Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена исследованию устойчивости газоразрядной плазмы. Проблема изучения плаэ-енных неустойчивостей и возникавшей в результате их развития урбулентносги представляет собой одну из центральних жадач :овреыекной физики плазми. Реальная плазма практически всегда івляется неравновесной, что обуславливает ее неустойчивость-и -юзбуждение в ней волн различного типа. Аномально большой ле-)внос частиц и энергии, возникающий из-за неусгойчивостей в го->ячей заиагниченной плазме, является одним из основных препят-;твий на пути реализации управляемого термоядерного синтеза.
Газоразрядная плазма является уникальным объектом исследования неустойчивостей. Ломтю того, что газовый разряд интересен сам по себе, он имеет многочисленные технические применения. Для создания газоразрядной плазмы не требуется дорогостоящих крупномасштабных установок, а для ее исследования имеются различные достаточно хороао разработанные методики. Вместе с тем многие результаты, полученные при исследованиях га- ' зораэрядной плаэкы, позволяют лучпе понять процессы, происходящие в ионосфере, пристеночной плазме токаыаков и т.д.
В плазме возможны неустойчивости различного типа. В магнитной поле одной из наиболее характерных неустойчивостей плазмы является дрейфозо-диссипативная. Ока представляет собой универсальное явление в обнаруживается в саыых разных плазменных образованиях и устройствах. Причиной ее возникновения служит присущая любым реальным плазменным образованиям термодинамическая иеравновесность плазмы - градиент давления поперек магнитного поля. В зависимости от конкретных условий эта единственная причина приводит к самопроизвольному возникновению в бестоковой плазме различных типов неустойчивых колебаний таких, как дрейфовые, ионяо-звуковые, низкочастотные дрейфовые, колебания разреженной плазмы. К их возбужденно приводит действие таких факторов, как инерция ионов, конечность ионного лариоровското радиуса, иеквазинейтральность возмущений. Имевшиеся ранее отрывочные сведения не позволяли провести систематическую проверку справедливости существовавшей теории неустойчивости и определить условия, в которых доминируют те
или иные факторы.
При изучении самой дрейфово-диссипативной неустойчивости представляет интерес разработка способов ее подавления, изучение ее влиянии на стационарные параметры плазмы, создание методик определения параметров плазмы.
Среди неустойчивостей газоразрядной плазмы с протекавшим но ней постоянный электрическим током в отсутствие магнитного поля одной из фундаментальных является ионно-звуковая неустойчивость. Теория предсказывала возможность самовозбуждения ионно-звуковых волн в плазме с током. Предстояло обнаружит! и изучить эти волны экспериментально.
Другая присущая газовому разряду неустойчивость - иониза-ционно-дкффуаиошшн, приводимая к образованию бегущих страт. Еыдвигалось иного гипотез ьозбуидеиин страт. Пилящаяся сейчас обдепризнанвой иониэациошю-диМуэиоиная теория предсказывала ряд свойств страг, среди которых возбуждение широкого непрерывного спектра колебании вблизи границы неустойчивости. В работе это свойство было экспериментально обнаружено.
С практической точки зрения ваяно найти способы подавлания страт. Ьто актуально при разработке ряда газоразрядных устройств, например, ыалошумнщнх активных элементов газовых лазеров
Цель работы заключалась ь изучении неустойчивых колебании в газоразрядной плазме и анализе механизмов неустойчивости. Она включала в себя исследование дроіііроьо-диссшіативной неустойчивости и ео разновидностей в бестоковой неоднородной плазме с градиентом плотности, перпендикулярным постоянному аксиальному магнитному нолю. Сюда относится обнаружение, идентификация и изучение саиопроиаиольно возникающих неустойчивых колебаний, разработка способов подавлении неустойчивости, установление ее влияния на стационарные параметры плазмы, создание методик определения плазменных параметров. В задачу исследования входила также проверка теории дрейфово-диссипитивного механизма возбуждения неустойчивости. Один из разделов работы посвящен изучению ионно-звуковой неустойчивости. Предстояло экспериментально обнаружить и изучить условия самопроизвольного возникновения, свойства и закон дисперсии ионно-звуковых волн. Для ионизационно-диффузионных волн требовалось экснери-
ментально доказать возможность существования предсказанного теорией шумового, а не дискретного спектра частот, самовозбуждающихся в плазме страховых колебаний. Необходимо было разработать способ подавления бегущих; страт для более эффективной работы некоторых газоразрядных устройств.
Научная новизна и значимость работ».
Впервые проведено комплексное исследование широкого класса неустойчивых волн в газоразрядной плазме при наличии внешнего магнитного поля и без него.
Экспериментально показано, что в бестоковой газоразрядной плазме с градиентом плотности, перпендикулярным магнитному полю, может развиваться дрейфово-диссипативная неустойчивость. При этом установлено, что в зависимости от конкретных условий воз-мохны слудуюдие четыре ее разновидности: дрейфовая, ионно-звуковая, низкочастотная дрейфовая, а также неустойчивость разреженной плазмы,
Доставерно экспериментально обнаружены предсказанные теорией неустойчивые дрейфовые колебания, частота которых (л) ме-ньие ионной циклотронной частоты Шс , и ионно-эвуковые колебания с СО >ШІ% для возбуждения которых является существенным эффект инерции ионов. Нами обнаружены низкочастотные дрейфовые колебания с OJ)?ia( ^іл - частота столкновений ионов о нейтральными атомами) и показало, что их возбуждение связано с эффектом конечности ионного ларморовского радиуса. Показало, что в стационарной неизотерцической плазме с малой плотностью электронов могут самопроизвольно возбуждаться низкочастотные колебания, обусловленные отступлением от кваэинейтральности в колебаниях. В общем случае существенны все вышеперечисленные дестабилизирующие плазму факторы, так что картина явления достаточно сложна. Впервые выявлены условия, при которых домини-яирует тот или иной фактор, что позволяет дать точную и однозначную интерпретацию эксперимента. Установлены области существования, изучены свойства и закон дисперсии различных типов неустойчивых колебаний.
На основе полученых результатов экспериментов разработан способ плавной регулировки радиального электрического поля в плазме при искусственном возбуждении ї ней волн. Показано,
что в плазае s магнитном поле при самопроизвольном возбуждении иеустойчишх колебаний существует аномальное радиальное электрическое поле. Показано, что оно полет быть раасчитано по известит характеристикам волн.
Предложен способ подавления дрейфово-диссипативной неустойчивости.
Предложены новые способы определения температуры и концентрации электронов, основанные на зондировании плазмы электромагнитный» .волнам.
Показано, что экспериментальные результаты качественно совна дают с теоретическими, получвникми в локальной квазиклассмческс приближении.
Проведено комплексное исследование самопроизвольного возбуждения ионно-звуковых волн в газоразрядной плазме с протекающим по ней токои, установлены условия возбуждения неустойчивости, закон дисперсии волн. Экспериментальные результаты соответствуют теоретическим.
Впервые обнаружено, что при низких давлениях, близких к граничнім дли существовании страт, бегущие страты обладают не дискретний, а шумовим спектром в определенном диапазоне частот, в котором наблюдается распространение волн. Разработаны элективные способы подавления страт.
Таким образом, в работе развито научное направление физики плазми, состоящее в комплексной исследовании волн и неустойчи-востей бестокового газового разряда в магнитном поле, включавше в себя идентификацию механизмов неустойчивости и условий возбу* дания волн, изучения закона дисперсии воли, а также разработку способов подавления неустойчивости. Наряду с этим в диссертации исследованы неустойчивости разряда постоянного тока: ионно-звую вые волны и бегущие страты.
Практическая ценность полученных в диссертационной работе результатов состоит в следующем:
1, Результаты экспериментальных исследований могут быть исполь
зованы для проверки нелинейной теории дрейфово-диссипативной
неустойчивости.
2. Мскусстьенное возбуждение волн позволяет регулировать вели
чину радиального электрического ноля в плазме, помещенной в
іксиальное магнитное поле.
, Самопроизвольное возбуждение колебаний сопровождается возник~ эвением аномально большого радиального электрического поля. По звестныц характеристикам волн возможно определить величину поля. . Предложен способ подавления дрсіфово-диссшативной неустойчи-эсти в газоразрядной плазме путем наложения на нее дополнителъ-ого слабого поперечного магнитного поля.
. Разработан способ определения температуры электронов в плазме, омещенной в немонотонно изменяющееся в пространстве магнитное оле по установленному на опите профилю линии циклотронного пог-ощенип электромагнитной волны.
;. Разработан способ определения концентрации электронов в плазів на основе измерения коэффициентов прохождения и отражения ілектромагпитной волны в неоднородном магнитном поле. '. Способы определения температуры и концентрации электронов іашли применение не только при измерениях в слабо ионизованной їлазце, но и в термоядерних системах ( адиабатические ловушки ). 3. Разработаны способы подавления бегущих страт, что позволяет создать конструкции иалопушщих активных элементов газовых лазеров.
з . На основе полученных результатов может быть проведен анализ явлений в плазме ионосферы, в пристеночной плазме установок, предназначенных для осуществления управляемого термоядерного синтеза.
По результатам работы получено 10 авторских свидетельств на
изобретения.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на ряде Всесоюзных и-Международных конференций.
Публикации. В основу диссертации положены работы автора / I - 68 /.
Объем работы. Содержание диссертации изложено на 303 страницах машинописного текста и иллюстрируется ТЭО рисунками и 12 таблицами. Библиография включает 299 найменований литературных источников.
Структура диссертация. Диссертация состоит из введения, восьми глав и заклячения. Изложение материала обзорного характера дается в приложении и непосредственно з самих главах.
