WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Глава 2 посвящена экспериментальному исследованию эффектов преобразования частоты и амплитуды волн свистового диапазона, распространяющихся в плазме с нестационарными возмущениями магнитного поля. Экспериментальная деятельность в данном направлении была стимулирована наблюдением в магнитосфере Земли низкочастотных излучений с выраженной амплитудно-частотной модуляцией, регистрируемых одновременно с нестационарными вариациями магнитного поля. Раздел 2.1 посвящен теоретическому описанию вистлеров в плазме с нестационарным магнитным полем. Анализ дисперсионных свойств волн свистового диапазона (раздел 2.1.1) показывает, что магнитные возмущения могут существенно изменять амплитудно-частотные характеристики излучения. В диссертации исследуется «нерезонансный» [6] механизм параметрического преобразование частоты и амплитуды вистлеров, который, в отличие от резонансного рассеяния, редко рассматривался теоретически, и не исследовался в экспериментах. В разделе 2.1.2 из уравнения переноса частоты получено приближенное аналитическое выражение для девиации частоты волны свистового диапазона, после ее прохождения через область с нестационарным возмущением магнитного поля. Экспериментальные данные подтверждают оценки, сделанные на базе указанного выражения.

Раздел 2.2 посвящен описанию экспериментов, в которых исследовались эффекты нерезонансной параметрической модуляции вистлеров в нестационарном магнитном поле. В разделе 2.2.1 описан способ генерации возмущений магнитного поля. В качестве источника магнитных возмущений использовалась дополнительная рамочная антенна (индуктор), установленная внутри основного соленоида установки. Переменный ток, пропускавшийся по индуктору, обеспечивал относительное возмущение поля до B/B0 ~ 20%; характерные времена возмущения были достаточно малы, и интенсивные возмущения магнитного поля не сопровождались модуляцией плотности плазмы на временах порядка. В экспериментах изучались гармонические и апериодические магнитные возмущения. Исследования выполнялись как при однородном распределении плотности плазмы по радиусу, так и при наличии вытянутой вдоль магнитного поля неоднородности (дакта) с пониженной плотностью. В разделе 2.2.2 описан термодиффузионный механизм формирования неоднородности за счет локального нагрева плазмы ВЧ полем.

Раздел 2.3 посвящен изложению экспериментальных результатов. В разделе 2.3.1 анализируется структура возбуждаемых антеннами электромагнитных полей. В выбранном режиме параметров в плазму излучались пробные волны с волновым вектором, направленным под углом 0 = 350 – 450 относительно направления магнитного поля.

Рис. 1. Осциллограммы (a,b,c) и соответствующие динамические спектры (d,e,f) пробных свистовых волн с исходной частотой f0 = 160 МГц, прошедших через область с периодической модуляцией магнитного поля на частоте 1.2 МГц при относительной амплитуде возмущения B/B0 ~ 3  10-2, и принимаемых на различных расстояниях от излучающей антенны. Плотность плазмы n0 = 1011 см-3, величина магнитного поля B0 = 82 Гс.

В разделе 2.3.2 рассмотрены характеристики пробных волн свистового диапазона, прошедших через область с гармоническим возмущением магнитного поля. Эксперименты показывают, что частота зондирующей волны модулируется с периодом, равным периоду модуляции магнитного поля. Индекс частотной модуляции зависит от отношения частоты излучения к электронной циклотронной частоте; экспериментальные результаты согласуются с теоретическими оценками. Максимальная девиация частоты /0 ~ B/B0 ~ 5  10-2 наблюдается, когда групповая задержка волны в возмущенной области сравнима с периодом возмущения магнитного поля, на частотах, близких к резонансной частоте для «косых» свистовых волн  cos 0. В этих же условиях становятся существенными дисперсионные эффекты: разные участки частотно-модулированной (ЧМ) волны распространяются с различными групповыми скоростями. В результате наблюдается дисперсионное сжатие ЧМ свистовой волны, из-за которого непрерывный сигнал дробится на отдельные волновые пакеты, длительность которых уменьшается по мере удаления от источника и от области с возмущенным магнитным полем (рис. 1). Минимальная длительность, до которой сжимаются волновые пакеты, составляет t ~ /.

В разделе 2.3.3 приведены результаты, полученные при зондировании области с гармонической модуляцией магнитного поля коротким импульсом монохроматических свистовых волн. Длительность импульса выбиралась меньшей периода модуляции поля, он излучался в плазму в различных фазах возмущения. В зависимости от фазы запуска, после прохождения через возмущенную область частота импульса смещается в «красную» или в «синюю» сторону. Также с помощью короткого импульса были выполнены измерения групповой скорости вистлеров в зависимости от угла распространения относительно направления магнитного поля.

Раздел 2.3.4 посвящен распространению вистлеров в плазме с магнитным полем, возмущенным интенсивными низкочастотными волнами. Низкочастотные волны c амплитудой до B/B0 ~ 10-2, как и зондирующее излучение, относились к свистовому диапазону. Наблюдается амплитудно-частотная модуляция вистлеров, глубина модуляции зависит от их группового угла. Результаты аналогичны данным, полученным при облучении пробными волнами области вблизи источника возмущения магнитного поля (индуктора). Несмотря на теоретическую возможность фазового синхронизма высокочастотных вистлеров с низкочастотными, резонансные эффекты в эксперименте не наблюдались.

Дополнительные эффекты амплитудно-частотной модуляции вистлеров, обусловленные наличием вытянутой плазменной неоднородности (дакта) на трассе их распространения, обсуждаются в разделе 2.3.5. Если антеннами возбуждается набор собственных мод дакта, имеющих различные групповые скорости, то при появлении частотной модуляции в нестационарном магнитном поле интерференция мод приводит к усложнению форм спектров сигналов, принимаемых из плазмы. Эффекты межмодовой дисперсии проявляются тем сильнее, чем больше длина трассы распространения вистлеров.

В разделе 2.3.6 приведены результаты, полученные при зондировании плазмы с невозмущенным магнитным полем ЧМ свистовыми волнами. Целью экспериментов было выявление механизмов, приводящих к амплитудной модуляции ЧМ излучения. Продемонстрировано два механизма: (1) дисперсионное сжатие и (2) подавление высокочастотных спектральных составляющих за счет зависимости декремента затухания от частоты вблизи резонанса  cos 0. Последний механизм приводит к смещению спектра вистлеров, как целого, вниз по частоте. Зависимость декремента затухания вистлеров от частоты рассмотрена в разделе 2.3.7. Оценки показывают, что затухание приблизительно в равной степени обусловлено электрон-ионными столкновениями и поглощением тепловыми электронами плазмы на циклотронном резонансе (нормальный эффект Доплера).

Свойства вистлеров, распространяющихся в плазме с магнитным полем, изменяющимся во времени не по гармоническому закону, рассмотрены в разделе 2.3.8. Качественно частотная модуляция в этом случае не отличаются от эффектов, наблюдаемых при периодическом возмущении поля. Интересно, что в условиях эксперимента спектрограмма зондирующей волны практически воспроизводит форму магнитного возмущения (рис. 2). Последнее обстоятельство может использоваться в диагностических целях.

Материалы, изложенные во второй главе диссертации, опубликованы в работах [1А–3А, 8А–11А, 15А].

Рис. 2. (a) зависимость магнитного поля в плазме (плотность n0 = 3  1011 см-3) от времени; (b) динамический спектр зондирующей свистовой волны на частоте f0 = 148 МГц после прохождения через область с нестационарным возмущением магнитного поля

Глава 3 посвящена исследованию волновых полей, возбуждаемых в плазме при наличии пространственно-неоднородных вариаций магнитного поля. Распространение вистлеров при наличии пространственных вариаций плотности плазмы исследуется на протяжении нескольких десятилетий, однако вопросы, касающиеся влияния возмущений магнитного поля на волны свистового диапазона частот, ранее практически не обсуждались. Между тем, неоднородные магнитные структуры могут формироваться в околоземной плазме, особенно в областях с высоким значением  = 8n0(Te + Ti)/B02 ~ 1 (турбулентный слой, нейтральный слой) или при наличии вариаций плотности горячих частиц (экваториальная зона внутренней магнитосферы).

В разделе 3.1 описываются эксперименты по рассеянию вистлеров пространственно-неоднородными возмущениями магнитного поля. Возмущения формировались с помощью дополнительных одиночных витков с током, введенных в плазменный объем, а также с помощью компактного проволочного соленоида, установленного внутри основного соленоида установки (раздел 3.1.1). Подбор режима работы стенда и конструктивные особенности токонесущих элементов позволили минимизировать возмущение параметров фоновой плазмы (n/n0 << 1) даже при сильных пространственных вариациях магнитного поля (B/B0 ~ 1). Раздел 3.1.2 посвящен изложению экспериментальных результатов. В разделе 3.1.2.1 рассмотрена структура электромагнитных полей, возбуждаемых в плазме при наличии локального магнитного возмущения, создаваемого одиночным витком с током, «магнитной линзы». Показано, что область с увеличенным магнитным полем фокусирует косые свистовые волны с k|| ~ k (k|| и k – волновые числа вдоль и поперек направления магнитного поля, соответственно); локальный минимум магнитного поля, напротив, обладает дефокусирующими свойствами. В последнем случае регистрируется свистовая волна, отраженная от неоднородности. В разделе 3.1.2.2 изучены высокочастотные волновые поля, возбуждаемые в плазме с вытянутым возмущением (дактом) магнитного поля: в условиях эксперимента моделировалась «узкая» цилиндрическая неоднородность диаметром порядка 0.5–1 длины свистовой волны и длиной около 2-3 длин волн. Обнаружено, что дакт с увеличенным магнитным полем удерживает волновые поля, наблюдается значительное усиление свистовых волн вблизи его оси. Эффективность удержания волны «магнитным» дактом зависит от отношения частоты излучения к невозмущенному значению циклотронной частоты. На частотах порядка половинной циклотронной частоты электронов сравнительно небольшое возмущение магнитного поля (B/B0 ~ 0.1) приводит к существенному изменению пространственной структуры и увеличению амплитуды волновых полей в зоне неоднородности в несколько раз.

В разделе 3.1.2.3 обсуждается преобразование частоты вистлеров, распространяющихся в неоднородной области с изменяющимся во времени магнитным полем. В экспериментах наблюдаются параметрические эффекты, аналогичные рассмотренным во второй главе диссертации.

В разделе 3.2 предложен электродинамический способ управления излучением и приемом вистлеров с помощью рамочной антенны. Рассматривавшиеся ранее методы управления импедансом и диаграммой направленности без изменения геометрии антенн были связаны, в основном, с модификацией плотности плазмы, либо параметров слоя пространственного заряда у поверхности излучателя. В диссертации описан другой подход, заключающийся в локальной модификации магнитного поля вблизи антенны без возмущения параметров плазмы. При этом, очевидно, изменяется локальная диэлектрическая проницаемость плазмы. Для возмущения магнитного поля по антенне, наряду с высокочастотным током на рабочей частоте, предлагается пропускать постоянный ток (раздел 3.2.1). Главным преимуществом такой схемы является оперативность управления локальными диэлектрическими свойствами среды (плазмы). Раздел 3.2.2 содержит описание экспериментов, приведена схема развязки, использовавшаяся для подключения антенны к источнику постоянного тока и ВЧ генератору. Экспериментальные результаты изложены в разделе 3.2.3. В разделе 3.2.3.1 рассмотрены поля антенны с дополнительным постоянным током, работающей в режиме «излучение». Эффективность излучения вистлеров существенно (до 4 раз по амплитуде, рис. 3) возрастает при протекании тока в направлении, соответствующем локальному увеличению магнитного поля, и падает при локальном уменьшении магнитного поля. Сохранение пространственной структуры возбуждаемых волновых полей и отсутствие эффектов дополнительного согласования антенны с передающим трактом указывают на изменение сопротивления излучения рамочной антенны в свистовые волны. Существенное усиление волновых полей наблюдается, когда диаметр антенны сравним с длинами возбуждаемых свистовых волн. Параметры антенны с током, работающей в режиме «прием», изучены в разделе 3.2.3.2. Пропускание тока по приемной антенне позволяет увеличить ее чувствительность по амплитуде более чем в 2 раза.

Результаты экспериментов обсуждаются в разделе 3.3.4. Изменение импеданса антенны при локальной модификации магнитного поля рассмотрено в разделе 3.3.4.1, структура ближнего поля в зависимости от величины магнитного поля – в разделе 3.3.4.2. Показано, что если антенна электрически не мала (диаметр рамки сравним с длинами свистовых волн), то наблюдается эффект экранировки высокочастотных полей антенны токами поляризации, наведенными в плазме. В разделе 3.3.4.3 предложена качественная модель, объясняющая возрастание амплитуды излучаемых вистлеров при пропускании по антенне постоянного тока. В рамках модели локальное увеличение магнитного поля приводит к устранению эффекта экранировки, и, как следствие, к увеличению КПД излучателя.

Материалы, изложенные в третьей главе диссертации, опубликованы в работах [4А–7А, 12А–15А].

Рис. 3. Зависимость коэффициента усиления волновых полей в плазме от силы дополнительного постоянного тока в излучающей рамочной антенне и частоты сигнала в передающем тракте. Величина магнитного поля B0 = 35 Гс, плотность плазмы n0 = 4  1010 см-3. 1 – 35 МГц, 2 – 50 МГц, 3 – 55 МГц, 4 – 60 МГц, 5 – 64 МГц.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»