ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2008, том 34, № 3, с. 252-256
МАГНИТНЫЕ ЛОВУШКИ
УДК 533.951
ВЫНУЖДЕННОЕ ИОНИЗАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ ВОЛНОВОГО ПУЧКА, ФОРМИРУЮЩЕГО РАЗРЯДНЫЙ КАНАЛ В ПРОБОЧНОЙ МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ
© 2008 г. А. С. Белов, Г. А. Марков
Нижегородский государственный университет им. НИ. Лобачевского, Россия Поступила в редакцию 18.06.2007 г.
Обнаружено и исследовано вынужденное рассеяние волнового пучка свистового диапазона частот, формирующего протяженный разрядный канал в пробочной магнитной ловушке, на релаксационных колебаниях решетки плазменных неоднородностей, генерируемой полем пучка. Экспериментально показано, что в плазме ВЧ-разряда спектральный состав поля накачки существенно уширяется, и в нем появляются выделенные модуляционные пики, соответствующие колебаниям решетки. Пики наблюдаются при давлении рабочего газа, когда длина свободного пробега электронов становится близкой к длине стоячей волны излучения, формирующего разрядный канал. Представлена физическая модель, объясняющая наблюдаемые явления.
PACS: 52.35.Mw
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно [1, 2], что плазменно-волновой разряд свистового диапазона частот (ю1Я < ю < юНе, где юНе - гирочастота электронов, юш - частота нижнегибридного резонанса) может быть локализован на оси ВЧ-источника и оторван от стенок разрядной камеры. Разряды этого диапазона частот нередко называют геликонными [3-5], ориентируясь на модели однородного плазменного столба. Однако при учете поперечной неоднородности плазмы в разрядном канале легко убедиться [6] в пренебрежимо малом вкладе геликонов в поле собственных мод неоднородного плазменного волновода во всех случаях узких волноводов (а < Хвак, а - радиус волновода, Хвак - длина волны в вакууме), когда концентрация плазмы на оси велика по сравнению с критической (юре(0) > ю).
Локализованный на оси камеры пробочной магнитной ловушки ВЧ-разряд [7, 8] оказался удобным средством для лабораторного моделирования волновых и резонансных процессов в магнитосферном резонаторе с каналом (дактом) повышенной плотности плазмы. Оказалось [7], что распределение вдоль оси ловушки таких параметров, как плотность плазмы в разрядном канале, ширина канала и величина магнитного поля подобны распределению их вдоль естественного магнитосферного волновода.
Исследования электромагнитных возмущений, генерируемых в неравновесной плазме ВЧ-разряда в пробочной магнитной ловушке, показали сильную зависимость и спектров, и природы наблюдаемых колебаний от соотношения длины свободного пробега электронов (1е) с длиной
ловушки (Ь) и длинами волн пучка, формирующего разрядный канал (X). Например, при малых давлениях в разрядной камере, когда 1е > Ь, возможна генерация ионно-циклотронных линий молекул рабочего газа [7]. При несколько больших значениях давления (Ь > 1е > X) возможно эффективное возбуждение ионно-звуковых и магнито-звуковых волн [9, 10]. При еще больших давлениях, когда длина свободного пробега электронов становится близкой к длине стоячей волны излучения, формирующего разрядный канал (1е < Х/2), оказалась возможной генерация ионизационных волн - страт, возникающих в местах пучностей поля стоячей волны накачки.
В работе приведены данные о наблюдении вынужденного рассеяния волнового пучка, формирующего разрядный канал в пробочной магнитной ловушке, на релаксационных колебаниях решетки плазменных неоднородностей, генерируемой полем пучка.
2. УСЛОВИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Эксперименты были выполнены на установке, схема которой приведена на рис. 1.
Магнитное поле в ловушке создавалось двумя соленоидами (катушки 1 и 2) с раздельным питанием, что позволяло изменять продольное распределение индукции магнитного поля Бг(1) от квазиоднородного до сильно неоднородного распределения пробочной конфигурации. Расстояние между центрами пробок составляло 120 см. Разряд формировался в стеклянной колбе (рис. 1,
многосеточныи зонд
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 и 2 - соленоиды с раздельным питанием, элемент 3 - разрядная колба, элемент 4 - многосеточный зонд и элемент 5 - штыревая антенна.
элемент 3) длиноИ 150 см, диаметром 2a = 6 см при ионизационном самоканалировании волновых полеИ в свистовом диапазоне частот, возбуждаемых квадрупольноИ антенноИ из трех медных колец, надетых на колбу в ее центральной части на расстоянии 9 см друг от друга. ВЧ-напряжение (f = 200 МГц, V0 = 50 В) подводилось к возбуждающим кольцам антенны от генератора ГСТ-2 коаксиальным кабелем так, что центральная жила кабеля была соединена с центральным кольцом, а внешняя обмотка кабеля с боковыми кольцами. РабочиИ газ - воздух, давление которого изменялось в пределах P ~ 10_1-10~3 Тор. Вводимая в разряд ВЧ-мощность составляла величину порядка 10 Вт. Усредненная по поперечному сечению разрядного столба плотность плазмы Ne определялась СВЧ-интерферометром на частоте 9.5 ГГц и по дисперсионным характеристикам поверхностных волн, направляемых плазменным столбом [11]. Для регистрации электромагнитных излучениИ в плазме использовался анализатор спектра СК 4 - Белан. Анализировались сигналы со шты-ревоИ антенны (рис. 1, элемент 5), расположен-ноИ на поверхности разрядного баллона вдоль его оси и подвижноИ в промежутке между катушками магнитных пробок.
Особенностями ионизационного самоканали-рования волновых полеИ свистового диапазона частот в неоднородном поле магнитноИ пробки являются сужение разрядного плазменного столба в области сильного поля Bz, возрастание плотности плазмы в этоИ части столба и наличие сто-ячеИ волны излучения, формирующего разряд-ныИ канал [12]. На рис. 2 представлены распределения вдоль оси ловушки поперечного радиуса канала R,(z) (R,(z) - радиус наиболее яр-коИ части разрядного канала, Ne(R,) ~ Ne(0)/2) и усредненноИ по поперечному сечению канала
плотности плазмы Ив (г) для заданного распределения продольной составляющей магнитного поля Бг(г) при Р - 8 х 103 Тор.
На рис. 3 показано распределение вдоль внешней стенки разрядной колбы значения квадрата амплитуды продольной компоненты электриче-
Вг, Гс
750 -
650 -
550
450
Ne, см-3
1 х 1011 8 х 1010 6 х 1010 4 х 1010
2 х 10
10 20
Я,
R±, см 2.6
40
60 80 z, см
100
Рис. 2. Распределение параметров Bz(z), Ne (z) и R,(z) вдоль продольноИ оси установки.
|Ег|:
30
50
*
70
90
г, см
Рис. 3. Распределение вдоль внешней стенки разрядной колбы квадрата амплитуды продольной компоненты электрической составляющей ВЧ-поля на частоте 200 МГц (Ег тах - максимальное значение напряженности продольной составляющей электрического поля в области пробки).
1018(5 / ^тах) 0
-20
-40
-60
192
196
200
204
/, МГц
Рис. 4. Спектральный состав излучения, формирующего разрядный канал. Кривая 1 соответствует случаю отсутствия плазменной нагрузки, кривая 2 -спектральный состав поля накачки в плазме ВЧ-разряда (5 - значение спектральной плотности мощности излучения на произвольной частоте, 5тах - значение спектральной плотности мощности излучения на частоте накачки в плазме разряда).
ской составляющей ВЧ-поля на частоте 200 МГц. Звездочками отмечено положение возбуждающих колец ВЧ-антенны.
Сложная структура \Е1(г)\2 объясняется интерференцией поля собственной волны неоднородного плазменного волновода с ближнем полем ВЧ-источника и волнами, отраженными от магнитных катушек с уменьшенным внутренним диаметром, расположенными в области пробок, и от резкого перепада плотности плазмы у торцевой поверхности многосеточного зонда. В представленном распределении \Е1(г)\2 важным моментом является наличие стоячей структуры волнового поля с характерными продольными масштабами ~10-12 см.
Спектральный состав излучения, формирующего разрядный канал, показан на рис. 4, где кривая 1 соответствует случаю отсутствия плазменной нагрузки. В плазме ВЧ-разряда спектральный состав поля накачки (кривая 2) существенно уширился (особенно в красную сторону), и на нем появились выделенные модуляционные пики. Монотонное уширение спектра обусловлено рассеянием волны накачки на ионно-звуковых колебаниях плазмы [5, 9, 10, 13]. Пики наблюдаются в довольно узком интервале давлений Р ~ 3 х 10-25 х 10-3 Тор и значений магнитного поля в центральной части ловушки Бг0 ~ 300-600 Гс. Частотный сдвиг между пиками зависит от условий разряда и меняется в пределах от 1.4 МГц (Р > 10-2 Тор, Б0 ~ 350 Гс) до 1.8 МГц (Р < 10-2 Тор, Бг0 ~ 550 Гс).
При анализе низкочастотных шумовых излучений в разрядной плазме в указанном интервале параметров было обнаружено появление выделенных максимумов на частотах, кратных основному колебанию на низшей частоте /0 (/ ~ 1.7 МГц при Р ~ 8 х 10-3 Тор и Бг0 ~ 450 Гс). На рис. 5 приведена зависимость спектральной плотности мощности колебаний от частоты, снятая с помощью штыревой антенны вблизи магнитной пробки (г ~ 95 см) в указанных выше условиях эксперимента.
1018(5 / 5тах)
_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
2 4 6 8 /, МГц
Рис. 5. Зависимость спектральной плотности мощности колебаний от частоты в диапазоне до 10 МГц (5 -значение спектральной плотности мощности излучения на произвольной частоте, 5тах - максимальное значение принимаемой спектральной плотности мощности излучения в данном частотном диапазоне).
Следует отметить, что амплитуда наблюдаемых пиков принимает максимальное значение вблизи пробок.
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Совокупность приведенных экспериментальных данных, анализ дисперсионных свойств плазменного волновода в продольном магнитном поле и обзор литературных источников позволяют нам представить следующую физическую модель наблюдаемых явлений. Повышенная ионизация газа в пучностях электрического поля "стоячей" волны накачки (частота ионизации v¿ ~ É1^, где в величина порядка и больше единицы [14]) может привести к возникновению решетки плазменных неоднородностей с характерным пространственным периодом Л ~ 10 см. Рассеяние на неоднородности обладает резонансными свойствами только тогда, когда волны, рассеянные отдельными неоднородностями, складываются синфазно. Это условие интенсивного рассеяния (условие Брэгга) имеет вид X = 2Лcos б, где б - угол падения волны на неоднородность. В случае обратного расс
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.