Введение к работе
Актуальность проблемы.
Реферируемая диссертационная работа посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию электродинамики систем, образованных электрическими вибраторными антеннами и окружающими их плазменными оболочками1.
Системы, включающие антенну (например, электрический вибратор) и плазменную оболочку, могут спонтанно формироваться при работе излучателей в верхних слоях атмосферы и ионосфере. Образование оболочек в этих условиях может происходить либо при высоком уровне возбуждающего антенну сигнала, либо за счет ионизации газа, возникающей при больших скоростях движения космических аппаратов.
Система "антенна-плазменная оболочка" может намеренно создаваться для получения лабораторной плазмы с заданными параметрами с помощью аналогичных вибраторным антеннам проволочных электродов. Кроме того, она также может возникать вокруг сигнальных кабелей и металлических элементов датчиков при проведении измерений в разреженном газе в условиях сильных электромагнитных полей.
Антенна может преднамеренно ставиться в условия работы в плазменной оболочке и для диагностики параметров стороннего ионизатора или даже с целью создания излучателя/приемника с новыми электродинамическими свойствами и.т.д.
Помимо всего прочего излучатель в плазменной оболочке интересен с общефизической точки зрения, как пример открытой распределенной, в общем случае нелинейной, электродинамической системы.
Характеристики антенн, находящихся в ограниченных плазменных образованиях,во многом отличны от соответствующих характеристик антенн, работающих как в свободном пространстве, так и в однородной безграничной плазме. Это отличие связано с тем, что распределения антенных токов и зарядов очень чувствительны к электродинамическим свойствам пространства в ближних полях антенны: наличию в этой зоне границ и неоднородностей параметров среды.
Несмотря на то, что изучение влияния плазмы на характеристики антенн ведется давно, важные вопросы влияния ограниченных плазменных неоднородностей (оболочек) на свойства антенн остались во многом невыясненными2. В частности, мало экспериментальных ра-
1 Термин "плазменная оболочка" в диссертации принят для обозначения локали
зованных вблизи поверхности антенн плазменных неоднородностей.
2 Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. - М: Мир, 1984. - 822 С.
бот, в которых исследовались бы самосогласованные распределения электромагнитного поля, его источников ( антенных токов и зарядов) и параметров плазмы, возникающие при работе антенны в режиме ко-ронообразования. В теоретических работах, посвященных антеннам в оболочках, как правило, не изучается влияние неоднородности параметров плазмы на распределение антенного тока и не рассматривается задача нахождения взаимосогласованных распределений токов (зарядов) на распределенном источнике, полей, порождаемых источником, и параметров разряда, возбуждаемого этими полями. В то же время для понимания особенностей работы антенны в оболочке во всех перечисленных выше ситуациях необходим экспериментальный и теоретический анализ взаимовлияния источниками) полей и плазмы. Объектом исследования в диссертационной работе выбрана система, состоящая из длинного (длина много больше поперечных размеров) металлического цилиндра, окруженного слоем изотропной плазмы, поперечные размеры которого много меньше длины антенны, а продольные не превосходят этой длины. Поперечные размеры антенны и плазменной оболочки предполагаются существенно меньшими как длины волны в свободном пространстве, так и длины волны антенного тока. Предположение о малости продольных размеров антенны по сравнению с указанными длинами волн не делается. Такая антенна является, по-видимому, простейшей доступной и удобной как для экспериментальных, так и для теоретических исследований системой, на примере которой возможно прояснение общих свойств антенн, включающих плазменные элементы, и отработка методов их экспериментального и теоретического анализа. Кроме того, подобный излучатель часто встречается на практике, либо как самостоятельная антенна, либо как элемент более сложных конструкций.
Цель работы.
Целью настоящей работы является построение картины физических процессов, определяющих самосогласованные режимы работы электрических вибраторных антенн в плазменных оболочках.
Поставленная цель достигается путем экспериментального исследования электрических вибраторов, работающих в условиях формирования ВЧ короны, и численного моделирования линейных и нелинейных режимов работы антенн, окруженных плазменными оболочками.
Основное внимание в работе сосредоточено на исследовании ближних полей антенн, антенных токов и параметров плазменных оболочек.
Научная новизна работы.
Новизна работы определяется как оригинальностью постановок задач, так и полученными новыми результатами и заключается в следующем:
1) Проведен цикл экспериментальных исследований системы
"электрический вибратор-ВЧ корона". Изучена структура и динамика
самосогласованных распределений антенных токов (зарядов), ближних
полей излучателя и параметров плазменной неоднородности, форми
руемой этими полями.
2) Проведены численные исследования электродинамики электрическо
го вибратора, окруженного неоднородной плазменной оболочкой.
Рассмотрены как линейные, так и нелинейные режимы работы такой
антенны.
Достоверность.
Достоверность результатов работы подтверждается:
а) повторяемостью и взаимодополняемостью результатов измерений,
полученных при использовании различных экспериментальных мето
дик,
б) согласованностью между теоретическими и экспериментальными
данными,
в) совпадением результатов тестовых лабораторных и численных экс
периментов с известными частными данными.
Научная и практическая ценность работы.
Выполненные исследования антенны, работающей в режиме ВЧ короны, представляют интерес с точки зрения физики нелинейных распределенных электродинамических систем. Они дают новую информацию по вопросу формирования плазменно-полевых структур в сильных электромагнитных полях при наличии обратной связи между распределением токов и зарядов на источнике поля и параметрами формируемой им плазменной неоднородности.
В ходе экспериментов были разработаны устройства и методы для невозмущающей диагностики самосогласованных систем "электромагнитный источник-разряд".
Теоретические результаты исследования линейных и нелинейных режимов работы антенны в плазменной оболочке позволяют интерпретировать соответствующие экспериментальные данные и могут служить основой для разработки излучателей с управляемыми характеристиками и электродных систем, создающих плазму с заданными параметрами.
Развитые методы и алгоритмы численного анализа электрических вибраторов в плазменных оболочках позволяют эффективно проводить численный эксперимент, допускают обобщение на случай более сложных антенн и построение решений с различными видами нелинейного взаимодействия полей излучателя с плазмой.
Экспериментальные и теоретические результаты могут быть использованы при разработке систем связи, работающих при наличии плазменных неоднородностей, а также средств диагностики и создания плазмы.
Апробация результатов.
Результаты, изложенные в диссертации докладывались на XXVII Международной конференции по теории и технике антенн (Москва, 1994), XII Международном симпозиуме по электромагнитной совместимости (Вроцлав, 1994), XVII Конференции по распространению радиоволн (Ульяновск 1993 г.), Научно-техническом семинаре РНТОЮС им. А.С.Попова "Распространение и дифракция электромагнитных волн в неоднородных средах" (Вологда 1994 г.), XLVIH Научной сессии, посвященной Дню радио (Москва, 1993 г., 1995 г.), Международной летней школе по проблемам физики космической плазмы (Н.Новгород 1993), И-ой Международной научной школе-семинаре "Динамические и стохастические волновые явления"(Н.Новгород 1994), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (Москва, 1991), XXV Генеральной ассамблее УРСИ (Лилль, 1996), а также на ежегодных научных конференциях и семинарах Нижегородского университета и Института прикладной физики.
Публикации.
Результаты диссертации опубликованы в научных журналах: Известия Вузов-Радиофизика, Письма в ЖТФ, Приборы и техника эксперимента, трудах и тезисах докладов научных конференций. Всего по теме диссертации опубликовано 18 работ.
Структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, одного приложения и содержит 114 страниц текста, 34 страницы иллюстраций, 125 наименований цитируемой литературы (общий объем 162 страницы).
