Письма в ЖЭТФ, том 101, вып. 4, с. 254-257
© 2015 г. 25 февраля
Кроссмодуляция волн свистового диапазона частот в магнитоактивной плазме
Н. А. Айдакина, М. Е. Гущин, И. Ю. Зудин1\ С. В. Коробков, А. В. Костров, А. В. Стриковский Институт прикладной физики РАН, 603950 Н.-Новгород, Россия
Поступила в редакцию 25 ноября 2014 г.
После переработки 17 декабря 2014 г.
В лабораторных экспериментах, выполненных на крупномасштабном плазменном стенде "Крот", обнаружено явление кроссмодулядии волн свистового диапазона частот в слабостолкновительной замаг-ниченной плазме. Наблюдается амплитудно-фазовая модуляция пробных волн малой интенсивности, проходящих через область плазмы, модифицированную волной накачки с глубокой гармонической модуляцией огибающей. При больших периодах модуляции накачки обогащение спектра пробных волн происходит преимущественно за счет возмущений плотности плазмы. При малых периодах модуляция пробных волн предположительно обусловлена механизмом "магнитной" нелинейности, т.е. возмущениями внешнего магнитного поля.
БО!: 10.7868/80370274X15040050
Волны диапазона очень низких и крайне низких частот (ОНЧ и КНЧ), распространяющиеся в околоземной плазме преимущественно в свистовой моде, представляют значительный фундаментальный интерес [1], важны с точки зрения организации и обеспечения сверхдальней радиосвязи [2], являются мощным инструментом диагностики ионосферы и магнитосферы [3]. Активное волновое воздействие на ионосферу и магнитосферу в диапазоне КНЧ-ОНЧ - одна из приоритетных задач современной плазменной геофизики [4]. Для генерации волн с интенсивностью, достаточной для их уверенной регистрации после прохождения длинных ионосферных и магнитосферных трасс, применяются наземные станции мощностью до нескольких мегаватт, при работе которых в плазме неизбежно развиваются нелинейные явления, включая нагрев и перераспределение ионосферной плазмы [5-7], возникновение потоков ускоренных заряженных частиц [8, 9]. В результате при распространении низкочастотных волн по общим трассам за счет нелинейных эффектов возможно взаимное обогащение их частотного спектра, в частности кроссмодуляция, т.е. модуляция одной волны по закону изменения огибающей другой волны [10].
Механизмы нелинейного взаимодействия волн, приводящие к подобным явлениям, нередко вызывают споры [11]. При интерпретации данных по взаимодействию низкочастотных волн в околоземной плазме наряду с теоретическим анализом и числен-
Че-таП: zudiniy@appl.sci-nnov.ru
ными экспериментами большие надежды связываются с лабораторным моделированием нелинейных плазменно-волновых явлений. Оно выгодно отличается от натурного эксперимента контролем параметров плазмы и излучения, а также возможностью многократного воспроизведения исследуемых процессов с целенаправленным варьированием условий их протекания. Постановка таких экспериментов возможна на ограниченном числе лабораторных установок мира, позволяющих формировать высокооднородный столб низкотемпературной замагниченной плазмы с размерами, существенно превышающими длины волн излучения. В данной работе впервые в лабораторных условиях обнаружено и исследовано явление кроссмодуляции низкочастотных волн в замагниченной плазме в условиях, приближенных к реализуемым в ионосфере Земли по параметрам подобия.
Эксперименты были проведены на плазменном стенде "Крот" в столбе распадающейся плазмы индукционного разряда длиной около 4 м и диаметром 1.5 м при концентрациях электронов пе = = (Ю10 —1012) см~3, электронной температуре Те = = (0.5—1)эВ, величине внешнего магнитного поля Во ~ 100 Гс (электронная циклотронная частота /се = 300 МГц). Масштабируемые параметры эксперимента - концентрация плазмы пе и индукция внешнего магнитного поля В о-в лабораторном эксперименте были подобны значениям, реализуемым во внешней ионосфере и магнитосфере Земли, с масштабным множителем 7 = 300—3000 [12]. Для немас-штабируемого параметра — частоты столкновений -
сохранено сильное неравенство с частотой излучения: 1Уе.1 < /.
Возбуждение низкочастотных волн производилось одновитковыми экранированными рамочными антеннами диаметром 1-7 см, устанавливаемыми на оси плазменного столба (радиальная позиция г = = Осм). Волна накачки возбуждалась на частоте несущей, /о = 75 МГц, в форме подводимого к антенне диаметром ¿о = 7 см радиоимпульса длительностью до 150 мкс с глубокой амплитудной модуляцией по гармоническому закону. Частота модуляции изменялась в пределах fm = (0.1 —1.5) МГц. Уровень мощности, подводимой к антенне, составлял Ро = 125 Вт. Максимальная интенсивность поля накачки достигалась в ближней зоне антенны. Вдали от антенны в плазме возбуждались волны свистового диапазона, распространявшиеся преимущественно вдоль направления внешнего магнитного поля. Длина волны составляла около 15см. К окончанию импульса накачки за счет нагрева и термодиффузионного перераспределения плазмы формировалась вытянутая вдоль оси плазменного столба область с пониженной относительно фона на 30 % электронной концентрацией - дакт плотности, в котором волна накачки удерживалась в режиме волноводного распространения и который определял поперечный масштаб локализации интенсивных электромагнитных полей [13]. Область плазмы, модифицированная накачкой, просвечивалась пробными волнами с частотами /р = (30—60) МГц, возбуждавшимися с помощью рамочных антенн диаметром с1р = (1—5) см на уровне мощности, не превышавшем Рр ~ 0.1 Вт, которые также захватывались в дакт. Измерения фонового значения и возмущений плотности плазмы производились зондом с СВЧ-резонатором на четвертьволновом отрезке двухпроводной линии [14]. Возмущения внешнего магнитного поля регистрировались экранированными шестивитковыми магнитными зондами диаметром 2 см, изолированными от плазмы слоем диэлектрика. Сигналы с антенн и зондов подавались на вход цифрового осциллографа с функцией анализатора спектра. Для предупреждения нелинейных эффектов в измерительной цепи и снижения уровня электромагнитных помех использовались режекторные фильтры, ослаблявшие сигнал накачки на уровне не хуже 80дБ. Выходные тракты генератора накачки и пробных волн защищались ферритовыми вентилями и полосовыми фильтрами, настроенными на рабочие частоты.
Полученные результаты представлены на рис. 1 и 2. Установлено, что спектр пробной волны при прохождении через модифицированную накачкой об-
оэ
-35 -60 -85 -110 -135
3Ср а (а) дЛ л.Л яллУ\А. Г\ Л Л
уП1 |ШР1]||
50
51
52 / (МНг)
53
54
£ 2-,
1
4 6 8 10 г (сш)
Рис.1, (а) - Спектр пробной волны после прохождения области плазмы, модифицированной амплитудно-модулированной накачкой. (Ь) - Поперечное распределение амплитуды сигналов на частоте несущей (/р, 1), "красного" сателлита (/р — 2), "синего" сателлита (/р + /т, 3); амплитуда несущей fp уменьшена в 100 раз; расстояние до излучающей антенны г = 45 см
ласть плазмы обогащается сателлитами, отстроенными от несущей /р на частоту модуляции накачки /„,: в лабораторном эксперименте наблюдается кроссмо-дуляция низкочастотных волн, подобная имеющей место при проведении активных ионосферных экспериментов [6, 10]. Уровень сателлитов ниже уровня сигнала на основной частоте /р (несущей) на 40-50 дБ, причем спектр пробной волны обогащается несимметрично: амплитуда "красного" сателлита (/р - /т) превышает амплитуду "синего" (/р + /т). Измерения поперечной структуры пробной волны показали, что амплитуда сателлитов по всему сечению волнового пучка изменяется пропорционально амплитуде несущей (рис.1Ь). Уровень сателлитов, возникающих в спектре пробной волны, уменьшается относительно уровня несущей с повышением частоты модуляции накачки. При этом на полученных зависимостях можно выделить два характерных участка (рис.2). При низких частотах модуляции (до /т ~ 0.5 МГц) амплитуда сателлитов изменяется по закону, близкому к При более высоких частотах модуляции она выходит на постоянный уро-
256
H. A. Айдакпна, M. EГущин, И. Ю. Зудпн, С. В. Коробков, А. В. Костров, А. В. Стрпковскпй
О 0.5 1.0 1.5
fm (MHz)
Рис. 2. Амплитуды сателлитов As, отнесенные к амплитуде пробной волны Ар на частоте несущей fp, в зависимости от частоты модуляции: 1 - "красный" сателлит, 2 - "синий" сателлит. Измерения выполнялись на оси плазменного столба на расстоянии 45 см (а) и 65 см (Ь) от излучателя
вень. Важно, что уровень сателлитов в спектре пробной волны увеличивается по мере удаления от излучающей антенны: кроссмодуляционный эффект накапливается при распространении пробной волны по трассе, близкой к оси пучка накачки. Для установления характера модуляции пробных волн использовалась цифровая обработка волновых форм (осциллограмм) сигналов, к которым применялось преобразование Гильберта для выделения огибающей и заполнения. Частотные спектры амплитуды (переменная составляющая амплитуды пробной волны, отнесенная к среднему значению) и фазы заполнения сигнала приведены на рис. 3. Видно, что в модифицированной области плазмы пробные волны испытывают комбинированную амплитудно-фазовую модуляцию.
Обсудим полученные результаты. В условиях эксперимента период модуляции накачки (0.1 —10 мкс ) выбирался меньшим характерных времен нагрева электронной компоненты плазмы, (5vei~ (100—500) мкс, где S = 2me/mj, me и m; - массы электрона и иона соответственно, vei - частота кулоновских столкновений. Поэто-
/(MHz)
Рис.3, (а) - Спектр пробной волны. (Ь) - Спектры амплитуды сигнала (1) и фазы заполнения сигнала (2). Измерения проводились на оси плазменного столба. Расстояние от антенны накачки го = 25 см, Во = 100 Гс, пе = 2 • 1011 см~3
му эффекты тепловой нелинейности не успевали развиться и наблюдаемая кроссмодуляция, скорее всего, была вызвана нелинейностью, обусловленной усредненной пондеромоторной силой в пространственно-неоднородном высокочастотном поле накачки. В [15, 16] экспериментально показано, что усредненная пондеромоторная сила в замагни-ченной плазме может приводить, с одной стороны, к возмущениям плотности и магнитного поля за счет стрикционного эффекта, а с другой - к генерации замкнутых дрейфовых токов, возмущающих внешнее магнитное поле бе
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.