отрезка двухпроводной линии [15]. Для измерения температуры электронов применялся двойной зонд.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Распределение ВЧ магнитного поля рамочной антенны в отсутствие плазмы (в вакууме) показано на рис. 2. Представленный результат получен при частоте сигнала, подводимого к рамке, / = = 1 МГц. В ходе экспериментов выполнялись измерения продольной (В2) компоненты ВЧ магнитного поля. "Вакуумная" структура поля антенны

0

Б2, отн. ед. Б2, отн. ед.

Рис. 3. Распределение амплитуды ВЧ магнитных полей рамки (Я = 10 см) на расстоянии 5 см от ее плоскости при фиксированном внешнем магнитном поле (Во = 85 Гс) и частоте /= 20 МГц при различных концентрациях плазмы (1 -

N = 1011 см-3, 2 - 1.5 х 1011 см-3, 3 - 3 х 1011 см-3, 4 - 5 х 1011 см-3, 5 - 1012 см-3): а) - экспериментальные данные; б) -результаты расчета.

Б2, отн. ед. Б2, отн. ед.

Рис. 4. Распределение амплитуды ВЧ магнитных полей рамки (Я = 10 см) на расстоянии 5 см от ее плоскости при фиксированной концентрации плазмы ^ = 1012 см-3) и частоте / = 3 МГц при различных величинах внешнего магнитного поля (1 - В0 = 18 Гс, 2 - 35 Гс, 3 - 70 Гс, 4 - 125 Гс): а) - экспериментальные данные; б) - результаты расчета.

в приосевой области имеет практически плоский участок, вблизи провода (г < 10 см) амплитуда ВЧ магнитного поля спадает.

На рис. 3 а показаны распределения ВЧ магнитного поля, построенные при различных концентрациях плазмы. Измерения выполнялись при фиксированном значении магнитного поля (В0 = = 85 Гс) в различные моменты времени после выключения плазмосоздающих генераторов. Частота сигнала, подводимого к рамке, составляла / = 20 МГц. В плотной плазме N = 1012 см-3) поле локализуется вблизи витков антенны, при умень-

шении концентрации в 10 раз = 1011 см-3) поперечное распределение В2 компоненты магнитного поля близко к распределению поля витка с током в отсутствие плазмы (в вакууме).

Результаты, представленные на рис. 4а, получены при фиксированной плотности плазмы

= 1012 см-3), которая контролировалась с помощью зонда с СВЧ-резонатором, при различных величинах внешнего магнитного поля. В данном случае частота сигнала, подводимого к антенне, составляла / = 3 МГц. Из рис. 4а видно, что по мере увеличения магнитного поля распределение

В2, отн. ед. В2, отн. ед.

Рис. 5. Распределение амплитуды ВЧ магнитных полей рамки (Я = 10 см) на расстоянии 5 см от ее плоскости при величине внешнего магнитного поля Во = 85 Гс, концентрации плазмы N = 3 х 1011 см-3 и различных частотах подводимого к рамочной антенне сигнала (1 -/ = 5 МГц, 2 - 10 МГц, 3 - 20 МГц, 4 - 40 МГц): а) - экспериментальные данные; б) - результаты расчета.

ВЧ-поля приближается к "вакуумному" распределению, при низких магнитных полях (В0 = 18 Гс) поле локализуется вблизи провода.

Зависимость поперечного распределения ВЧ магнитного поля от частоты показана на рис. 5а. Измерения выполнялись в плазме с плотностью Ne = 3 х 1011 см-3 при величине магнитного поля В0 = 85 Гс. При низких частотах распределение поля не отличается от вакуумного ^ = 5 МГц), на высоких ча

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком