Transcript Доклад - Физика плазмы в солнечной системе

КВАЗИСТАЦИОНАРНЫЕ ТОКИ И МАГНИТНЫЕ
ПОЛЯ, ВОЗБУЖДАЕМЫЕ В ЗАМАГНИЧЕННОЙ
ПЛАЗМЕ МОЩНЫМИ РАДИОИМПУЛЬСАМИ
Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, А.В. Костров,
А.В. Стриковский
ИПФ РАН, Нижний Новгород
[email protected]
Актуальность проблемы
 Объяснение результатов геофизических исследований, в которых
наблюдаются квазистационарные (импульсные или низкочастотные)
возмущения магнитного поля, коррелирующие со всплесками
естественных узкополосных излучений высокой интенсивности
 Прогноз нелинейных эффектов, развивающихся при проведении
экспериментов по активному радиочастотному воздействию на
околоземную плазму
 Для организации контролируемых высыпаний энергичных электронов
(«чистка» радиационных поясов Земли) обсуждаются запуски ИСЗ с
мощными передатчиками килогерцового диапазона на борту (~ 5 кГц, P ~ 5
кВт)
U. Inan, T.F. Bell, J. Bortnik, and J.M. Albert. J. Geophys. Res., 108, SMP6 (2003)
2
Актуальность проблемы
 Создание в околоземной плазме протяженных излучающих токовых
структур для генерации низкочастотных волн (1 Гц … 10 кГц), прямое
возбуждение которых с борта КА или с поверхности Земли
малоэффективно
 Проблема “Ionospheric Current Drive”: объяснение эффектов генерации
низкочастотных токов и магнитных полей в экспериментах по активному
радиочастотному воздействию на ионосферу в условиях, когда не работают
традиционные механизмы (нет эффекта Гетманцева, нет поглощения в
окрестности плазменного резонанса)
K. Papadopoulos, Ionospheric Current Drive at Low Frequencies (Invited), American
Geophysical Union, Fall Meeting 2009, abstract #SA11B-01
3
Актуальность проблемы
 Фундаментальный интерес: при умеренных
(дорелятивистских) интенсивностях электромагнитного
излучения генерация квазистационарного магнитного поля
(или возмущений внешнего магнитного поля в замагниченной
плазме) – самый быстрый нелинейный эффект
 «Магнитная» нелинейность характеризуется меньшей
инерцией, чем стрикционная и тепловая нелинейности;
создание (или перераспределение) магнитного поля в плазме
не всегда сопровождается перераспределением плазмы или
ее нагревом.
Теоретический анализ:
В.И. Карпман, ЖЭТФ, 89, 71 (1985) и т.д.
Экспериментальные наблюдения: НЕТ!
4
Цели работы
 Обнаружение квазистационарных магнитных полей (КМП),
возбуждаемых при взаимодействии пространственно-неоднородного
интенсивного ВЧ излучения со слабостолкновительной
замагниченной плазмой, и выявление ключевых физических
механизмов, отвечающих за генерацию КМП
 Экспериментальное исследование мелкомасштабной и
крупномасштабной динамики КМП, возбуждаемых в плазме
импульсной ВЧ накачкой
 Лабораторное моделирование процессов параметрической
генерации НЧ волн при взаимодействии с плазмой интенсивного ВЧ
излучения с модуляцией интенсивности за счет «магнитной»
нелинейности
 Формулировка предложений по постановке активных
экспериментов в околоземной плазме
5
Стенд «Крот» (ИПФ РАН, Нижний Новгород)
6
Стенд «Крот» (ИПФ РАН, Нижний Новгород)
Индукционный ВЧ источник плазмы
f =5 МГц
4 генератора,
P = 1 МВт каждый
tp = 1.5 мс
Источник магнитного поля
Емкостной накопитель,
E = 1 МДж
B0 = 0 … 1000 Гс
Предельный вакуум
p = 3 x 10-6 Тор
Рабочий газ
Ar, He, Ne, H2
Давление рабочего газа
p = 1 x 10-4 … 5 x 10-3 Тор
Размеры замагниченной плазмы
длина 5 м, диаметр 1.5 м
Концентрация плазмы
ne = 106 … 1013 см-3
Температура электронов
Te = 0.1 … 10 эВ
7
Стенд «Крот»
Преобразование спектра электромагнитного излучения в нестационарной
магнитоактивной плазме:
А.В. Костров и др., Письма в ЖЭТФ, 7, 1026 (2003)
М.Е. Гущин и др., ЖЭТФ, 126, 1123 (2004)
M.E. Gushchin et al., Advances in Space Research, 42, 979 (2008)
V.E. Shaposhnikov et al., Journal of Geophysical Research, A116, A0325 (2011)
Распространение низкочастотного излучения в неоднородной плазме:
М.Е. Гущин и др., Письма в ЖЭТФ, 81, 274 (2005)
M.E. Gushchin et al., Physics of Plasmas, 15, 023504 (2008)
Диагностика плазмы:
И.Г. Кондратьев и др., Физика плазмы, 28, 977 (2002)
Д.В. Янин и др., ЖТФ, 78, 133 (2008)
Антенны в плазме:
М.Е. Гущин и др., Письма в ЖТФ, 32, 18 (2006)
С.В. Коробков и др., Физика плазмы, 33, 120 (2007)
M.E. Gushchin et al., Physics of Plasmas, 15, 053503 (2008)
В.А. Колданов и др., Физика плазмы, 37 (2011)
Лабораторное моделирование электродинамических параметров бортовых
антенн космических аппаратов:
M.E. Gushchin et al., Proceedings of the 18th Topical Conference on Radio Frequency
Power in Plasmas (RF2009), Belgium, Gent, June 24-26, 2009 (ed. V Bobkov and J.8
M. Noterdaeme, Melville, New York, 2009), p.659-666
Стенд «Крот»
Генерация квазистационарных магнитных полей и низкочастотных волн при
взаимодействии интенсивного электромагнитного излучения с плазмой:
М.Е. Гущин, С.В. Коробков, А.В. Костров, А.В. Стриковский, Письма в
ЖЭТФ, 88, 752 (2008)
М.Е. Гущин, С.В. Коробков, А.В. Костров, Д.А. Одзерихо, С.Э. Привер,
А.В. Стриковский, Письма в ЖЭТФ, 92, 89 (2010)
Н.А. Айдакина, М.Е. Гущин, И.Ю. Зудин, С.В. Коробков, А.В. Костров,
А.В. Стриковский, Письма в ЖЭТФ, 93, 555 (2011)
9
Описание эксперимента
Накачка: f << fpe ; f < fce – свистовый диапазон частот, fce < f << fpe –
область непрозрачности плазмы для электромагнитного излучения
Система измерения КМП: чувствительность лучше 10-5 Гс (1 нТл) при
характерных временах изменения КМП 100 нс – 10 мкс
10
Экспериментальные результаты
1. Генерация КМП в резонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с
замагниченной плазмой: электронно-циклотронный резонанс (ЭЦР)
Диамагнитный эффект – ослабление внешнего магнитного поля в
области плазмы, занятой ВЧ полем накачки
(а) Осциллограмма импульса накачки
(b) Осциллограмма возмущения
магнитного поля DB(t), обусловленного
диамагнитным эффектом в условиях
ЭЦР
Возмущение магнитного поля DB (мГс) в
зависимости от отношения частоты импульса
накачки f к электронной циклотронной частоте fce.
11
Экспериментальные результаты
1. Генерация КМП в резонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с
замагниченной плазмой: электронно-циклотронный резонанс (ЭЦР)
Диамагнитный эффект – ослабление внешнего магнитного поля в
области плазмы, занятой ВЧ полем накачки
Ускорение электронов в условиях электронноциклотронного резонанса (ЭЦР), т.е. при
совпадении частоты накачки f с электронной
циклотронной частотой fce и ее гармониками nfce
Набор электронами поперечной энергии
при пролете ближней зоны антенны
Увеличение магнитного момента электронов
Диамагнитный эффект
12
Экспериментальные результаты
2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой:
усредненная пондеромоторная сила
Парамагнитный эффект – усиление внешнего магнитного поля в
области плазмы, занятой ВЧ полем накачки
«Быстрая»
составляющая
КМП
«Медленная»
составляющая
КМП
(a) Осциллограмма импульса накачки
(b) Неинтегрированный сигнал с магнитного зонда
(c) Зависимость КМП от времени; возмущение концентрации плазмы
13
Экспериментальные результаты
2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой:
усредненная пондеромоторная сила
2.1. Объяснение «медленной» составляющей КМП
Продольная (аксиальная) пондеромоторная сила: F  me
Перераспределение плазмы в области
сильного ВЧ поля
DB = - (b /2) B0 (Dn/ne)
b = 8p neTe / B02
Появление некомпенсированного тока
намагничивания
Добавочное магнитное поле (КМП)
14
Экспериментальные результаты
2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой:
усредненная пондеромоторная сила
2.2. Объяснение «быстрой» составляющей КМП
Поперечная (радиальная) пондеромоторная сила: F  me
2
Пондеромоторный потенциал
e2 E pump
для квазипродольных свистовых волн:    8p 2m 2 f  f  f   0
e
ce
Дрейфовый (азимутальный) ток электронов:
Закон Ампера:
rot DB ~
4p
jd
c
Показатель преломления
квазипродольных свистовых волн:
2
n ~
jd  ene v d  me cne
f
2
pe
f  f ce  f 
~
B pump
E pump
, B0 
B02
2
2
Продольное (аксиальное)
B pump
возмущение магнитного DBz ~
2 B0
поля:
При B0 ~ 100 Гс, |Bpump| ~ 5 x 10–2 Гс
Оценка согласуется с результатами
экспериментов
2
DBz ~ 10–5 Гс
15
Экспериментальные результаты
2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой:
усредненная пондеромоторная сила
2.3. Поперечная структура КМП и квазистационарных токов
Поперечные распределения аксиальной
(Bz) и азимутальной (By) компонент КМП,
возбуждаемых на расстоянии z = 3.5см от
плоскости ВЧ рамочной антенны, и
отвечающих за их генерацию компонент
нелинейного тока, восстановленных из
закона Ампера
Возбуждается сложная система квазистационарных электронных токов, имеющих
поперечную (азимутальную) и продольную (аксиальную) компоненты, которые
замыкаются по фоновой плазме в области, занятой полем ВЧ накачки, и ее
ближайшей окрестности
16
Качественная картина квазистационарных токов, возбуждаемых
пространственно-неоднородной ВЧ накачкой в
слабостолкновительной замагниченной плазме
Продольные
токи
Дрейфовые
электронные токи
Возмущения
концентрации
плазмы
Токи
намагничивания
Синие стрелки:
Продольная
пондеромоторная
сила
Область
замагниченной
плазмы, занятая
ВЧ полем
Красные стрелки:
Поперечная
пондеромоторная
сила
17
Экспериментальные результаты
3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой
3.1. Перенос КМП вдоль внешнего магнитного поля
Продольный перенос возмущений
магнитного поля происходит со
скоростью свистовых волн:
Vz = c (f fce)1/2 / fpe,
f ~ (длительность фронта накачки)-1
Продольный транспорт магнитного поля – всегда волны (конвекция)
18
Экспериментальные результаты
3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой
3.2. Перенос КМП поперек внешнего магнитного поля
ПЛОТНАЯ ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА (ne > 1011 см-3, Te ~ 0.5 эВ)
Экспериментально
полученный коэффициент
диффузии как функция
температуры электронов
Пространственно-временная
динамика КМП, возбуждаемого
радиоимпульсной накачкой
(эксперимент)
Поперечный транспорт магнитного поля – диффузия
(плотная холодная плазма)
19
Экспериментальные результаты
3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой
3.2. Перенос КМП поперек внешнего магнитного поля
РАЗРЕЖЕННАЯ «ТЕПЛАЯ» ПЛАЗМА (ne ~ 1010 см-3, Te ~ 1.5 эВ)
НЧ возмущения магнитного поля (Bz
компонента), вызываемые одиночным ВЧ
импульсом накачки
(P = 250Вт, f = 68.5МГц, t = 500нс),
регистрируемые при различных радиальных
позициях магнитного зонда. Измерения
выполнены на расстоянии
z = 48.5см от излучающей антенны.
Концентрация плазмы ne = 2 х 1010 см-3,
магнитное поле B0 = 90 Гс
Поперечный транспорт магнитного
поля – снова волны!
20
Экспериментальные результаты
3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой
3.3. Теоретическое описание эволюции КМП

fce-1 << Характерный временной масштаб << fci-1
 rce << Характерный поперечный пространственный масштаб << rci
РЕЖИМ ЭЛЕКТРОННОЙ (ХОЛЛОВСКОЙ) МАГНИТНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
ионы неподвижны;
магнитное поле «вморожено» в электронный ток, j = - e ne ve;
движение электронов сохраняет квазинейтральность плазмы с точностью
до небольшого разделения зарядов, поддерживающего холловское
электрическое поле (|E| ~ |ve| B0 / c)
Уравнение электронной МГД (ЭМГД) при невозмущенных значениях
концентрации однородной фоновой плазмы:
 B  c

t   pe
Конвекция со
свистовыми
скоростями
2


 ce  rot B   c


z

 pe
2

 D B  0


Диффузия
21
Экспериментальные результаты
4. Параметрическая генерация НЧ волн
дакт плотности
(a) бигармоническая ВЧ накачка на
биениях попутных волн
(b) бигармоническая ВЧ накачка на
биениях встречных волн
(c) амплитудно-модулированная ВЧ
накачка
дакт плотности
дакт плотности
Поперечное распределение
концентрации плазмы с дактом
пониженной плотности,
удерживающим ВЧ волны в режиме
волноводного распространения
22
Экспериментальные результаты
4. Параметрическая генерация НЧ волн
Модулированный
ЭЦР нагрев с
помощью
антенны
диаметром 7 см
Возбуждение НЧ волнового
пакета на биениях двух
высокочастотных волновых
пучков (нелинейность
обусловлена поперечной
пондеромоторной силой)
НЧ сигнал подан
непосредственно
на ту же антенну
При модуляции интенсивности ВЧ накачки
НЧ волны возбуждаются в очень большой
области пространства, фактически – по
всему сечению плазменного столба!
Поперечная структура
НЧ волн, возбуждаемых в
столбе замагниченной плазмы
23
Использование полученных результатов
Поток ускоренных
электронов
в канале E=130эВ
1. Эксперимент по параметрической генерации НЧ волн при воздействии на
ионосферную плазму с борта космического аппарата в условиях ЭЦР
КА Интеркосмос-19, Космос-1809:
ионозонды космического базирования
f=fpe
f=fce
F.K.Shuiskaya, Yu.I.Galperin, A.A.Serov et al.,
Planet. Sp. Sci., 38, 173 (1990)
Параметры экспериментов в лабораторной и космической плазме, масштабный
коэффициент g =100)
Длина антенны
L (м)
Частота модуляции
F (кГц)
DB (нТл)
«Крот»
Мощность
P (Вт)
102 … 103
10-1
102 … 103
103 … 104
Ионосфера
102 … 103
101
100 … 101
101 … 102
24
Использование полученных результатов
1. Эксперимент по параметрической генерации НЧ волн при воздействии на
ионосферную плазму с борта космического аппарата в условиях ЭЦР
Система КА «Вулкан» - группировка из 4-х ИСЗ с мощными радиоимпульсными
передатчиками на борту, запуск – до 2015 г. (ФЦП «Геофизика»)
Мощность
P (Вт)
Рабочая
частота
f (МГц)
Длина
антенн
L (м)
Длительность
импульса
t(мкс)
Частота
повторения
F (Гц)
Высота
H (км)
300
0.5 … 20
~ 15
100 (300)
до 1000
600/800
По результатам лабораторного моделирования, выполненного на стенде «Крот»,
в научную программу КА «Вулкан» возможно включение активного
эксперимента по параметрическому возбуждению НЧ волн в ионосфере Земли
25
Использование полученных результатов
2. Объяснение результатов экспериментов по генерации искусственных
геомагнитных пульсаций при воздействии КВ излучения на ионосферу
Проблема: генерация искусственных магнитных пульсаций амплитудномодулированным КВ излучением в прозрачной ионосфере без E-слоя (нет эффекта
Гетманцева и сильного поглощения в окрестности плазменного резонанса)
2010-09-25 23:38:00 Average +20m FFT 1200s
0.25
ICD =
Ionospheric Current Drive
Amplitude, pT
0.2
0.15
0.1
0.05
0
19.6
19.8
20
Hz
20.2
20.4
Спектр искусственных магнитных
пульсаций (20 Гц)
Эффект генерации КМП дрейфовыми токами, возбуждаемыми под действием
поперечной компоненты усредненной пондеромоторной силы, используется
для объяснения искусственных геомагнитных пульсаций, возбуждаемых при
воздействии на ионосферу мощного КВ излучения
26
Использование полученных результатов
2. Объяснение результатов экспериментов по генерации искусственных
геомагнитных пульсаций при воздействии КВ излучения на ионосферу
Диаграмма направленности
нагревного стенда «Сура»
Расчетные распределения КМП в лучах
нагревных стендов «Сура» и «HAARP»
(Д.С.Котик, А.В. Рябов, Е.Н. Ермакова и др.)
Рассчитанные для нагревных стендов «Сура» и «HAARP» абсолютные
значения магнитных полей, возбуждаемых дрейфовыми токами, в области
источника (максимум F-слоя ионосферы) очень велики: до 30 нТл!
27
Заключение
1. Экспериментально исследована генерация квазистационарных
магнитных полей (КМП) и токов при взаимодействии пространственнонеоднородных ВЧ полей с замагниченной слабостолкновительной
плазмой; обнаружено несколько механизмов генерации КМП, а именно:
 резонансное ускорение электронов плазмы;
 генерация дрейфовых электронных токов под действием поперечной
пондеромоторной силы;
 изменение внешнего магнитного поля за счет стрикционного
вытеснения плазмы под действием продольной пондеромоторной
силы.
2. На основе механизмов «магнитной» нелинейности плазмы предложены
методы параметрической генерации НЧ волн. Модельные эксперименты
показывают, что в параметрической схеме возбуждения НЧ волны могут
возбуждаться в существенно большей области пространства, чем при их
прямой генерации с помощью компактных антенн, занимая, фактически,
весь объем плазмы в лабораторной установке.
3. По результатам лабораторного моделирования, выполненного на стенде
«Крот», предложен способ параметрической генерации НЧ волн с борта
ионосферного космического аппарата. Полученные результаты
используются для объяснения эффектов генерации КМП в
экспериментах по нагреву ионосферы амплитудно-модулированным КВ
излучением.
28
Спасибо за внимание!
29