научная статья по теме ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ СВИСТОВЫХ ВОЛН ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВОЛНОВЫХ ПУЧКОВ С МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМОЙ Физика

Текст научной статьи на тему «ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ СВИСТОВЫХ ВОЛН ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ВОЛНОВЫХ ПУЧКОВ С МАГНИТОАКТИВНОЙ ПЛАЗМОЙ»

Письма в ЖЭТФ, том 88, вып. 11, с. 752-756

© 2008 г. 10 декабря

Параметрическая генерация свистовых волн при взаимодействии высокочастотных волновых пучков с магнитоактивной плазмой

М. Е. Гущин1}, С. В. Коробков, А. В. Костров, А. В. Стриковский Институт прикладной физики РАН, 603950 Нижний Новгород, Россия

Поступила в редакцию 23 сентября 2008 г.

После переработки 23 октября 2008 г.

Экспериментально исследована параметрическая генерация низкочастотных свистовых волн пучком накачки, состоящим из высокочастотных свистовых волн с близкими частотами. Изучены электромагнитные поля, возбуждаемые биениями двух высокочастотных волн, попутных или встречных, а также амплитудно-модулированной накачкой. Показано, что нелинейные токи на частоте биений (модуляции) возникают из-за поперечной пондеромоторной силы, которая обусловлена конечной шириной высокочастотного пучка. При этом нелинейные дрейфовые токи охватывают пучок накачки по азимуту и могут излучать низкочастотные свистовые волны в окружающую плазму.

PACS: 52.25.Xz, 52.35.Hr, 52.72.-v

При проведении активных экспериментов в околоземной плазме [1-3] одной из важнейших задач является генерация низкочастотных (свистовых и альф-веновских) волн. При этом эффективность компактных спутниковых антенных систем невелика вследствие больших длин волн излучения, а при возбуждении с поверхности Земли значительная часть мощности теряется при распространении излучения на трассе "атмосфера-ионосфера-магнитосфера". Один из путей повышения эффективности генерации низкочастотных волн состоит в создании протяженных излучающих токовых систем непосредственно в околоземной плазме. Для этих целей ранее предлагалось использовать модулированные пучки заряженных частиц, инжектируемые с борта космических аппаратов [4], либо нелинейные эффекты в поле интенсивных волн с относительно высокими частотами, возбуждаемых спутниковыми и наземными передатчиками [5, 6].

Настоящая работа посвящена параметрической генерации низкочастотных (НЧ) свистовых волн высокочастотной (ВЧ) накачкой свистового диапазона: Vfcifce < / < fee -С /ре, где / - частота излучения, fd и /се - циклотронные частоты ионов и электронов, соответственно, fpe - электронная плазменная частота. Реализуется идея параметрической антенны [7, 8], которая заключается в следующем. В плазме возбуждается интенсивный пучок накачки, состоящий из двух ВЧ волн близких частот или, в общем случае, модулированный сигналом низкой частоты. Из-за нелинейности в плазме возникают токи

^ e-mail: mguschineappl.sci-imov.ru

на частоте биений (модуляции) накачки, формирующие "бестелесную антенну", которая, в свою очередь, излучает НЧ волны. В работе изучены две схемы генерации НЧ волн: 1) амплитудно-модулированной ВЧ накачкой и 2) биениями двух ВЧ волн; во втором случае генерация НЧ волн исследовалась в режимах попутного и встречного распространения волн накачки. Период биений (модуляции) накачки выбирался существенно меньшим характерных времен нагрева электронов и ионной динамики, и единственной нелинейностью, приводившей к генерации НЧ волн, являлась нелинейность, обусловленная действием усредненной пондеромоторной силы на электроны.

Эксперименты выполнялись на большом плазменном стенде "Крот". Столб замагниченной плазмы длиной около 4м и диаметром 1.5м формировался импульсным ВЧ индукционным разрядом в аргоне при давлении р = 7 ■ Ю-4 торр; величина внешнего магнитного поля изменялась в пределах Во = 50 44 150 Гс. Исследования проводились в распадающейся плазме с плотностью пе = 101О41012 см-3 при температуре электронов Те ~ 1эВ. Для измерения параметров плазмы применялись двойные электрические зонды и зонды с СВЧ резонатором на четвертьволновом отрезке двухпроводной линии [9]. Для регистрации электромагнитных полей использовались экранированные рамочные антенны диаметром 1 4 2 см, изолированные от плазмы тонким слоем диэлектрика. При измерении НЧ полей приемный тракт включал фильтры, ослаблявшие сигнал накачки на уровне не менее 75 дБ.

Волны накачки (/ = 60 4 90 МГц) возбуждались рамочными антеннами диаметром ё = 1.6 4 7 см,

установленными вблизи оси плазменного столба (г = = Осм). Уровень мощности, подводимой к антеннам, составлял Р = 20 4 250 Вт. С помощью дополнительного источника нагрева в плазме формировался вытянутый вдоль внешнего магнитного поля канал (дакт) с пониженной плотностью, в который ВЧ волны захватывались в волноводном режиме [10]. Благодаря наличию дакта, волны накачки распространялись вдоль оси плазменного столба в форме узких (Аг < 10 см) слабо расходящихся волновых пучков с продольным масштабом Ь ~ 100 см. Длина волны накачки, в зависимости от плотности плазмы и величины внешнего магнитного поля, составляла А- = 5 4 10 см.

На рис.1 приводятся типичные осциллограммы сигналов, принимаемых из плазмы при возбуждении

-1 1

-1

•е о

«5

-1

(й)

»■У"**/ I

2

* О)

Рис.1, (а) Осциллограмма амплитудно-модулированной волны накачки (/ = 80 МГц, частота модуляции fm = = 5.5 МГц); (Ь) НЧ сигнал, возбуждаемый в плазме на частоте модуляции /т; (с) осциллограмма ВЧ сигнала при возбуждении бигармонической накачки: короткий импульс (тР2 = 2 мкс) на частоте /г = 87.6 МГц излучается одновременно с длинным импульсом (тР1 = 120 мкс) с частотой Д = 82.3 МГц; ((1) НЧ сигнал на частоте биений Д/ = /2 — /х = 5.3 МГц

амплитудно-модулированной накачки (частота модуляции /го = 5.5 МГц) и бигармонической накачки (от-

стройка частот ВЧ волн Д/ = /2 — /1 = 5.3 МГц). В обоих случаях наблюдались НЧ сигналы на частоте биений (модуляции) ВЧ поля. Многочисленные контрольные эксперименты и результаты калибровки измерительных цепей однозначно указывают на то, что генерация НЧ сигналов - плазменный эффект. Характерные значения амплитуды НЧ магнитного поля составляли ~ Ю-5 Гс при амплитуде магнитного поля ВЧ волн ~ 5 • Ю-2 Гс.

Как показали эксперименты, поперечный масштаб возбуждаемых НЧ полей значительно превышал ширину пучка накачки. На рис.2 представлены ре-

30

О

£ о

"0.04

—N «5

(а) ^ / В0 = 91 в _ 1 /-- 1 / >ЧЧ

*/ \ 1/ Ч— -

-'' —/1 Г Ч А ч Л ч Л ч

.................Л А

1 1 Ъь- 1 1

в

о

(Ь) ¡\

3 \fflz 1;

----5 МНг ; 1

- ----------------7 \fflz ;л!/ \

Ч/ Я \к

-■ун/'' —..................... 1 | | V | ч \

-40 -20

0 20 г (ст)

40

60

Рис.2, (а) Поперечные распределения амплитуды (В: компонента) волн накачки с частотами /1 = 80.8 МГц и j<1 = 86.3 МГц и поперечное распределение концентрации плазмы с дактом пониженной плотности на расстоянии г ~ 50 см от излучающих антенн; (Ь) поперечные распределения амплитуды (В: компонента) НЧ волн, возбуждаемых при различных значениях отстройки частот в бигармоническом поле накачки (Д / = /2 — /1 = 3, 5 и 7МГц), в том же сечении

зультаты экспериментов с бигармонической накачкой, состоящей из двух попутных ВЧ волн. Хотя обе ВЧ волны были локализованы в дакте плотности (рис.2а), возбуждаемые ими НЧ поля регистрировались по всему сечению плазменного столба (рис.2Ь). Интерферометрические измерения позволяют однозначно идентифицировать НЧ поля как косые свистовые волны с близкими значениями продольной и поперечной фазовой скорости, Т^ ~ ~¥± ~ 108 4 10е см/с (рис.3). Продольная длина волны НЧ излучения, в зависимости от параметров плазмы, составляла А- ~ ~ 50 4 100 см.

Эксперименты показали, что в случае амплитуд-но-модулированной накачки и при бигармонической

Вп = 78 в

1 1«11 -3 ие=1х10 сш

(Ь)

г = 4 ст

V, =2.0x10 ст/в

I -1- I I I I

0.6 о

I (цв)

0.3

0.6

Рис.3. Осциллограммы НЧ сигналов, возбуждаемых би-гармонической накачкой на биениях попутных ВЧ волн (Д = 80.5 МГц, /г = 85.8 МГц), полученные при различных аксиальных (а) и радиальных (Ь) позициях измерительной антенны; результаты измерений продольной и поперечной (относительно направления внешнего магнитного поля) фазовой скорости НЧ волн

накачке, состоящей из попутных волн, генерация НЧ волн происходила в режиме, близком к резонансному, в котором продольная составляющая их фазовой скорости связана со скоростью волны модуляции или групповой скоростью ВЧ излучения: ~ юдг. В частности, при специальном подборе значений плотности плазмы и величины внешнего магнитного поля наблюдался почти точный синхронизм накачки с возбуждаемыми НЧ волнами (рис.4). В то же время, продольный масштаб пучка накачки в условиях эксперимента составлял величину, сравнимую как с пространственным периодом модуляции ВЧ поля, а = г»а,./Д/ или а = г»а,.//го, так и с длинами возбуждаемых НЧ волн. В результате продольные волновые числа и угловой спектр НЧ волн определялись не только периодом биений (модуляции) накачки, а > 30 см, но и полным размером области, занятой ВЧ полем, Ь ~ 100 см. Как следствие, продольная фазовая скорость НЧ волн, регистрировавшихся в эксперименте, не всегда совпадала с групповой скоростью накачки и могла отличаться от нее в 1.5 4 2 раза.

Распределение НЧ полей, возбуждаемых биениями встречных ВЧ волн, существенно отличалось от крупномасштабной структуры волн, генерируемых попутными ВЧ волнами и амплитудно-модулирован-ной накачкой (рис.5). В этом случае скорость вол-

Рис.4. Результаты измерений (1) фазовой задержки возбуждаемых НЧ волн и (2) групповой задержки ам-плитудно-модулированной волны накачки в зависимости от расстояния до излучающей антенны. Несущая частота накачки / = 80 МГц, частота модуляции fm = 5 МГц

ны биений, распространявшейся попутно с ВЧ волной более высокой частоты, составляла иь = А/А-/2 ~ ~ 107см/с и была на порядок меньше фазовой скорости НЧ волн (У|[ > 108см/с). Таким образом, на длине пучка накачки укладывалось много периодов биений ВЧ поля, но резонансный режим генерации НЧ волн не мог быть реализован. Регистрируемые на частоте Д/ поля являлись суперпозицией вынужденных колебаний с пространственным периодом биений (а ~ А-/2 ~ 2.5 4 5 см) и свистовых волн с длинами А- а. Интерференция этих полей приводила к мелкомасштабной модуляции НЧ поля вдоль оси г с периодом, близким к периоду биений а, и почти не зависящим от Д/ (рис.5с). Измерения показали, что НЧ волны возбуждались в направлении распространения "медл

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»