Письма в ЖЭТФ, том 92, вып. 2, с. 89-94
© 2010 г. 25 июля
Параметрическая генерация низкочастотных волн электронами плазмы, ускоренными в условиях электронно-циклотронного
резонанса
М. Е. Гущин1}, С. В. Коробков, А. В. Костров, Д. А. Одзерихо, С. Э. Привер, А. В. Стриковский
Учреждение Российской Академии Наук Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, Россия
Поступила в редакцию 26 апреля 2010 г. После переработки 10 июня 2010 г.
Экспериментально показано, что диамагнитный эффект, возникающий при ускорении электронов за-магниченной плазмы в ближней зоне антенны в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), может использоваться для генерации низкочастотных волн. Амплитудная модуляция сигнала, подводимого к антенне, сопровождается модуляцией диамагнитного эффекта и приводит к излучению волн на частоте модуляции в окружающую плазму, при этом протяженная область плазмы, содержащая ускоренные электроны, выступает в роли параметрической "бестелесной" антенны. На основании результатов модельных лабораторных экспериментов предложен способ параметрической генерации низкочастотных волн свистового диапазона в ионосфере Земли мощным амплитудно-модулированным сигналом, подводимым к бортовой антенне космического аппарата.
В экспериментах по активному радиочастотному воздействию на околоземную плазму широко применяются антенные системы, размещаемые на борту космических аппаратов (КА). Как правило, работа мощных (до Р ~ 1 кВт) бортовых передатчиков сопровождается сильной модификацией плазмы вблизи КА, особенно при приближении рабочей частоты / к "главным" резонансным частотам: электронной плазменной fpe, электронной циклотронной fce и их гармоникам. В резонансных условиях возможны возбуждение высокодобротных колебаний в плазме и антенных цепях [1], нагрев плазмы и генерация потоков ускоренных заряженных частиц [2-5].
В данной работе предлагается использовать эффекты резонансного ускорения заряженных частиц в ближней зоне бортовых антенн КА для параметрической генерации низкочастотных (НЧ) волн, прямое возбуждение которых с борта КА малоэффективно. Особый интерес представляет генерация волн свистового диапазона V/ci/ce < F < fce -С fpe, где F- частота НЧ излучения, /с, - ионная циклотронная частота. Эта задача крайне актуальна в связи с постановкой активных экспериментов по зондированию околоземной плазмы волнами очень низких частот (ОНЧ) [6], организации контролируемых высыпаний энергичных частиц радиационных поясов Земли [7], волновому воздействию на области формирования естественных магнитосферных излучений [8]. Ранее авторами был исследован параметрический механизм
^ e-mail: mguschineappl.sci-imov.ru
возбуждения НЧ свистовых волн высокочастотными (ВЧ) волновыми пучками, основанный на генерации дрейфовых электронных токов под действием усредненной пондеромоторной силы [9]. Предлагаемая в настоящей работе схема возбуждения НЧ волн может оказаться эффективнее, чем описанная в [9], при реализации в активных ионосферных экспериментах.
В качестве основного механизма формирования потоков энергичных электронов рассматривается их ускорение в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), то есть при приближении частоты бортового передатчика КА к локальным значениям электронной циклотронной частоты и ее гармоник. Этот механизм представляется наиболее перспективным и надежным, так как циклотронное ускорение электронов наблюдается в большинстве активных ионосферных экспериментов, проводимых с использованием мощных антенных систем на борту КА [3, 4]. Поскольку в условиях ЭЦР электроны увеличивают свою поперечную энергию и приобретают дополнительный магнитный момент, в плазме наблюдается диамагнитный эффект: уменьшение индукции внешнего магнитного поля в области, содержащей быстрые частицы. Диамагнитный эффект является удобным макроскопическим индикатором ускорения электронов и может использоваться для создания искусственных возмущений магнитного поля с контролируемыми параметрами. Если ВЧ сигнал, подводимый к антенне, модулирован по амплитуде, то поток ускоренных электронов и, соответственно, наведенный в возмущенной области плазмы магнитный
момент изменяются с периодом модуляции. В результате протяженная область пространства, в которую из ближней зоны передатчика поступает модулированный поток ускоренных по поперечной энергии электронов, может выступать в роли "бестелесной" антенны, излучающей волны на частоте модуляции в окружающую плазму.
Параметры активных ионосферных и модельных
лабораторных экспериментов при значении масштабного множителя у = 100 [10]; в скобках приведены фактические параметры эксперимента на стенде "Крот"
Параметр Ионосфера Лабораторная плазма
Концентрация электронов Пе, СМ-3 103 4- Ю® 107 4- Ю10(10е 4- 1011)
Температура электронов Те, ЭВ 0.2 5 0.2 5 (0.3 3)
Индукция статического магнитного поля В, Гс 0.2 0.5 20 50 (10 100)
Размер антенны Ь, см 1000 10 (7)
Частота /, МГц 0.1 10 10 1000 (65 80)
Мощность передатчика Р, Вт 100 1000 100 1000 (300)
Модельные лабораторные эксперименты, целью которых является оценка возможности генерации квазистационарных магнитных полей и НЧ волн при ЭЦР нагреве ионосферной плазмы с борта КА, были проведены на крупномасштабном плазменном стенде "Крот". Квазиоднородный цилиндрический столб за-магниченной плазмы длиной около 500 см и диаметром 150 см формировался импульсным высокочастотным индукционным разрядом в аргоне при давлении р = 3 • Ю-4 торр. Исследования выполнялись в распадающейся плазме после выключения плазмосоздаю-щих генераторов; характерное время распада составляло несколько миллисекунд. Параметры экспериментов, приведенные в таблице, выбирались на основе преобразований подобия [10] с масштабным множителем 7 ~ 100, равным отношению характерных размеров антенны КА (~10м) и ее уменьшенной лабораторной модели (~10см). Длина свободного пробега электронов lei относительно кулоновских столкновений превышала размер антенны, то есть был сохранен бесстолкновительный режим взаимодействия
заряженных частиц с ближним полем передатчика, характерный для ионосферных экспериментов.
Мощный ВЧ сигнал (/ = 65 4 80МГц, Р ~ ~ 300 Вт) подводился к рамочной антенне диаметром 7см, установленной на оси плазменного столба (г = 0см), в форме импульса длительностью т = = 0.1 4- 100 мкс. В ВЧ генераторе был предусмотрен режим глубокой (до 100%) амлитудной модуляции сигнала на низкой частоте /го = 0.14-10 МГц. Регистрация возбуждаемых в плазме квазистационарных и НЧ магнитных полей осуществлялась шестивитковы-ми магнитными зондами диаметром 1.8 см, помещенными в электростатические экраны и изолированными от плазмы тонким слоем диэлектрика. Концентрация и температура электронов измерялись, соответственно, зондом с СВЧ резонатором на четвертьволновом отрезке двухпроводной линии [11, 12] и двойным электрическим зондом.
Как показали эксперименты, в плазме уверенно регистрируется диамагнитный эффект, обусловленный резонансным ускорением электронов в ближней зоне антенны. Возмущения магнитного поля максимальны при приближении частоты сигнала к первой и второй гармоникам электронной гирочастоты, /се и 2/се (рис.1). Величина диамагнитного эффекта про-
0
О
а
-10
0 12 3
f'fce
Рис.1. Диамагнитный эффект АВ, регистрируемый на расстоянии г = 3.5 см от рамочной антенны, в зависимости от отношения несущей частоты подводимого к антенне сигнала / к локальному значению электронной циклотронной частоты fce. На врезке: диамагнитный эффект ДВ в условиях ЭЦР (/ ~ /се) в зависимости от подводимой к антенне ВЧ мощности; точки - экспериментальные данные, прямая - линейная аппроксимация. Концентрация плазмы пе — 101Осм_3, температура электронов Те ~ 1 эВ
порциональна мощности ВЧ импульса, подводимого к антенне, и достигает \АВ\ ~ 10_2Гс.
Из рис.1 следует, что основной резонанс (fce) несимметрично уширен в область низких частот, что, по-видимому, обусловлено возбуждением антенной при / < /се распространяющихся ВЧ волн свистового диапазона и, соответственно, увеличением эффективных размеров области взаимодействия заряженных частиц с ВЧ полем. Резонанс на второй гармонике (2/се) находится в области непрозрачности плазмы для электромагнитного излучения, /се < < / < fpe. Симметричное уширение этого резонанса на уровне А/// > Ю-2 носит бесстолкновительный характер и обусловлено конечным временем пролета ускоряемых электронов через ближнюю зону антенны с невозмущенной продольной (тепловой) скоростью, At ~ L/vTe — ЮОнс. Оцениваемая таким образом ширина линии Д/ ~ Atблизка к измеренному значению.
Измерения показывают, что поперечный масштаб диамагнитных возмущений близок к диаметру антенны, поскольку гирорадиус электронов существенно меньше ее размеров, pe/L ~ 2 • Ю-2, и структура возмущений воспроизводит распределение поперечной компоненты ближнего электрического ВЧ поля Е±, дающего основной вклад в циклотронное ускорение электронов. Продольный масштаб диамагнитных возмущений определяется длиной свободного пробега ускоренных частиц, и варьируется в пределах Az ~ ~ lei ~ 50 4 500 см, достигая полной длины плазменного столба.
При амплитудной модуляции ВЧ сигнала, подводимого к антенне, в плазме возбуждаются НЧ электромагнитные поля на частоте модуляции. Измерения позволяют однозначно идентифицировать НЧ поля как косые волны свистового диапазона, продольная фазовая скорость которых г»ц ~ 108410е см/с значительно превышает поперечную фазовую скорость i>_l ~ Ю7 4 108см/с (рис.2а). Наблюдается возбуждение волн конической рефракции (англ. Gendrin mode [13]), волновой вектор которых практически перпендикулярен к внешнему магнитному полю, а групповая скорость направлена вдоль поля. Преимущественное возбуждение волн данного типа обусловлено геометрией "бестелесной" антенны, которая сильно вытянута вдоль внешнего магнитного поля (что соответствует низким продольным волновым числам fcy), но имеет малый поперечный размер (что соответствует высоким поперечным волновым числам к±). Поперечная фазовая скорость НЧ волн пропорциональна их частоте (рис.2Ь) в соответствии с законом дисперсии в
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.