ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2009, том 49, № 2, с. 199-208
УДК 533.951
ГЕНЕРАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ НА ЧАСТОТАХ НИЖНЕГИБРИДНОГО И БАУНС РЕЗОНАНСА В ПРОБОЧНЫХ МАГНИТНЫХ ЛОВУШКАХ (ЛАБОРАТОРНЫЕ И РАКЕТНЫЕ
ЭКСПЕРИМЕНТЫ) © 2009 г. А. С. Белов1, Г. А. Марков1, Л. Л. Попова1, Ю. В. Чугунов2
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород 2Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород e-mail: markov@rf.unn.ru Поступила в редакцию 18.02.2008 г. После доработки 10.07.2008 г.
Обнаружена и исследована генерация электромагнитных колебаний в окрестности нижнегибридного резонанса и на частоте баунс колебаний быстрых электронов в плазменном резонаторе магни-тосферного типа, сформированном ВЧ разрядом в пробочной магнитной ловушке. Обсуждаются результаты натурных ракетных экспериментов по стимулированию мазерных эффектов, в том числе на частотах, отвечающих баунс колебаниям 40 кэВ электронов в магнитосферной силовой трубке геомагнитного поля.
PA.CS: 52.72.+У, 52.35.Py
1. ВВЕДЕНИЕ
Генерацию КНЧ излучений в магнитосфере Земли обычно связывают с результатами резонансного взаимодействия альвеновских и свистовых волн с заряженными частицами радиационных поясов, дрейфующими в неоднородном магнитном поле [Молчанов, 1985]. В качестве примера можно также указать мазерные эффекты [Беспалов и Трахтенгерц, 1986], обусловленные развитием циклотронной неустойчивости в маг-нитосферном резонаторе, образованном дактом плотности и ионосферными зеркалами. Дакты плотности локализуют возбуждаемые электромагнитные поля в узкой геомагнитной трубке и при их достаточной длине возможно существенное снижение требований на интенсивность потоков быстрых частиц, необходимых для возбуждения магнитосферного резонатора.
Формирование искусственных плазменных волноводов (дактов плотности) на высотах ионосферы и выше было реализовано в ракетных экспериментах "Активный шнур" [Chugunov and Markov, 2001]. При радиочастотном разряде с борта ракеты в свистовом диапазоне частот возможно увеличение плотности потока энергии, вводимой в формируемую плазменную неоднородность, на порядки величин по сравнению с наземными нагревными стендами. Плазма разряда разлетается вдоль геомагнитной трубки, заполняя ее. При этом повышенный уровень концентрации плазмы на ионосферных высотах меняет коэффициенты отражения для низкочастотных
волн, генерируемых в магнитосферном мазере, изменяя тем самым добротность магнитосферно-го резонатора, а проникновение частиц разряда в объем магнитосферной геомагнитной трубки способствует образованию в ней волноводов или дактов плотности.
О возможности формирования искусственного дакта плотности в верхней ионосфере мощным КВ излучением нагревного стенда "Сура" и о его влиянии на генерацию ОНЧ нижнегибридных шумов и шипений сообщалось в недавней работе [Рапопорт и др., 2007].
В вакуумной электронике известна возможность развития неустойчивости и группировки электронного пучка в резонаторе с возвращающим электрическим полем [Гапонов, 1960]. Например, в параболической потенциальной яме ф(г) = Фо - а(г - ^0)2((г - £0) - расстояние от центра ямы z0, а - константа) электроны колеблются с
частотой ю0 = л/2 а е/т (е, т - заряд и масса электрона, соответственно). В магнитосфере Земли также возможна генерация электромагнитных возмущений, стимулированных продольными колебаниями энергичных электронов, движущихся без столкновений между сопряженными магнитными пробками в магнитосферном резонаторе. Например, в работе [Беспалов и др., 1977] модуляция хоровых излучений в полярной магнитосфере объяснялась группировкой баунс электронов в поле магнитогидродинамических волн. В то же время, вопрос о возможности на-
блюдения электромагнитных колебаний в магнитосфере Земли с баунс частотой отдельных групп быстрых электронов остается невыясненным до сих пор.
Высокая стоимость космических экспериментов и технологические трудности реализации синхронных измерений энергетических спектров заряженных частиц и волновых процессов в разных концах магнитосферной силовой трубки, в которой происходят процессы генерации, значительно затрудняют экспериментальную проверку в натурных условиях имеющихся теоретических моделей. Поэтому роль лабораторного моделирования магнитосферных мазерных эффектов достаточно актуальна в настоящее время. В работах [Доброхотов и Марков, 2003; Доброхотов и др., 2005] предложена и апробирована методика создания плазменного резонатора магнитосферного типа путем формирования ВЧ разрядом в свистовом диапазоне частот (ю1Н < ю < юНе, юНе — гирочастота электронов, юш — частота нижнегибридного резонанса) неоднородного плазменного волновода (дакта плотности) в продольном магнитном поле пробочной конфигурации. Оказалось, что распределение вдоль пробочной ловушки величины магнитного поля, плотности плазмы в волноводе и характерного поперечного масштаба волнового канала качественно подобно распределению этих параметров в магнитосферном дакте с повышенной плотностью и характерно для естественных магнитосферных резонаторов свистового и аль-веновского диапазонов частот. Неравновесность плазмы в лабораторной модели обеспечивалась той частью горячих разрядных электронов, которые заперты в ловушке из-за большой поперечной составляющей скорости. Отметим, что в таком плазменном резонаторе была обнаружена и исследована генерация ионно-циклотронных линий основных компонент разрядной плазмы, а также генерация ионно-звуковых колебаний в плазменном столбе разряда (детальное обсуждение этих эффектов содержится в работах [Доброхотов и др., 2005; Белов и Марков, 2006]).
В данной работе обсуждаются экспериментальные результаты наблюдения на борту ракеты стимулированных радиоразрядом изменений потоков высыпающихся 40 кэВ электронов и данные регистрации КНЧ шумов приборами спутника "Ореол 3" при его пролете через силовую трубку геомагнитного поля, в основании которой возбуждался разряд. Приведены также результаты лабораторного моделирования эффектов возбуждения неустойчивостей в магнитосфере Земли на частотах баунс колебаний пучков быстрых электронов между магнитными пробками и в окрестности нижнегибридного резонанса. Из-за теплового разброса скоростей электронов эти колебания имеют шумовой характер. Однако в разряде малого давления (длина свободного пробега
электронов больше длины резонатора) наличие достаточно интенсивных электронных пучков проявлялось в шумовых излучениях в виде максимумов интенсивности на баунс частотах, соответствующих характерной энергии электронов в разряде. Существенное увеличение интенсивности наблюдаемых колебаний регистрировалось на частотах собственных типов электромагнитных колебаний неоднородного плазменного столба. Например, повышенный уровень шумового излучения наблюдался на частотах плазменного столба, отвечающих полосе нижнегибридного резонанса.
2. НАТУРНЫЙ РАКЕТНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
Натурный эксперимент был реализован запуском 3-х метеоракет МР-12 в северной части Норвежского моря в ночное время [Chugunov and Markov, 2001]. Место запуска (нулевой меридиан и 68° Северной широты) было выбрано для приближения траектории ракеты к направлению силовой линии геомагнитного поля с целью увеличения времени воздействия разряда на плазму в заданной силовой трубке. В носовой части ракет располагались блоки с аппаратурой для формирования разряда, диагностики параметров плазмы и возбуждаемых электромагнитных полей. Разряд возбуждался антенной плазменных волн в виде проволочного кольца диаметром 2 м с радиальными растяжками. После схода створок обтекателя из головной части ракеты выдвигался телескопический держатель антенны, и распускалась антенна плазменных волн на 6 металлических растяжках. Высота диэлектрического держателя 2 м. Между кольцом и корпусом ракеты подводилось ВЧ напряжение амплитудой ~1 кВ и частотой 480 кГц. Разряд формировался в поле плазменных волн (мелкомасштабных вистлеров), эффективно возбуждаемых данной антенной, и принимал форму вытянутого вдоль геомагнитного поля плазменного столба аналогично случаю лабораторных экспериментов [Chugunov and Markov, 2001; Доброхотов и Марков, 2003]. Подробнее описание условий и результатов этих экспериментов можно найти в [Chugunov and Markov, 2001].
Здесь мы приведем только данные о влиянии плазмы разряда на потоки высыпающихся электронов (Ie) с энергией >40 кэВ, в динамике которых наблюдались характерные времена, соответствующие осцилляциям частиц между магнитными пробками, т.е. баунс частотам. На рис. 1 показан фрагмент (кривая 1) экспериментальной зависимости от времени полета t (кривая 2) плотности потока быстрых электронов Ie(t). На нижней кривой рисунка (кривая 3) показана циклограмма работы ВЧ генератора, формирующего
разряд. Здесь верхний уровень ступенчатой кривой означает работу генератора в режиме телеграфной модуляции с частотой 960 Гц, средний уровень соответствует генерации с частотой модуляции 240 Гц, а нулевой уровень соответствует паузе в работе генератора. Кривая 1 демонстрирует тонкую структуру возмущений в электронном потоке и соответствует отрезку кривой 2 в указанном интервале полетного времени. Из приведенных данных видно резкое увеличение потока высыпающихся частиц при включении ВЧ генератора и зажигании разряда, причем время выхода наблюдаемых вариаций на квазистационарный уровень составило т1 ~ 1.5 мин.
Данные, представленные на рис. 1, содержат несколько характерных временных интервалов, характеризующих изменение потока высыпающихся электронов, а именно: т2 ~ 2 с - период баунс осцилляций быстрых (40 кэВ) электронов между полярными шапками разных полушарий на данной географической широте; т3 ~ 0.3 с - период колебаний ионосферного альвеновского резонатора [Лехтинен и др., 1995]; т4 ~ 1с - время релаксации или нарастания потока электронов при включении и выключении генератора накачки. Принципиальным является наличие баунс частоты в спектре колебаний потока быстрых электронов. Отметим, что энергетика ВЧ источника разряда недостаточна для существенного изменения энергии таких частиц (с энергией >40 кэВ). Поэтому можно
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.