Письма в ЖЭТФ, том 93, вып. 9, с. 555-560
© 2011г. 10 мая
Квазистационарное магнитное поле, возбуждаемое в плазме радиоимпульсом свистового диапазона частот
Н. А. Айдакина, М. Е. Гущин, И. Ю. Зудин, С. В. Коробковг\ А. В. Костров, А. В. Стриковский
Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН, 603950, Нижний Новгород, Россия
Поступила в редакцию 2 марта 2011 г. После переработки 23 марта 2011 г.
Экспериментально показана генерация квазистационарного магнитного поля (КМП) в слабостолк-новительной замагниченной плазме в пространственно неоднородном высокочастотном поле свистового диапазона частот. Источниками КМП являются нелинейные токи, возбуждаемые за счет продольной и поперечной компонент усредненной пондеромоторной силы, действующей на заряженные частицы в пространственно локализованном высокочастотном поле накачки. Исследована динамика возбуждаемых магнитных полей, обнаружено, что время установления КМП определяется временем включения высокочастотного поля, а перенос импульсных токов и магнитных полей из области их генерации происходит со скоростью низкочастотных свистовых волн.
1. Явления генерации квазистационарных токов и магнитных полей при взаимодействии электромагнитного излучения с плазмой представляют значительный фундаментальный интерес и важны для ряда приложений. На протяжении нескольких десятилетий активно исследуются квазистационарные магнитные поля (КМП), возбуждаемые в лабораторной плазме излучением оптического [1], микроволнового [2, 3] или радиочастотного [4] диапазонов. В околоземной плазме КМП, возбуждаемые интенсивными электромагнитными волнами, интересны с точки зрения генерации искусственных геомагнитных пульсаций в активных ионосферных экспериментах [5].
При взаимодействии пространственно неоднородных высокочастотных полей умеренной интенсивности со слабостолкновительной плазмой с пренебрежимо малой диссипацией электромагнитной энергии одним из основных источников нелинейных эффектов является усредненная пондеромоторная сила [6]. Если плазма помещена во внешнее магнитное поле, то в локализованном в пространстве высокочастотном поле усредненная пондеромоторная сила может приводить, с одной стороны, к перераспределению плазмы [7], а с другой, - к возбуждению замкнутых токов, протекающих по плазме без возмущения ее плотности [8]. Возмущения концентрации замагниченной плазмы, а также возбуждаемые вихревые токи могут быть источниками КМП, являющихся, фактически, возмущениями внешнего магнитного поля.
Ч e-mail: korobkovsegmail.com
Изучение данных явлений актуально в связи с исследованиями волновых процессов в ионосфере и магнитосфере Земли. В частности, интерес представляет генерация КМП накачкой свистового диапазона
ЧаСТОТ, Vfcifee « / < fee fpe (где fc%, fee ИОНная и электронная циклотронные частоты, соответственно, fPe - электронная плазменная частота, / -частота излучения). Волны данного типа, возбуждаемые в диапазоне крайне низких и очень низких частот (КНЧ и ОНЧ) наземными станциями и мощными бортовыми передатчиками космических аппаратов, можно использовать для активного воздействия на околоземную плазму и популяцию энергичных заряженных частиц, захваченных геомагнитной ловушкой. Кроме того, недавно в магнитосфере Земли были обнаружены естественные излучения свистового диапазона аномально большой амплитуды, режим взаимодействия которых с околоземной плазмой является существенно нелинейным [9]. Указания на возможность генерации КМП накачкой свистового диапазона можно найти в работах [10, 11], однако прямые экспериментальные наблюдения данного эффекта до настоящего времени отсутствовали.
В данной работе изложены результаты первых экспериментов, в которых наблюдались КМП, возбуждаемые высокочастотной (ВЧ) накачкой свистового диапазона. Эксперименты были поставлены на крупномасштабном плазменном стенде "Крот", предназначенном для моделирования физических явлений в космической плазме. Параметры экспериментов были выбраны таким образом, что основным источником нелинейных токов, возбуждаемых неоднородным ВЧ полем в слабостолкновительной плазме, яв-
лилась усредненная пондеромоторная сила. Исследованы механизмы генерации КМП локализованными в пространстве ВЧ полями свистового диапазона частот, пространственная структура и динамика КМП.
2. Экспериментальная установка представляет собой вакуумную камеру объемом 180 м3. Плазменный столб длиной 4м и диаметром 1,5м создается импульсным ВЧ индукционным разрядом (частота 5 МГц, мощность 1 МВт, длительность импульса 1.5 мс) в аргоне при давлении р = 3 • Ю-4 торр. Величина внешнего (статического) магнитного поля, создаваемого установленным в вакуумном объеме соленоидом, варьировалась в пределах Во = 25 4- 250 Гс. Эксперименты выполнялись после выключения плаз-мосоздающих генераторов, в спокойной распадающейся плазме с концентрацией пе = 5-101О41012 см-3 при температуре электронов Те = 0.5 4 3.5 эВ.
Для возбуждения локализованного в пространстве ВЧ поля накачки использовалась одновитковая рамочная антенна диаметром в, = 7 см, установленная вблизи оси плазменного столба. К антенне подводился импульсный сигнал на частоте /о = 65 4 85МГц< < /се, соответствующей свистовому диапазону, мощностью до Р = 300Вт (рис. 1а). Отношение плотности энергии электромагнитного поля IV к плотности энергии теплового движения частиц плазмы пеТе в ближней зоне антенны составляло величину I¥/пеТе < Ю-1. Длительность импульса накачки (т = 0.1 4 20мкс) выбиралась существенно меньшей характерных времен нагрева электронов ((¿г^еО-1 ~ ~ 500 мкс, 5 = 2тпе/тп{, тпе и т,- - массы электрона и иона, соответственно, 1/е,- - частота кулоновских столкновений). Таким образом, эффекты тепловой нелинейности не успевали развиться, и основной нелинейностью, приводящей к возмущениям концентрации плазмы и генерации КМП, являлась нелинейность, обусловленная усредненной пондеромоторной силой.
Для регистрации КМП использовались шестивит-ковые индуктивные зонды диаметром 1.8 см. Размещение зондов на подвижных штангах позволяло перемещать их по радиусу плазмы и поворачивать на произвольный угол относительно направления внешнего магнитного поля. По результатам калибровки, чувствительность зондовой системы, включавшей фильтры низких частот и усилитель с коэффициентом усиления <3 = 58 дБ, составила 5В ~ ~ ЮмкГс (1нТл) при регистрации импульсных магнитных полей микросекундной длительности. Для измерений концентрации плазмы использовался метод зонда с СВЧ резонатором [12], модифицированный для регистрации малых нестационарных возму-
§
1
-1 1
(а)
хЮ
а
о
1.75
2 I
Рис. 1. (а) - осциллограмма ВЧ импульса накачки (частота /о = 68.0 МГц, мощность Р = 300 Вт, длительность т = 1мкс), (Ь) - неинтегрированный сигнал с магнитного зонда, (с) - аксиальная (ДВ:) компонента возбуждаемого импульсом накачки КМП на расстоянии г = 3.5 см от ВЧ антенны (сплошная кривая) и одновременно регистрируемое возмущение концентрации фоновой плазмы на расстоянии г = 7 см от ВЧ антенны (штриховая кривая). Величина внешнего магнитного поля Во = 50 Гс, температура электронов Те ~ 1 эВ
щений [13]. Чувствительность метода при измерении нестационарных возмущений плотности распадающейся плазмы, в соответствии с [13], достигает 5пе/пе ~ Ю-5. Вариации плотности на относительном уровне Апе/пе ~ Ю-2, характерном для описываемых экспериментов, приводят к существенным изменениям резонансной кривой СВЧ зонда и легко регистрируются без использования специальной усилительной аппаратуры. Измерения температуры электронов выполнялись двойным зондом.
Одной из важнейших проблем, возникающих при регистрации слабых импульсных магнитных полей в присутствии интенсивной ВЧ накачки, является защита измерительной аппаратуры от ВЧ сигнала, непосредственно принимаемого магнитными зондами, а также наводимого на чувствительную измерительную аппаратуру. Тракты магнитных зондов включали фильтры, ослаблявшие ВЧ сигнал на уровне не менее 100 дБ; кабельные трассы и измерительная аппаратура тщательно экранировались; зондовые цепи гальванически развязывались с вакуумной камерой и электрической сетью. Питание усилителя осуществлялось от аккумуляторной батареи, осцил-
1
0
лограф включался в сеть через трансформатор, цепи синхронизации импульсного эксперимента подключались через трансформаторные развязки. Магнитные зонды помещались в электростатические экраны и изолировались от плазмы слоем диэлектрика толщиной 0.5 мм. Перечисленные меры позволили защитить измерительную аппаратуру от ВЧ сигнала, наводимого на зонд одновременно с сигналом КМП, существенно снизить уровень помех, а также предупредить появление ложных сигналов, обусловленных детектированием ВЧ импульса на слое пространственного заряда у поверхности зонда. Линейность измерительной системы проверялась отсутствием сигнала на ее выходе при подаче ВЧ импульса на вход, а также при помещении магнитного зонда непосредственно в ближнюю зону ВЧ антенны без плазмы (в вакууме). В плазме, в условиях возбуждения КМП, результаты магнитных измерений проверялись стандартным способом, а именно, по инверсии зондовых сигналов при повороте зондов на 180°.
3. Исследования показали, что взаимодействие импульса ВЧ накачки со слабостолкновительной за-магниченной плазмой сопровождается возбуждением уверенно регистрируемых магнитными зондами КМП (рис. 1). Многочисленные проверки и контрольные эксперименты однозначно указывают на то, что единственным источником сигнала в зондовой цепи является импульсное магнитное поле, индуцированное ВЧ накачкой. В области плазмы, занятой полем накачки, аксиальная компонента КМП усиливает постоянное магнитное поле в плазме: наблюдается парамагнитный эффект. В условиях эксперимента величина КМП достигает АВ ~ ЮмГс, что соответствует возмущению внешнего магнитного поля на уровне до ДВ/В0 ~ Ю-4. Также, одновременно с обнаруженными КМП, регистрируются возмущения концентрации плазмы на уровне до Ane/ne ~ 5-10-2.
В целом, зависимость возбуждаемых КМП от времени не повторяет форму огибающей импульса ВЧ накачки. Анализ этой зависимости (рис. 1с) позволяет вы
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.