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]
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)
Актуальность проблемы
2
Объяснение результатов геофизических исследований, в которых наблюдаются квазистационарные (импульсные или низкочастотные) возмущения магнитного поля, коррелирующие со всплесками естественных узкополосных излучений высокой интенсивности
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
Актуальность проблемы
3
Актуальность проблемы
4
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!
Цели работы
5
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
Стенд «Крот» (ИПФ РАН, Нижний Новгород)
6
Индукционный ВЧ источник плазмы
f =5 МГц4 генератора,P = 1 МВт каждыйtp = 1.5 мс
Источник магнитного поляЕмкостной накопитель,E = 1 МДжB0 = 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» (ИПФ РАН, Нижний Новгород)
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.-M. Noterdaeme, Melville, New York, 2009), p.659-666 8
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)
Стенд «Крот»
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
Возмущение магнитного поля B (мГс) в зависимости от отношения частоты импульса накачки f к электронной циклотронной частоте fce.
(а) Осциллограмма импульса накачки(b) Осциллограмма возмущения магнитного поля B(t), обусловленного диамагнитным эффектом в условиях ЭЦР
11
Набор электронами поперечной энергии при пролете ближней зоны антенны
Ускорение электронов в условиях электронно-циклотронного резонанса (ЭЦР), т.е. при совпадении частоты накачки f с электронной циклотронной частотой fce и ее гармониками nfce
Увеличение магнитного момента электронов
Диамагнитный эффект
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
12
Экспериментальные результаты2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с
плазмой: усредненная пондеромоторная сила
(a) Осциллограмма импульса накачки(b) Неинтегрированный сигнал с магнитного зонда(c) Зависимость КМП от времени; возмущение концентрации плазмы
Парамагнитный эффект – усиление внешнего магнитного поля в области плазмы, занятой ВЧ полем накачки
«Быстрая» составляющая
КМП
«Медленная» составляющая
КМП
13
Экспериментальные результаты
2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с плазмой: усредненная пондеромоторная сила
2.1. Объяснение «медленной» составляющей КМП
emFПродольная (аксиальная) пондеромоторная сила:
Перераспределение плазмы в области сильного ВЧ поля
Появление некомпенсированного тока намагничивания
Добавочное магнитное поле (КМП)
14
B = - (/2) B0 (n/ne)
= 8 neTe / B02
15
emF
08 22
22
fffm
e
cee
pump
E
2
22
2 ~~pump
pump
ce
pe
fff
fn
E
B
20
0,
Bcnmen eeded
Bvj
0
2
2~
BB
pump
z
B
dcrot jB
4~
Поперечная (радиальная) пондеромоторная сила:
Пондеромоторный потенциалдля квазипродольных свистовых волн:
Закон Ампера:
Продольное (аксиальное)возмущение магнитногополя:
Дрейфовый (азимутальный) ток электронов:
Показатель преломленияквазипродольных свистовых волн:
При B0 ~ 100 Гс, |Bpump| ~ 5 x 10–2 Гс Bz ~ 10–5 Гс
Оценка согласуется с результатами экспериментов
Экспериментальные результаты2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с
плазмой: усредненная пондеромоторная сила2.2. Объяснение «быстрой» составляющей КМП
Экспериментальные результаты2. Генерация КМП в нерезонансном режиме взаимодействия ВЧ поля с
плазмой: усредненная пондеромоторная сила2.3. Поперечная структура КМП и квазистационарных токов
16
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
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
Качественная картина квазистационарных токов, возбуждаемых пространственно-неоднородной ВЧ накачкой в слабостолкновительной замагниченной плазме
Область замагниченной плазмы, занятая
ВЧ полем
Синие стрелки:Продольная
пондеромоторная сила
Возмущения концентрации
плазмы
Продольные токи
Токи намагничивания
Красные стрелки:Поперечная
пондеромоторная сила
Дрейфовые электронные токи
17
Экспериментальные результаты3. 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 результаты3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой
3.2. Перенос КМП поперек внешнего магнитного поля
Поперечный транспорт магнитного поля – диффузия (плотная холодная плазма)
Экспериментально полученный коэффициент диффузии как функция температуры электронов
Пространственно-временная динамика КМП, возбуждаемого радиоимпульсной накачкой (эксперимент)
19
ПЛОТНАЯ ХОЛОДНАЯ ПЛАЗМА (ne > 1011 см-3, Te ~ 0.5 эВ)
20
Экспериментальные результаты3. 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)
Поперечный транспорт магнитного поля – снова волны!
НЧ возмущения магнитного поля (Bz компонента), вызываемые одиночным ВЧ импульсом накачки(P = 250Вт, f = 68.5МГц, = 500нс), регистрируемые при различных радиальных позициях магнитного зонда. Измерения выполнены на расстоянииz = 48.5см от излучающей антенны. Концентрация плазмы ne = 2 х 1010 см-3, магнитное поле B0 = 90 Гс
Экспериментальные результаты3. Динамика КМП, возбуждаемых импульсной ВЧ накачкой
3.3. Теоретическое описание эволюции КМП
0
22
Bc
Brotz
c
t
B
pece
pe
Уравнение электронной МГД (ЭМГД) при невозмущенных значениях концентрации однородной фоновой плазмы:
Конвекция со свистовыми скоростями
Диффузия
fce-1 << Характерный временной масштаб << fci
-1
ce << Характерный поперечный пространственный масштаб << ci
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)
21
Экспериментальные результаты4. Параметрическая генерация НЧ волн
дакт плотности
дакт плотности
дакт плотности
(a) бигармоническая ВЧ накачка на биениях попутных волн(b) бигармоническая ВЧ накачка на биениях встречных волн(c) амплитудно-модулированная ВЧ накачка
Поперечное распределение концентрации плазмы с дактом пониженной плотности, удерживающим ВЧ волны в режиме волноводного распространения
22
Экспериментальные результаты4. Параметрическая генерация НЧ волн
Возбуждение НЧ волнового пакета на биениях двух
высокочастотных волновых пучков (нелинейность
обусловлена поперечной пондеромоторной силой)
Поперечная структураНЧ волн, возбуждаемых в столбе замагниченной плазмы
Модулированный ЭЦР нагрев с
помощью антенны
диаметром 7 см
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!
23
Использование полученных результатов1. Эксперимент по параметрической генерации НЧ волн при воздействии на
ионосферную плазму с борта космического аппарата в условиях ЭЦР
МощностьP (Вт)
Длина антенныL (м)
Частота модуляцииF (кГц) B (нТл)
«Крот» 102 … 103
10-1 102 … 103 103 … 104
Ионосфера 102 … 103
101 100 … 101 101 … 102
Параметры экспериментов в лабораторной и космической плазме, масштабный коэффициент =100)
По
ток
уско
рен
ны
х эл
ектр
он
ов
в к
анал
е E
=13
0эВ
ff==ffcece
ff==ffpepe F.K.Shuiskaya, Yu.I.Galperin, A.A.Serov et al., Planet. Sp. Sci., 38, 173 (1990)
КА Интеркосмос-19, Космос-1809:ионозонды космического базирования
24
Система КА «Вулкан» - группировка из 4-х ИСЗ с мощными радиоимпульсными передатчиками на борту, запуск – до 2015 г. (ФЦП «Геофизика»)
МощностьP (Вт)
Рабочая частотаf (МГц)
Длина антенн
L (м)
Длительность импульса
(мкс)
Частота повторения
F (Гц)
ВысотаH (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
Использование полученных результатов1. Эксперимент по параметрической генерации НЧ волн при воздействии на
ионосферную плазму с борта космического аппарата в условиях ЭЦР
25
Использование полученных результатов2. Объяснение результатов экспериментов по генерации искусственных геомагнитных пульсаций при воздействии КВ излучения на ионосферу
19.6 19.8 20 20.2 20.40
0.05
0.1
0.15
0.2
0.252010-09-25 23:38:00 Average +20m FFT 1200s
Hz
Am
plitu
de,
pT
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
Спектр искусственных магнитных пульсаций (20 Гц)
Проблема: генерация искусственных магнитных пульсаций амплитудно-модулированным КВ излучением в прозрачной ионосфере без E-слоя (нет эффекта
Гетманцева и сильного поглощения в окрестности плазменного резонанса)
ICD = Ionospheric Current Drive
26
Расчетные распределения КМП в лучах нагревных стендов «Сура» и «HAARP»
(Д.С.Котик, А.В. Рябов, Е.Н. Ермакова и др.)
Диаграмма направленности нагревного стенда «Сура»
Использование полученных результатов2. Объяснение результатов экспериментов по генерации искусственных геомагнитных пульсаций при воздействии КВ излучения на ионосферу
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
Заключение1. Экспериментально исследована генерация квазистационарных
магнитных полей (КМП) и токов при взаимодействии пространственно-неоднородных 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
29
Спасибо за внимание!Спасибо за внимание!
