Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 7, стр. 973-976

ВВЕДЕНИЕ

Низкочастотные волны используются для зондирования атмосферы и ионосферы. Интенсивность и длина волн, создаваемых традиционными способами, ограничена низкой эффективностью методов амплитудной модуляции и генерации разностной частоты, и/или большими размерами антенн излучателей (РЛС “Goliath”, стенд HAARP и др.).

Энергетически эффективный метод возбуждения интенсивных низкочастотных волн (НЧ) в атмосфере и в космосе предложен на основе лабораторных экспериментов и расчетов на суперкомпьютерах [1–4]. Цуг периодических сгустков взрывного типа создает ударные волны, которые при определенной частоте ω₀ повторения сгустков, зависящей от их энергии и свойств окружающей среды формируют НЧ волну, ее длина линейно зависит от количества сгустков. При ω $ \ll $ ω₀ волны не взаимодействуют между собой, а при ω $ \gg $ ω₀ – длина результирующей волны слабо зависит от суммарной энергии сгустков. Сгустки последовательно создаются в фиксированной точке или на линии с интервалом ~1/ω₀. Например, оптическими пробоями в неподвижном или движущемся фокусе импульсно-периодического лазерного излучения [9], где точечные ~0.5 см сгустки генерировали инфра- ультразвук.

В замагниченной плазме (далее – фон) ω₀ дополняется набором безразмерных параметров [3, 4], при выполнении которых большая часть энергии сгустков закачивается в магнитную силовую трубку в виде потока плазмы сгустков и НЧ волн: крутильная Альфвеновская переносит момент импульса вращающейся плазмы фона, медленная магнитозвуковая волна – продольный импульс сжатой плазмы фона. Или, как показано в расчетах, в силовой трубке возбуждаются интенсивные НЧ вистлеры [5]. Волны имеют уникальные характеристики: амплитуда магнитных полей достигает ~30% от величины внешнего магнитного поля B₀, энергия волнового пакета ~50% от энергии сгустков, распространение на большое расстояние практически без затухания, большая длина волн вдоль B₀, значительно превышающая размер поперек магнитного поля. Для сравнения, на установке LAPD применялся только один сгусток лазерной плазмы для возбуждения Альфвеновской волны, а медленная магнитозвуковая волна вообще не рассматривалась [6].

Альфвеновские, медленные магнитозвуковые волны и вистлерные волны возбуждаются на стадии взрывного расширения сгустков в результате действия сил Лоренца. Тип генерируемых волн определяется ионно-плазменной длиной L_pi, нормированной на динамический радиус сгустка R_d:

${{R}_{d}}\left[ {{\text{см}}} \right]$ = ${{\left( {{{8\pi \cdot Q\left[ {{\text{Дж}}} \right]} \mathord{\left/ {\vphantom {{8\pi \cdot Q\left[ {{\text{Дж}}} \right]} {B_{0}^{2}\left( {1 + {{\beta }_{0}}} \right)}}} \right. \kern-0em} {B_{0}^{2}\left( {1 + {{\beta }_{0}}} \right)}}} \right)}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 3}} \right. \kern-0em} 3}}}}$ ≈ 630$({Q \mathord{\left/ {\vphantom {Q {B_{0}^{2}}}} \right. \kern-0em} {B_{0}^{2}}}(1$ + + β₀))^1/3– характеризует размер, на котором плотность энергии лазерной плазмы сравнивается с плотностью энергии фона. В (1) ионно-плазменная частота – f_pi [Гц] = 210Z₀(n₀/m₀)^1/2, c = 3 · 10¹⁰ см · с^–1, Q – энергия сгустка, β₀ ~ 0.1–1 – отношение давления плазмы к давлению магнитного поля B₀ фона, m₀ и Z₀ – масса и заряд ионов фона, n₀ – концентрация плазмы. Сгустки возбуждают следующие типы волн: в диапазоне L_pi ~ 0.05–0.25 – Альфвеновскую и медленную магнитозвуковую волны [1–3]; L_pi ~ 0.25–0.4 – соответствует переходному режиму генерации, формируются одновременно Альфвеновская волна и слабые вистлеры [7]. В настоящем эксперименте впервые реализованы условия L_pi > 0.6, при которых Альфвеновская и медленная магнитозвуковая волны не возбуждаются, энергия сгустков отводится на генерацию интенсивных вистлеров, в которых отношение магнитного поля вистлеров к B₀ равно B_W ~ 0.15–0.3.

РЕЗУЛЬТАТЫ

На рис. 1 показана схема эксперимента на стенде КИ-1. В камере размером 5 × 1.2 м в вакууме ~2 · 10^–6 торр. создавалось аксиальное оси магнитное поле величиной до 300 Гс. Импульсный индукционный источник (θ-пинч) создавал поток аргоновой или гелиевой плазмы, который распространялся со скоростью ~1.2 · 10⁶ или ~3 · 10⁶ см ∙ с^–1 соответственно и заполнял всю приосевую область камеры радиусом ~30 см. Сгустки лазерной плазмы создавались посредством облучения полиэтиленовой мишени излучением одного СО₂-лазера с параметрами: энергия импульсов ~200 Дж, длительность ~1 мкс, фокусное пятно на мишени 2.5 см, плотность энергии на мишени ~40 Дж ∙ см^–2, энергия, перешедшая в плазму Q ~ 20 Дж, начальная температура плазмы ~50 эВ.

Рис. 1.

Схема эксперимента: 1 – вакуумная камера, 2 – поток плазмы, создаваемый θ-пинчом (3), 4 – витки соленоида, создающего внешнее магнитное поле, аксиальное оси камеры, 5 – излучение CO₂-лазера, 6 – мишень, 7 – фокусирующие линзы, 8 – измерительные зонды, размещенные в различных местах камеры, 9 – поток лазерной плазмы.

Луч лазера предварительно делился на две части, которые симметрично фокусировались на мишень и создавали поток плазмы с высокой степенью цилиндрической симметрии, что позволяло формировать крутильные волны. В эксперименте варьировались такие параметры фоновой плазмы как магнитное поле B₀ ≈ 50–300 Гс и концентрация n₀ ~ 10¹²–3 · 10¹³ см^–3, а также масса ионов (гелий или аргон). Типичная температура ионов фона составляла T₀ ~ 10 эВ. Измерялись следующие величины: продольная, азимутальная и радиальная компоненты магнитного поля, концентрация плазмы n(t) продольный ток J_Z (пояс Роговского), радиальное электрическое поле. Регистрировалась энергия и форма лазерных импульсов. Измерения проводились на расстоянии z = 87–250 см от облучаемой мишени, что соответствует ближней зоне распространение волн z/R_d < 5.

Цель настоящего эксперимента состояла в демонстрации предельного режима возбуждения волн, когда лазерные сгустки генерируют только вистлеры большой амплитуды – отношение магнитных полей вистлеров и фона B_W > 0.1. В условиях эксперимента с гелиевым фоном реализуется переходной режим. Для аргонового фона были достигнуты значения L_pi ~ 0.5–2, и наблюдались только вистлеры.

На рис. 2 представлен типичные сигналы, зарегистрированные на расстоянии z = 140 см от мишени. В момент облучения мишени и создания лазерной плазмы (t = 0), концентрация плазмы фона равна n₀ ~ 1.6 · 10¹² см^–3, что соответствует значению безразмерного параметра L_pi ~ 1.8. Начиная с момента времени t = 6 мкс датчик регистрирует суммарную концентрацию плазмы фона n₀ и потока лазерной плазмы, которая распространяется со скоростью ~200 км ∙ с^–1 вдоль магнитной силовой трубки. На рис. 2б показано азимутальное магнитное поле B_φ, измеренное со смещением по радиусу от оси симметрии на расстояние r = 10 см, где компонента B_φ максимальна (см. ниже). Фурье-спектр компоненты B_φ, приведен на рис. 2в. Отметим, магнитное поле вистлеров B_W много больше, чем в переходном режиме генерации сгустками лазерной плазмы [7] и при формировании вистлеров радиоволновыми методами [8].

Рис. 2.

Изменение во времени концентрации плазмы (а) и азимутальной компоненты магнитного поля B_φ (б). Панель в показывает частотный спектр компоненты B_φ(t) в интервале t = 0–20 мкс. Вставка в панели б показывает годограф поперечных компонент поля B_r–B_φ. Время t = 0 соответствует моменту облучения мишени лазерным импульсом. Внешнее магнитное поле B₀ = = 100 Гс, концентрация фоновой плазмы Ar⁺ составляет n₀ ~ 1.6 · 10¹² см^–3. Расстояние от мишени до точки регистрации равно z = 140 см.

Представленные сигналы соответствуют основным признакам вистлера: правосторонняя поляризация (см. вставку на рис. 2б) и характерная частота, которая находится в вистлерном диапазоне (f_cif_ce)^1/2 < f < f_ce $ \ll $ f_pe. Нижняя F₁ и верхняя F₁ границы диапазона равны:

Здесь f_ce – циклотронная частота электронов, f_ci = 1.53 · 10^–3Z₀B₀/m₀ – циклотронная частота ионов, f_pe [МГц] = 9 · 10^–3(n₀ [см^–3])^1/2 – плазменная частота электронов. Для рис. 2 частоты равны: F₁ = 2.6 МГц, F₂ = 280 МГц, f_pe = 1300 МГц и f ~ 3 МГц.

В аргоновом фоне с большими значениями L_pi сгустки не создавали Альфвеновскую и медленную магнитозвуковую волны. Вплоть до времени измерения t ~ 0.001 с регистрировались только возмущения, распространяющиеся вдоль магнитного поля со скоростями, много большими как скорости Альфвеновской V_A ~ 36 км ∙ с^–1, так и медленной магнитозвуковой V_m ~ 11 км ∙ с^–1 волн. Для примера, задержка сигнала при V_A ~ 36 км ∙ с^–1 составляла бы более 40 мкс.

Зависимость амплитуды азимутальной компоненты магнитного поля B_φ и скорости его распространения V_w от внешнего магнитного поля в аргоне иллюстрирует рис. 3.

Рис. 3.

Зависимость скорости распространения возмущения V_w и относительной амплитуды B_φ/B₀ от величины внешнего магнитного поля B₀, измеренная на расстоянии z = 140 см от мишени.

Максимальная амплитуда возмущения B_φ/B₀ = = 0.24 достигалась в поле B₀ = 200 Гс. При B₀ = 300 Гс, величина B_φ/B₀ резко уменьшается, что связано с увеличением концентрации фона за счет сжатия внешним магнитным полем и уменьшения параметра Холла L_pi. Скорость возмущений измерялась как отношение расстояния от мишени до точек регистрации к времени прихода сигналов на зонды: V = (z₂ – z₁)/(t₂ – t₁). Как видно, скорость распространения составляет сотни километров в секунду. Скорость и характерная частота зарегистрированных возмущений практически линейно зависит от величины магнитного поля.

Радиальное распределение амплитуды вистлерных возмущений показано на рис. 4. Измерения проведены в сечении z = 140 см в магнитном поле B₀ =100 Гс в аргоне. Возмущения имеют максимальную амплитуду на расстояниях r = 7–10 см от оси камеры. Следует отметить, что концентрация фона по мере удаления от оси экспериментальной камеры не была постоянной и изменялась в диапазоне n₀ = 5 · 10¹²–10¹² см^–3.

Рис. 4.

Радиальное распределение максимальной по времени амплитуды возмущения B_φ/B₀. Измерения сделаны в сечении z = 140 см при величине внешнего магнитного поля B₀ = 100 Гс.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сгустки лазерной плазмы возбуждают интенсивные вистлеры, если длина ионно-плазменных колебаний в замагниченной плазме фона превышает половину характерного радиуса R_d расширения сгустка. Условие генерации интенсивных вистлеров позволяет определить энергию сгустков в зависимости от параметров фона. При этом необходимо учитывать, что начальная скорость разлета плазмы сгустков должна превышать скорость Альфвеновских волн в фоне.

Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № АААА-А17-117021750017-0), при финансовой поддержке РНФ (проект № 18-12-00080) и РФФИ (проекты №№ 18-29-21018мк, 18-32-00029, 18-42-543019). Обоснование эксперимента выполнено с использованием расчетов на суперкомпьютерах МГУ, ССКЦ СО РАН, НГУ и Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.