Введение к работе
Актуальность темы. Исследования свойств антенн в плазме обусловлены разработкой и совершенствованием методов диагностики космической и лабораторной плазмы, адекватных измерений электромагнитных полей, наблюдаемых в ионосферах и магнитосферах планет, и изучением механизмов их возбуждения. При проведении подобных экспериментов одной из основных задач является точное знание отклика применяемых антенн к генерируемым в плазме полям. Параметры антенн в плазме такие, как входной импеданс и диаграмма направленности, существенно отличаются от таковых в свободном пространстве, что является следствием таких факторов, как анизотропия магнитоак-тивной плазмы и эффекты пространственной дисперсии, которые необходимо учитывать даже в холодном приближении из-за наличия области нарушения квазинейтральности плазмы около поверхности антенн (далее двойной слой). Это вызывает серьезные трудности при анализе результатов измерений электромагнитных полей и нередко приводит к ошибочным интерпретациям экспериментальных данных. Кроме того, даже при достаточно малом уровне подводимой мощности (амплитуда сигнала сравнима с потенциалом плазмы) проявляются нелинейные свойства двойного слоя.
Знание входного импеданса необходимо не только для измерений полей и диагностики окружающей среды, но и для согласования генератора с антенной, что связано с задачами по постановке активных космических экспериментов [1], дополнительного нагрева термоядерной плазмы [2], лабораторного моделирования и использования плазменных оболочек с целью увеличения эффективности излучения наземных и самолетных антенн [3,4,5].
Другая часть диссертации касается вопросов исследования шумовых характеристик собственных колебаний магнитоактивной плазмы, а также генерации полей в системе пучок - плазма. Изучение плазменных шумов дает информацию о состоянии плазмы, о тех или иных коллективных процессах в ней происходящих, и имеет общефизический интерес.
Цель диссертационной работы. Диссертация посвящена эксперимен-
тальному исследованию: (а) основных характеристик, импедансных и излучательных, низкочастотных проволочных антенн в вистлерном диапазоне частот (wjft < w -С исе < ире);
(б) шумовых электромагнитных полей, возбуждаемых в замагниченной плазме тепловыми электронами и электронными потоками.
Научная новизна.
-
Рассмотрен эффект замедления тока у неизолированных проволочных антенн в зависимости от параметров области неквазинейтраль-ности плазмы вблизи поверхности проводников. Расчетные зависимости импедансов показали лучшее соответствие экспериментальным данным по сравнению с квазистатичесхой моделью.
-
Предложен способ изменения входного импеданса электрического диполя и управления эффективности излучения в вистлерные моды путем изменения его постоянного потенциала.
-
Показано, что для магнитной рамки механизм диссипации электромагнитной энергии в области частот ы -С 1>т«/Де <С ире (время пролета электронов степловой скоростью через область ближней зоны антенны меньше периода высокочастотного поля) в бесстолкновитель-ной плазме (размер антенны много меньше длины свободного пробега электронов) определяется дробовыми потерями.
-
Проведены исследования тепловых магнитных флуктуации в замагниченной плазме. Эксперименты обнаружили два новых свойства : (1) спектральная плотность магнитных шумов в махсвелловской плазме в вистлерном диапазоне частот подобна 1//-шуму без наблюдения особенностей на циклотронных частотах, и (2) "белый" шум в области ОТСеЧКИ ДЛЯ ПОПереЧНЫХ ЭЛеКТроМаГНИТНЫХ ВОЛН {и>се < W <; Wpe),
охарактеризованный как дробовой шум.
5. Присутствие в плотной плазме энергичных электронов, имеющих
значительные питч-углы относительно внешнего магнитного поля, вы
зывает усиление флуктуации квазистатического магнитного поля тока
таких электронов на циклотронных частотах п и>се .
В разреженной плазме (wp& ~ ысе ~ ире) зарегистрировано излучение на нецелых циклотронных гармониках (п -+ 1/2) wce, связанное, главным образом, с развитием пучковой неустойчивости.
Практическая и научная ценность.
Результаты, полученные в диссертации, позволяют оценить влияние двойного слоя на входной импеданс, и шумовую температуру низкочастотных проволочных антенн, используемых для излучения и измерения электромагнитных полей в лабораторной и космической плазме. Проведенные исследования флуктуации магнитных полей в намагниченной плазме дают информацию о функции распределения электронов по скоростям. Знание частотного спектра шумов собственных волн в равновесной плазме имеет значение, например, для нахождения порогов развития плазменных неустойчиво стен. Отмечается возможность прецизионного измерения квазис.тационарных магнитных полей и диамагнетизма плазмы с. использованием спиральных электронных пучков.
Положения, выносимые на защиту.
-
Область нарушения кваоинейтральности около поверхности проводников в плазме обычно рассматривали как вакуумный промежуток и распределение тока в антеннах принималось близким к вакуумному. Предложена модель, учитывающая замедление волны тока в проволочных антеннах в случае плотной плазмы (А,і С d). Измерения импедан-сов неизолированных электрического и магнитного диполей показали лучшее соответствие с приведенными оценками по сравнению с квазистатической моделью.
-
В бес.столкновительной плазме (А« ^> L) основным механизмом диссипации электромагнитной энергии для изолированной магнитной рамки в намагниченной плазме (ц>(/, < и> < исе <С wpe) являются дробовые потери, связанные с ускорением электронов в области ближнего поля антенн.
-
Пространственный заряд двойного слоя определяется параметрами плазмы и является нелинейной функцией потенциала проводника. Предложен способ электродинамического управления входным импедансом электрического диполя и мощностью излучения в вистлерные волны посредством изменения его постоянного потенциала. Причиной увеличения эффективности излучения диполя является не только уменьшение входного импеданса, но и изменение распределения тока в проводниках при потенциалах антенны близких к плазменному.
-
В магнитоактивной плазме большого объема с максвелловским распределением частиц по скоростям наблюдаются тепловые магнитные флуктуации, обладающие следующими свойствами: (а) в вис.тлер-ном диапазоне частот спектр магнитного шума подчиняется закону f~" (cv « 1) и в области низких частот w <С и>се интенсивность флуктуации превышает тепловой уровень, оцененный по формуле Найквиста; (б) на частотах и>се < ы <С wre спектр магнитных флуктуации становится однородным типа "белого" шума, интенсивность которого хорошо соответствует тепловому уровню; (в) особенностей излучения в макс-велловской плазме на гармониках электронной циклотронной частоты обнаружено не было.
-
Присутствие в плазме энергичных электронов, имеющих значительные питч-углы относительно внешнего магнитного поля, вызывает усиление магнитных флуктуации на циклотронных частотах п-ысе в плотной плазме {ирь,исе
ps) и на нецелых гармониках (п-И/2)-и/се в разреженной плазме (и}рь,исе ~ шре). Эксперименты показали, что усиление магнитного шума не обусловлено собственными циклотронными волнами и процессами развития циклотронной неустойчивости. Предложенная модель и числовые оценки, адекватные измерениям, объясняют данный эффект интерференцией магнитных полей шумового тока источника электронов, переносимого баллистическими модами с. дисперсией Ш — к -Vbeam-
Апробация результатов.
Основные результаты диссертации докладывались на IV Международном симпозиуме по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечного ветра (Львов,1983), VII школе-семинаре по ОНЧ излучениям (Якутск,1985), Международном симпозиуме по модификации ионосферы мощным радиоизлучением (Суздаль, 1986), Международной конференции по физике плазмы (Киев,1987; Ныо-Дели, 1989), XIX Международной конференции по явлениям в ионизированных газах (Белград, 1989), на конференции Американского Физического Общества (Си-ятл, 1992), Американского Геофизического Союза (Сан-Франциско, 1992), Международной конференции по физике плазмы солнечной системы (Иосемпт национальный парк, Калифорния, 1993).
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Диссертация наложена на 126 страницах, включая 45 рисунков. Список литературы включает 150 наименований.
