Экспериментальное исследование особенностей циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Мансфельд, Дмитрий Анатольевич

• Мансфельд, Дмитрий Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мансфельд, Дмитрий Анатольевич

Введение

Глава 1. Описание экспериментальной установки и методов диагностики.

1.1. Экспериментальная установка.

1.2. Методы диагностики.

Глава 2. Исследование циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда.

2.1. Исследование параметров плазмы ЭЦР разряда.

2.2. Результаты экспериментов

2.3. Теоретическая интерпретация.

Глава 3. Исследование вснышечпых процессов при циклотронной неустойчивости в распадающейся плазме ЭЦР разряда

3.1. Описание результатов эксперимента

3.2 Теоретическая модель циклотронных неустойчивостей в распадающейся плазме.

3.3. Нелинейная теория циклотронного мазера в распадающейся плазме.

3.4. Обсуждение результатов экспериментов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное исследование особенностей циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке»

Исследования СВЧ разряда в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) остаются актуальными на протяжении нескольких последних десятилетий. Интерес к исследованиям обусловлен широким распространением ЭЦР разряда в фундаментальной физике и развитием различного рода приложений. Например, в микроэлектронике плазменные технологии на основе ЭЦР разряда находят применение при прецизионном травлении наноструктур [1-3], осаждении тонких пленок [1,3,4,5], ионной имплантации [3, 4-7]. ЭЦР разряд является эффективным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений именно того диапазона длин волн, который представляется наиболее перспективным для проекционной литографии высокого разрешения [8]. В ядерной физике одним из наиболее важных приложений ЭЦР разряда в магнитной ловушке явилось создание источников многозарядпых ионов тяжелых газов, предназначенных для инжекции в циклотронные ускорители [9-11]. Отметим также и традиционное приложение ЭЦР нагрева в экспериментах в рамках программы управляемого термоядерного синтеза (УТС) [12-15].

В указанных исследованиях основным процессом, ограничивающим достижение предельных параметров плазмы, является развитие различного рода плазменных неустойчивостей. Уже первые эксперименты, проведенные в целом ряде лабораторий, показали, что плазма, удерживаемая в магнитных ловушках, подвержена неустойчивостям, существенно ограничивающим ее время жизни [16-18]. В ходе работ в 60-70 е годы, связанных главным образом с проблемой УТС, удалось понять природу и объяснить физические механизмы целого ряда неустойчивостей. Наиболее опасные -магнитогидродинамические неустойчивости - удалось стабилизировать, перейдя к магнитным ловушкам, основанным па принципе «минимум В» [19]. Наряду с гидродинамическими, в плазме могут развиваться более топкие кинетические неустойчивости, обусловленные неравновеспостью функции распределения заряженных частиц по скоростям. Условия для формирования неравновесных функций распределения в плазме создаются, главным образом, под действием того или иного механизма нагрева, когда энергия вкладывается в выделенную в пространстве импульсов группу частиц. Так, особенностью нагрева плазмы в условиях электронно-циклотронного резонанса является формирование анизотропной функции распределения электронов по скоростям, поскольку под действием электрического поля волны, электроны приобретают преимущественно поперечную по отношению к магнитному полю скорость. Кроме того, анизотропия функции распределения может быть обусловлена наличием области потерь в фазовом пространстве частиц, характерной для адиабатических магнитных ловушек [20]. Частицы с малыми поперечными скоростями (по отношению к магнитному полю) попадают в т.н. «конус потерь» в пространстве скоростей и выносятся из ловушки. В результате, функция распределения частиц, удерживаемых в адиабатической магнитной ловушке, характеризуется преобладанием средней поперечной кинетической энергии Тх по отношению к магнитному полю над продольной Т^.

Одной из наиболее распространенных кинетических пеустойчивостей в анизотропной плазме является циклотронная неустойчивость электромагнитных волн, впервые предсказанная в [21], и подробно рассмотренная в ряде работ [22-23]. При общем рассмотрении циклотронная неустойчивость представляет собой результат резонансного взаимодействия неравновесных частиц с одной из собственных волн плазмы. В данной работе рассматриваются неустойчивости, вызываемые неравновесным распределением по скоростям «горячих» электронов, поскольку их образование является характерной особенностью ЭЦР нагрева.1 Электроны, для которых выполнено условие циклотронного резонанса а>-к^=а)Ве (где со- частота волны, к^ и ^ - составляющие волнового вектора и скорости электрона в направлении магнитного поля В0, а>Нс - электронная

1 Циклотронная неустойчивость электромагнитных волн, раскачиваемых ионами (протонами) с анизотропным распределением по скоростям широко исследовалась в ионно-горячей плазме [24-25], и применительно к магнитосферному альвеновскому мазеру [26]. 4 гирочастота) находятся в синхронизме с волной, и при определенных условиях могут отдавать энергию волне. Усиление волны происходит в том случае, если в распределении электронов по скоростям преобладают частицы с большими поперечными (по отношению к магнитному полю) скоростями над продольными [21]. Взаимодействие высокочастотных волн с резонансными электронами приводит к диффузии электронов в пространстве скоростей и, в конечном итоге, к попаданию в конус потерь и высыпанию из ловушки [20]. Таким образом, циклотронная неустойчивость обуславливает генерацию электромагнитных излучения, сопровождаемого синхронными высыпаниями электронов из ловушки.

Эффективное резонансное взаимодействие электронов происходит с электромагнитными волнами, у которых вектор поляризации вращается в сторону вращения электронов в магнитном поле. В достаточно плотной холодной плазме, содержащей (обычно малую) добавку энергичных ("горячих") электронов, наиболее легко реализуются неустойчивости, связанные с резонансным возбуждением электромагнитных волн на частотах ниже гирочастоты электронов (со < соВс), распространяющихся под небольшими углами к магнитному полю. В плотной плазме, при (о > аВе > со (где сор1, плазменная частота электронов), наиболее эффективно развивается циклотронная неустойчивость свистовых волн. При выполнении противоположного неравенства (со <со) в менее плотной плазме аналогичные неустойчивости могут реализовываться на медленной необыкновенной волне с квазипродольным направлением распространения [27].

Развитие циклотронной неустойчивости свистовых воли наблюдалось в ряде лабораторных экспериментов с плазменными магнитными ловушками еще в 1965-1990 гг.

28-34]. Для этих экспериментов вне зависимости от способа создания и поддержания плазмы (ЭЦР нагрев, адиабатическое магнитное сжатие и др.), было характерно наличие двух фракций электронов - холодной, составлявшей основную долю по плотности, и горячей, имевшей малую концентрацию, но с наибольшим энергосодержанием. В указанных работах наблюдалась генерация коротких импульсов СВЧ изучения на частотах меньших электронной гирочастоты в центре ловушки с одновременным сбросом энергичных электронов в конус потерь. Предположение о развитии циклотронной неустойчивости на свистовой моде в данных экспериментах подтверждается измерениями спектра СВЧ излучения плазмы: наблюдаемое ограничение сверху по частоте согласуется с теорией, предсказывающей максимальную частоту возбуждаемых волн а»тах = 1Т±)соВе [21]. Из последних работ по исследованию циклотронной неустойчивости свистовых воли в плазме ЭЦР разряда стоит отметить [33, 34]. В частности в [33] показано, что СВЧ излучение при циклотронной неустойчивости генерируется как в режиме квазипепрерывной генерации, так и в форме регулярных коротких импульсов. Однако условия возникновения неустойчивости и механизмы формирования наблюдаемых коротких импульсов излучения не получили во всех этих работах должного объяснения.

Циклотронная неустойчивость оказывает значительное влияние на процессы, протекающие в космических магнитных ловушках (таких, как радиационные пояса планет, солнечные вспышечные петли). Наиболее существенное развитие теория циклотронной неустойчивости получила в приложении к магнитосфере Земли. В работе [35] циклотронная неустойчивость свистовых волн была предложена в качестве естественного источника электромагнитных ОНЧ шумов и механизма сброса энергичных электронов радиационных поясов в атмосферу. Свистовые волны играют особую роль в динамике плазмы в геомагнитной ловушке, поскольку они могут осциллировать между сопряженными областями ионосферы и многократно возвращаться в приэкваториальную область, где наиболее эффективно их взаимодействие с энергичными частицами радиационных поясов [26]. В присутствии источников энергичных частиц, формирующих радиационные пояса, развитие циклотронной неустойчивости может приводить к разнообразным динамическим режимам, например, квазистационарной генерации или генерации квазипериодической последовательности импульсов излучения [36-38]. Изучение этих процессов, основанное на самосогласованной теории циклотронной неустойчивости [39], привело к разработке концепции космических циклотронных мазеров (КЦМ), определяющих заселенность радиационных поясов энергичными частицами и генерацию самых мощных электромагнитных излучений КНЧ-ОНЧ диапазона в магнитосфере Земли и, возможно, играющих ключевую роль в возникновении некоторых типов солнечных вспышек [26, 40-44]. На основе этой концепции удалось количественно объяснить важнейшие интегральные особенности эволюции радиационных поясов, такие как характерные значения потоков высыпающихся и захваченных частиц, время жизни частиц в магнитной силовой трубке, уровень энергии волн [26].

Несмотря на то, что параметры плазмы в космических и лабораторных магнитных ловушках весьма сильно отличаются друг от друга, динамика циклотронной неустойчивости в таких системах определяется одними и теми физическими механизмами, которые часто оказываются весьма универсальными. Среди механизмов, ограничивающих рост интенсивности электромагнитного поля на нелинейной стадии неустойчивости, можно выделить процессы квазилинейной или нелинейной релаксации распределения резонансных частиц, либо нелинейные свойства отражения волн [28]. Попытка объяснить результаты всех указанных выше лабораторных экспериментов с единых позиций, основываясь на самосогласованной теории циклотронной неустойчивости, предпринята в [45]. В частности, периодические импульсы при циклотронной неустойчивости в двух экспериментах по ЭЦР нагреву удается связать с модификацией функции распределения энергичных электронов, всплеск циклотронного излучения при адиабатическом сжатии плазмы - нелинейным уменьшением затухания при прогреве плазмы возникающим излучением. В [46] впервые предложено связать развитие циклотронной неустойчивости на стадии распада плазмы [28], с эффектами нелинейной добротности резонатора, образованного плазменной магнитной ловушкой. В лабораторной плазме, как правило, усиление электромагнитных воли па одном проходе через активную область мало, поэтому эффективное развитие циклотронной неустойчивости возможно лишь при многопроходовом режиме генерации, обусловленным существенным отражением продольно распространяющихся волн от торцов ловушки. Роль нелинейного элемента в таком резонаторе может выполнять сама плазма, которая задает основные характеристики распространения волн и одновременно обеспечивает быструю перестройку добротности в процессе генерации электромагнитного излучения.

Отдельного упоминания заслуживает циклотронная неустойчивость в ловушках с достаточно разреженной плазмой (соре «(оВе), в которых плотность энергичной компоненты может быть сравнима и даже превосходить плотность холодных электронов Ые. В этих условиях эффективно возбуждаются электромагнитные волны на частотах вблизи электронной гирочастоты (соксове) с направлением волнового вектора к , близким к перпендикулярному по отношению к внешнему магнитному полю В0 [27].

В таких условиях генерируются, например, мощные всплески электромагнитного и сравнительно высокочастотного километрового излучения Земли (частоты от 100 до 300 кГц). Излучение такого типа является уходящим от Земли и регулярно регистрируется на больших высотах в магнитосфере (5-10 тыс. км) и за ее пределами, не пропикая к поверхности Земли [47, 48]. Также, вполне возможно, что циклотронный механизм является причиной генерации всплесков декаметрового (длины волн от 4 до 85 м) радиоизлучения в магнитосфере Юпитера [49].

Отметим также, что циклотронная неустойчивость лежит в основе работы вакуумных электронных приборов - мазеров на циклотронном резонансе [50]. В этом случае развитие неустойчивости носит гидродинамический характер: волны с Л 1 Б0 возбуждаются в вакууме релятивистским электронным пучком с узким разбросом по скоростям. Лабораторные мазеры имеют много общего с КЦМ, однако основные особенности КЦМ заключаются в определяющем влиянии плазмы па дисперсионные свойства возбуждаемых воли, в существенной неоднородности распределения плазмы и магнитного поля и в широком энергетическом и угловом спектре заряженных частиц, порождающих неустойчивость [26].

Таким образом, генерация вспышек электромагнитного излучения, связанных с развитием циклотронных неустойчивостей магнитоактивиой плазмы, и сопровождающихся высыпанием частиц из ловушки, наблюдаются в широком диапазоне параметров плазмы в самых разнообразных условиях. Для магнитосферы Земли представляет интерес самомодуляция излучения циклотронных мазеров за счет таких факторов, как квазилинейное изменение инкремента циклотронной неустойчивости [5154], нелинейная подстройка зеркал резонатора [55, 56], взаимодействие с колебаниями магнитных силовых трубок [57, 58]. Для солнечных вспышечных петель возможен сценарий [46] с нелинейным уменьшением столкновительного затухания воли из-за прогрева плазмы возникающим излучением [43]. Возникающее в космических ловушках излучение также представляет самостоятельный интерес для диагностики параметров космической плазмы.

Отметим также, что в последнее время активизировались работы по лабораторному моделированию процессов, протекающих в космической плазме [59-61]. Лабораторный эксперимент дает возможность многократного повторения измерений при контролируемом измеиепии параметров. Качественная и количественная интерпретация результатов, полученных в лаборатории и в натурных наблюдениях, на базе одних и тех же представлений и моделей, и расширение на этой основе области применимости имеющихся моделей является наиболее плодотворным подходом к исследованию указанных процессов.

В лабораторных экспериментах по ЭЦР нагреву исследования циклотронной неустойчивости интересны, прежде всего, с точки зрения того влияния, которое она оказывает на регулирование функции распределения электронов, а также на динамику энергообмена между холодной и горячей компонентами плазмы. Эти исследования особенно актуальны в связи с созданием ЭЦР источников многозарядных ионов [62], в которых использование гиротронов для поддержания разряда позволяет существенно увеличить «энергетику» запасаемых в ловушке неравновесных частиц.

В данной работе объект исследований - плазма ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, создаваемая и поддерживаемая мощным миллиметровым излучением гиротрона. Как отмечалось выше, нагрев в условиях ЭЦР позволяет создавать двухкомпонентную плазму с уникальными параметрами, содержащую плотную холодную компоненту с изотропным распределением по скоростям, и менее плотную компоненту горячих электронов с анизотропной функцией распределения. Это дает возможность исследовать вышеупомянутые процессы резонансного взаимодействия волн и частиц в лабораторных условиях.

Особенностью наших исследований является использование мощного СВЧ излучения для создания и нагрева плазмы, что позволяет исследовать процессы при больших концентрациях и больших удельных энерговкладах. В обсуждаемых в диссертации экспериментах, циклотронная неустойчивость исследуется при квазигазодинамическом режиме удержания, характеризующимся небольшим временем жизни не зависящим от концентрации плазмы. Такой режим был продемонстрирован в ряде работ [62] и является наиболее эффективным при создании сильноточных источников многозарядных ионов.

Целью диссертационной работы является исследование вспышечпых процессов, связанных с развитием циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке во время и после окончания действия ЭЦР нагрева. В плотной плазме, поддерживаемой мощным излучением гиротрона, исследовалась циклотронная неустойчивость, связанная с возбуждением электромагнитных волн с направлением распространения близким к оси ловушки. В разреженной плазме, распадающейся после выключения нагрева, исследовалась циклотронная неустойчивость волн, распространяющихся поперек магнитного поля.

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами. В плотной плазме, исследована вспышечная активность плазмы, реализующаяся на развитой стадии ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке. Во время действия ЭЦР нагрева обнаружены и исследованы нестационарные режимы высыпаний энергичных электронов из ловушки, сопровождающиеся всплесками импульсного СВЧ излучения на частотах ниже электронной гирочастоты, распространяющегося в направлениях, близких к направлению оси системы. В ходе исследования определены условия и найдена область параметров, при которых возникает циклотронная неустойчивость, показана ограниченность спектра СВЧ излучения, и сдвиг вверх по частоте при увеличении магнитного поля ловушки, изучена зависимость временных характеристик неустойчивости от давления газа, магнитного поля, мощности излучения. Эти экспериментальные результаты можно объяснить развитием циклотронной неустойчивости свистовых волн, что было подтверждено расчетами усиления и инкремента циклотронной неустойчивости с учетом параметров плазмы, известных из эксперимента. В эксперименте обнаружена модовая структура волнового поля, что показывает возможность лабораторного моделирования циклотронной неустойчивости в космических плазменных волноводах. С помощью диамагнитных измерений показапо, что наблюдаемая в эксперименте циклотронная неустойчивость оказывает существенное влияние на функцию распределения горячей компоненты плазмы - в результате развития неустойчивости из ловушки уносится до 40% энергии горячей фракции электронов.

Циклотронная неустойчивость в распадающейся плазме после окончания ЭЦР нагрева исследовалась в целом ряде работ. В частности, в уже упомянутой работе [28] на стадии распада плазмы наблюдались одиночные вспышки СВЧ излучения, сопровождаемые выбросами плазмы из ловушки, и связанные с развитием циклотронной неустойчивости свистовых волн. В наших экспериментах была показана возможность изменения скорости распада плазмы и условий распространения волн за счет регулирования темпа напуска газа. Это позволило изучать циклотронную неустойчивость волн в разреженной плазме, распространяющихся поперек магнитного поля. В распадающейся плазме ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке впервые зарегистрированы квазипериодические всплески СВЧ излучения плазмы, сопровождаемые импульсными высыпаниями энергичных электронов. Вспышки были интерпретированы как результат резонансного взаимодействия энергичных электронов с медленной необыкновенной волной, распространяющейся поперек магнитного поля. Показано, что даже в отсутствии постоянно действующего источника неравновесных частиц в системе возможна генерация квазимонохроматического или импульсного излучения за счет характерного для распада плазмы быстрого уменьшения потерь электромагнитной энергии. Построена самосогласованная нелинейная модель, которая объясняет все наблюдаемые в эксперименте особенности генерации квазипериодических всплесков СВЧ излучения и импульсных высыпаний энергичных электронов на стадии распада плазмы ЭЦР разряда. Положения, выносимые на защиту

1. Обнаруженные в плазме ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным излучением гиротрона, высыпания энергичных электронов, сопровождающиеся генерацией вспышек электромагнитного излучения, связаны с развитием циклотронной неустойчивости свистовых волн.

2. В результате развития циклотронной неустойчивости свистовых волн из ловушки уносится значительная доля энергии горячей фракции электронов.

3. Обнаруженные квазипериодические всплески СВЧ излучения, распространяющегося поперек магнитного поля, сопровождаемые импульсными высыпаниями энергичных электронов на стадии распада плазмы ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, связаны с развитием циклотронной неустойчивости медленной необыкновенной волны, распространяющейся поперек магнитного поля.

Краткое содержание диссертации

В разделе 1.1 первой главы приведено описание установки, на которой были выполнены экспериментальные исследования. Исследования проводились в плазме электронного циклотронного резонансного разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, поддерживаемого мощным СВЧ излучением гиротрона. В разделе 1.2 приводится описание диагностической аппаратуры и диагностических методов, использованных при выполнении работы.

Во второй главе описаны исследования циклотронной неустойчивости электромагнитных волн с квазипродольным (по отношению к направлению магнитного поля ловушки) направлением распространения, реализующейся на развитой стадии ЭЦР разряда, поддерживаемого излучением гиротрона. В разделе 2.1 обсуждаются основные параметры и свойства плазмы ЭЦР разряда, реально достижимые на описанной в первой главе установке. В условиях экспериментов реализуется плазма с двумя фракциями электронов - холодная плотная (Ие ~ 5-Ю13 см'3,Ге ~ ЗООэВ) с изотропной функцией распределения по скоростям, и горячая, существенно менее плотная (Ыи ~ 5-Ю10 см~3,ТИ ~ ЮкэВ) с сильно анизотропным распределением по скоростям.

В разделе 2.2 изложены результаты экспериментов по изучению циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда. Обнаруженная неустойчивость характеризуется импульсными высыпаниями энергичных электронов из ловушки, сопровождаемыми короткими всплесками СВЧ излучения. Экспериментально исследованы условия возникновения неустойчивости в широком диапазоне значений давлений газа, магнитного поля ловушки, а также мощности вводимого излучения. Проведены измерения сигнала СВЧ излучения плазмы в нескольких частотных диапазонах при разных значениях магнитного поля ловушки. Были исследованы временные характеристики неустойчивости в зависимости от магнитного поля (длительность импульсов, инкремент), мощности вводимого излучения (период и длительность серий импульсов). Исследованы энергетические характеристики электронных высыпаний при циклотронной неустойчивости. С помощью системы алюминиевых фильтров различной толщины, устанавливаемых перед окном р-г-п-диода, была измерена функция распределения горячих электронов по энергии. С помощью диамагнитного зонда в эксперименте была изучена динамика энергосодержания плазмы. Экспериментально исследовано пространственное распределение высыпаний энергичных электронов в зависимости от магнитного поля ловушки.

В разделе 2.3 приведена теоретическая интерпретация наблюдаемой в эксперименте вспышечной активности плазмы ЭЦР разряда. Наблюдаемые в эксперименте высыпания энергичных электронов из ловушки и всплески СВЧ излучения связаны с возникновением циклотронной неустойчивости, обусловленной резонансным взаимодействием энергичных электронов со свистовыми волнами в плазме. Были проведены оценки инкремента циклотронной неустойчивости и коэффициента усиления свистовых волн на основании имеющихся данных о параметрах фоновой и энергичной электронной компоненты. Материалы, изложенные во второй главе, опубликованы в [ЗА - 13А].

Третья глава посвящена исследованию вспышечпых процессов при циклотронной неустойчивости в распадающейся плазме ЭЦР разряда. В разделе 3.1 описываются условия и результаты экспериментов. В распадающейся плазме после окончания СВЧ нагрева были обнаружены импульсные квазипериодические выбросы энергичных электронов из ловушки. Синхронно с высыпаниями электронов, были зарегистрированы импульсы СВЧ излучения плазмы в направлении перпендикулярном магнитному полю ловушки. Вспышечная активность в условиях эксперимента наблюдалась только в молекулярном газе (азоте) при определенной скорости напуска газа после окончания СВЧ импульса гиротропа.

В первой части раздела 3.2 рассмотрена качественная модель распада плазмы ЭЦР разряда, позволяющая определить условия, при которых развивается неустойчивость. Расчет динамики плотности и температуры основной компоненты плазмы после окончания действия СВЧ нагрева проводился в рамках стандартного подхода, основанного на балансных уравнениях для концентрации нейтральных и заряженных частиц, а также плотности энергии электронной компоненты. Анализ показал, что наблюдаемую в обсуждаемом эксперименте вспышечнуго активность можно объяснить возбуждением циклотронной неустойчивости медленных необыкновенных волн, распространяющихся поперек магнитного поля в разреженной плазме. Расчет инкрементов циклотронной неустойчивости медленной необыкновенной волны в двухкомпонентной плазме проводился по формуле, полученной в [27]. Показано, что начиная с момента времени ~2мс после окончания нагрева усиление волн, распространяющихся поперек магнитного поля, начинает превышать столкповителыюе поглощение, и возникают условия, при которых возможна генерация излучения. В разделе 3.3 обсуждается нелинейная стадия развития циклотронной неустойчивости рассмотренных в предыдущем разделе собственных мод плазмы. В разделе 3.4 рассмотренная в предыдущем разделе нелинейная модель и развитая в п.3.2 теоретическая модель, учитывающая динамику параметров распадающейся плазмы, применяются для объяснения наблюдаемой в эксперименте вспышечной активности плазмы. Материалы, изложенные в третьей главе, опубликованы в [1А, 2А, 10А].

В Заключении сформулированы основные научные результаты, полученные в диссертационной работе.

Использование результатов работы. Результаты проведенных исследований использовались: при выполнении проектов РФФИ № 02-02-17092, № 03-02-17100, № 0502-16459, № 06-02-16438, международных проектов МНТЦ № 1496 и № 2753, а также при выполнении программы Отделения физических паук РАН (программа фундаментальных исследований «Плазменные процессы в солнечной системе»).

Публикации и апробация результатов. Материалы диссертации докладывались соискателем на научных семинарах Институте прикладной физики РАН, на 10-й (2005 г.) и 11-й (2006 г.) Нижегородских сессиях молодых ученых, на 7-ом (2005 г.) и 9-ом (2007 г.) конкурсах работ молодых ученых в ИПФ РАН, на российских и международных конференциях, в том числе: на 7-ой международной конференции молодых ученых "Астрофизика и физика околоземного космического пространства" (Иркутск, 2005 г.), на 1-ой летней научной школе фонда «Династия» (2004 г), на 7-ой научной конференции по радиофизике (ННГУ, 2003 г), па международном совещании по ЭЦР источникам ионов ECRIS (Финляндия, 2002 г.). Кроме того, результаты диссертации докладывались соавторами соискателя на международных конференциях: на 34-ом (США, 2002 г.) и 36-ом (Китай, 2006 г.) международных совещаниях COSPAR, на 27-й (Франция, 2002) и 32-й (Австрия, 2007) генеральных ассамблеях Европейского геофизического общества (EGS), на 12-ом международном совещании по электронно-циклотронному излучению и ЭЦР нагреву (Франция, 2002) и др.

Материалы диссертации представлены в 13 опубликованных работах. Из них 3 статьи в реферируемых изданиях, 6 трудов конференций, 4 тезиса докладов.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Мансфельд, Дмитрий Анатольевич

Заключение

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.

1. Исследована циклотронная неустойчивость свистовых воли в плазме ЭЦР разряда при квазигазодинамическом режиме удержания в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке, проявляющаяся в виде вспышечиых выбросов энергичных электронов, сопровождаемых всплесками СВЧ излучения на частотах ниже электронной гирочастоты, регистрируемого в направлениях близких к оси системы. Экспериментально изучены временные, пространственные, энергетические характеристики циклотронной неустойчивости, а также определена область параметров, при которых существует неустойчивость. Результаты экспериментов подтверждаются анализом инкрементов неустойчивости и коэффициентов усиления свистовых волн, проведенным на основе линейной теории.

2. Выяснено, что высыпания энергичных электронов при циклотронной неустойчивости, имеют устойчивое (повторяющееся от эксперимента к эксперименту) неоднородное распределение по радиальной координате от оси ловушки, причем это распределение может быть как монотонным, так и немонотонным, в зависимости от величины магнитного поля. В частности, при малом магнитном поле и большом пробочном отношении интенсивность электронных высыпаний имеет максимум на оси ловушки и равномерно спадает при удалении от центра. При увеличении напряженности магнитного поля распределение с максимумом на оси сменяется распределением с максимумом на периферии ловушки. Немонотонное распределение высыпаний энергичных электронов обусловлено соответствующим распределением электромагнитного поля в возбуждаемых при циклотронной неустойчивости свистовых волнах.

3. С помощью диамагнитных измерений показано, что в результате развития циклотронной неустойчивости свистовых волн из ловушки уносится значительная доля энергии горячей фракции электронов.

4. Обнаружены квазипериодические всплески СВЧ излучения, распространяющегося поперек магнитного поля, сопровождаемые импульсными высыпаниями энергичных электронов на стадии распада плазмы ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке. Вспышки интерпретированы как результат резонансного взаимодействия энергичных электронов с медленной необыкновенной волной, распространяющейся поперек магнитного поля. Показано, что в ЭЦР разряде и на начальной стадии распада плазмы циклотронная неустойчивость медленной необыкновенной волны подавлена из-за депрессии излучения в плотной плазме, развитие неустойчивостей становится возможным лишь в достаточно разреженной плазме.

5. Показана возможность изменения скорости распада плазмы и условий распространения волн за счет регулирования темпа напуска газа, что позволяет исследовать циклотронную неустойчивость волн в разреженной плазме. Построена качественная модель, учитывающая наиболее важные процессы (ионизацию нейтралов электронным ударом, диссоциативную рекомбинация молекулярных ионов, перезарядку молекулярных ионов), которая объясняет наблюдаемые в эксперименте особенности распада плазмы в молекулярном и атомарном газах.

6. Механизм генерации последовательностей импульсных высыпаний частиц па нелинейной стадии развития неустойчивости удалось объяснить, рассмотрев новый режим работы циклотронного мазера, в котором превышение порога неустойчивости происходит за счет характерного для распада плазмы быстрого уменьшения потерь электромагнитной энергии. В результате предложена самосогласованная нелинейная модель, которая па основе рассчитанной зависимости температуры и концентрации фоновой плазмы от времени объясняет наблюдаемые в эксперименте особенности генерации квазипериодических всплесков СВЧ излучения и импульсных высыпаний энергичных электронов на стадии распада плазмы ЭЦР разряда.

Список публикаций по теме диссертации

1А. A.B. Водопьянов, C.B. Голубев, А.Г. Демехов, В.Г. Зорин, Д.А. Мансфельд, C.B. Разин, А.Г. Шалашов. Наблюдение импульсных высыпаний быстрых электронов и циклотронный механизм генерации вспышечной активности в распадающейся плазме ЭЦР разряда. // ЖЭТФ. 2007. Т. 131, вып. 2. С. 330-342.

2А. А.Г. Шалашов, A.B. Водопьянов, C.B. Голубев, А.Г. Демехов, В.Г. Зорин, Д.А. Мансфельд, C.B. Разин. Мазер на циклотронном резонансе в распадающейся плазме. //Письма в ЖЭТФ. 2006. Т. 84, вып. 6. С. 375-380.

ЗА. A.B. Водопьянов, C.B. Голубев, А.Г. Демехов, В.Г. Зорин, Д.А. Мансфельд, C.B. Разин, В.Ю. Трахтепгерц. Лабораторное моделирование нестационарных процессов в космических циклотронных мазерах: первые результаты и перспективы. // Физика плазмы. 2005. Т. 31, вып. U.C. 997-1008.

4А. Водопьянов A.B., Голубев C.B., Демехов А.Г., Мансфельд Д.А., Трахтенгерц В.Ю. Лабораторное моделирование нестационарных процессов в космических циклотронных мазерах. // Труды VIII Конференции молодых ученых "Астрофизика и физика околоземного космического пространства", БШФФ-2005. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск. 2005. С. 113-115.

5А. Водопьянов A.B., Голубев C.B., Мансфельд Д.А. Лабораторное исследование электронных высыпаний в космическом циклотронном мазере. // Труды VIII Конференции молодых ученых "Астрофизика и физика околоземного космического пространства", БШФФ-2005. Изд-во ИСЗФ СО РАН, Иркутск. 2005. С. 57-60.

6А. A.B. Водопьянов, C.B. Голубев, А.Г. Демехов, В.Г. Зорин, Д.А. Мансфельд, C.B. Разин, В.Ю. Трахтенгерц. К вопросу о лабораторном моделировании процессов в космической плазме. // Труды 7-ой научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2003. С. 40-41.

7А. Golubev S.V., Razin S.V., Zorin V.G., Vodopyanov A.V., Mansfeld D.A., Demekhov A.G. and Trakhtengerts V.Y. Laboratory modeling of spike-like operation of space cyclotron masers. // Proc. XXVII General Assembly of URSI (Maastricht, the Netherlands), 2002. P. 1378.

8A. A.V. Vodopyanov, S.V. Golubev, S.V. Razin, V.G. Zorin, D.A. Mansfeld, A.G. Demekhov and V.Yu. Trakhtengerts. Experimental Investigation of the Whistler Cyclotron Instability in ECR-produced Plasma in a Simple Mirror Trap. // Proc. 12th Joint Workshop on Electron

Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating, Aix-en-Provence (France), 2002. P.383 -388.

9A. A.G. Demekhov, S.V. Golubev, D.A. Mansfeld, S.V. Razin, V.Yu. Trakhtengerts, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Experimental investigation of the whistler electron microinstability in an ECR heated, mirror-confined plasma. // Proc. 15th International Workshop on ECR Ion Sources, ECRIS'02, University of Jyvaskyla, Finland, 2002. P.201-204.

10A. S.V. Golubev, A.G. Demekhov, D.A. Mansfeld, S.V. Razin, A.G. Shalashov, V.G. Zorin, A.V. Vodopyanov. Observations of pulsed regimes of electron cyclotron instabilities in a mirror confined plasma produced by ECR discharge: similarities and differences with space plasmas. // Geophysical Research Abstracts. 2007. Vol. 9. P. 03792.

IIA. A. Vodopyanov, S. Golubev, A. Demekhov, V. Zorin, D. Mansfeld, S. Razin and V. Trakhtengerts. Laboratory modeling of nonstationary processes in space cyclotron masers. // Abstracts of 36-th Scientific Assembly of COSPAR, (Beijing, China), 2006. C5.2-0004-06.

12A. Golubev S.V., Razin S.V., Zorin V.G., Vodopyanov A.V., Mansfeld D.A., Demekhov A.G. and Trakhtengerts V.Y. Laboratory modeling of spike-like operation of magnetospheric cyclotron masers. // Geophysical Research Abstracts. XXVII General Assembly of EGS, 2002. Vol.4. P. 06299.

13A. Golubev S.V., Demekhov A.G., Razin S.V., Zorin V.G., Vodopyanov A.V., Mansfeld D.A. and Trakhtengerts V.Y. Laboratory modeling of spike-like operation of space cyclotron masers. // Abstracts of 34-th Scientific Assembly of COSPAR, (Houston, Texas, USA), 2002. P.992.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мансфельд, Дмитрий Анатольевич, 2007 год

1. Гуляев Ю.В., Яфаров Р.К. Микроволновое ЭЦР вакуумпо-плазменное воздействие на конденсированные среды в микроэлектронике (физика процессов, оборудование, технология). // Зарубежная электронная техника. 1997. № 1. С. 77-120.

2. Asmussen J., Grotjohn Т.А., PengUn Mak et. al. The design and application of electron cyclotron resonance discharges. // IEEE Transactions on plasma science. 1997. V. 25. N. 6. P.1196-1221.

3. Орликовский A.A. Плазменные процессы в микро- и ианоэлектронике. Часть 2. Плазмохимические реакторы нового поколения и их применение в технологии микроэлектроники. //Микроэлектроника. 1999. Т. 28. № 6. С. 415-426.

4. Matsuoka М., Опо К. Ion extraction from microwave plasma excited by ordinary and extraordinary waves and applications to the sputtering deposition. // Journal of Vacuum Science and Technology A. 1991. V. 9. N. 3. P. 691-695.

5. Watanabe Т., Yamamoto K., Tsuda 0. et. al. Synthesis of amorphous carbon films by plasma-based ion implantation using ECR plasma with a mirror field. // Surface & Coatings Technology. 2002. V. 156. N. 1-3. P. 317-321.

6. Matsuda K., Tanjyo M. Ion sources for implantation. // Review of Scientificlnstruments. 1996. V. 67. N. 3. P. 901-904.

7. Mandl S., Manova D., Rauschenbach B. Balancing incident heat and ion flow for process optimization in plasma based ion implantation. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2002. V. 35. N. 11. P. 1141-1148.

8. Dudnikov V.G. Review of high brightness ion sources for microlithography.// Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N. 3. P. 915-920.

9. Geller R. ECRIS closing remarks. // Journal de Physique. 1989. Colloque CI. Suppl. N 1. V. 50. P. 887-892.

10. Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. // Institute of Physics. Bristol. 1996. 434 P.

11. Голованивский K.C., Дугар-Жабон В.Д. Ионные источники на основе электронного циклотронного резонанса (обзор). // Приборы и техника эксперимента. 1991. № 4. С. 8.

12. Dandl R.A., England А.С., Ard W.B. et. al. Properties of a high-beta plasma produced by electron-cyclotron heating. // Nuclear Fusion. 1964. V. 4. P. 344-353.

13. Аликаев B.B., Бобровский Г.А., Позняк В.И. и др. Нагрев плазмы в токамаке ТМ-3 на электронно-циклотронном резонансе при магнитных полях до 25 кЭ. // Физика плазмы. 1976. Т. 2. Вып. З.С. 390-395

14. Аликаев В.В. ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1981. Т. 1. Ч. 2. С. 80-99.

15. Аликаев В.В., Литвак А.Г., Суворов Е.В., Фрайман А.А. Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах. / В кн.: Высокочастотный нагрев плазмы. / Горький: ИПФ АН СССР. 1983. С. 6-70.

16. М.С. Иоффе, Р.И. Соболев, В.Г. Тельковский, Е.Е. Юшманов // ЖЭТФ 40,40 (1961).

17. Г.Ф. Богданов, И.Н. Головин, Ю.А. Кучеряев, Д.А. Панов //Ядерный синтез, Дополнение, чЛ, 215 (1962).

18. L. Kuo, Е. Murphy, M.Petravic, D. Sveetman // Phys. Fluids 7, 988(1964).

19. IO.B. Готт, М.С. Иоффе, В.Г. Тельковский // Ядерный синтез, Дополнение, ч.З, 1045 (1962).

20. М.С.Иоффе, Б.Б.Кадомцев, Удержание плазмы в адиабатических ловушках, УФН, т. 100, в.4, стр.601.

21. Сагдеев Р. 3., Шафрапов В. Д. О неустойчивости плазмы с анизотропным распределением скоростей в магнитном поле // ЖЭТФ. 1960. Т. 39, № 1. С. 181-184.

22. J. Sharer, A. Triveleace // Phys. Fluids 10, 591 (1967)

23. J. Sharer // Phys. Fluids 10, 652 (1967)

24. E. Harris // J. Nucl. Energy, pt. С 2, 138 (1961)

25. M. Rosenbluth, R. Post // Phys. Fluids 8, 547 (1965)

26. Беспалов П.А., Трахтепгерц В.Ю. Альфвеповские мазеры. Горький: ИПФ АН СССР, 1986

27. А.Г. Демехов, Изв. ВУЗов Радиофизика 30 (6), 734 (1987).

28. Alikaev V. V., Glagolev V. М., Morosov S. A. Anisotropic instability in a hot electron plasma, contained in an adiabatic trap // Plasma Phys. 1968. V. 10, No. 8. P. 753-774.

29. Jacquinot J., LeLoup C., Poffe J.P. et al. // Proc. Int. Conf. Plasma Phys. and Controlled Nucl. Fusion Res. IAEA, Vienna, 1969. V. 2. P. 347.

30. Ikegami H., Ikezi H., Hosokawa M. et al. //Phys. Fluids. 1968. V. 11. № 5. P. 1061.

31. Ard W.B., Dandl R.A., Stetson R.F. //Phys. Fluids. 1966. V. 9. № 8. P. 1498.

32. Garner R.C., Mauel M.E., Hokin S.A. et al. // Phys. Rev. Lett. 1987. V. 59. № 16. P. 1821

33. Garner R.C., Mauel M.E., Hokin S.A. et al.// Phys. Fluids В 2(2), 1990. P.242-252

34. М.И. Белавин, B.A. Жильцов, B.X. Лихтенштейн, А.А. Сковорода. Неустойчивости электронно горячей плазмы в открытых ловушках ОГРА-4 и ОГРА-4К. // Физика плазмы. 1991. Т.17. Вып.5. С. 607-614.

35. Трахтенгерц В. Ю. О механизме генерации ОНЧ-излучения во внешнем радиационном поясе Земли // Геомагнетизм и аэрономия. 1963. Т. 3, № 3. С. 442-451.

36. Беспалов П.А., Коваль JT.H. Установление периодических режимов циклотронной неустойчивости в плазменных пробкотроиах. // Физика плазмы, 1982, т.8, в.6, с. 1136.

37. Беспалов П.А., Коваль JI.H. Автоколебательные режимы вблизи порога устойчивости стационарной циклотронной генерации. // Физика плазмы, 1985, т.11, в.2, с. 169.

38. Беспалов П.А. Стационарный режим циклотронной неустойчивости радиационных поясов. // Физика плазмы, 1985, т.11, в.4, с.446.

39. Беспалов П. А., Трахтенгерц В. Ю. Циклотронная неустойчивость радиационных поясов Земли // Вопросы теории плазмы / Ред. М. А. Леонтович. — М.: Энергоатомиздат, 1980. — Т. 10. с. 88.

40. V.Y. Trakhtengerts // Ann. Geophys. 17 (1), 95 (1999).

41. W. J. Burtis, R.A. Helliwell // Planet. Space Sei. 24,1007 (1976).

42. О. Santolik, D. A. Gurnett, J. S. Pickett et al. // J. Geophys. Res. 108 (A7), 1278 (2003).

43. В. Ю. Трахтенгерц // Изв. ВУЗов Радиофизика. 39 (6), 699 (1996).

44. В. Ю. Трахтенгерц, А. Г. Шалашов, Астрономический журнал 76 (8), 618 (1999).

45. Демехов А.Г., Трахтенгерц В.Ю. // Изв. вузов. Радиофизика. 1986. Т. 29. № 9. С. 1117

46. Гапонов-Грехов A.B., Глаголев В.М., Трахтенгерц В.Ю. //ЖЭТФ. 1981. Т. 80. № 6. с. 2198.

47. Бенедиктов Е.А., Германцев ГГ., Сазонов Ю.А., Тарасов А.Ф. // Космич. исслед. 1965. Т. 3. С. 614.

48. Benson R.F., Calvert W. // Geophys. Res. Lett. 1979.V. 6. P. 479.

49. Зайцев ВВ., Злотник ЕЯ., Шапошников BE. // Письма в АЖ. 1985. Т. 11. № 3. С. 208

50. Гапонов-Грехов A.B., Петелин М.И. Мазеры на циклотронном резонансе // Наука и человечество. М., 1980. С.283-290.

51. Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № 4. P. 5831.

52. Pasmanik D.L., Demekhov A.G., Trakhtengerts V.Y. et al. // Ann. Geophys. 2004. V. 22. № 10. P. 3561.

53. Беспалов П.А. // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 33. № 4. С. 192.

54. Беспалов П.А. //ЖЭТФ. 1984. Т. 87. № 12. С. 1894.

55. Беляев П.П., Поляков С.В., Рапопорт В.О., Трахтенгерц В.Ю. // Геомагнетизм и аэрономия. 1987. Т. 27. № 4. С. 652.

56. Demekhov A.G., Isaev S.V., Trakhtengerts V.Y. // Proc.of XXV Apatity Seminar "Physics of Auroral Phenomena". Apatity, Russia: Polar Geophysical Institute, 2002.P. 69.

57. Coroniti F.V., Kennel C.F. // J. Geophys. Res. 1970. V. 75. № 7. P. 1279.

58. Беспалов ПА. // Физика плазмы. 1978. Т. 4. № 1.С. 177.

59. Leneman D., Gekelman W., Maggs J. // Rev. Sei. Instrum. 2006. 77. p. 015108.

60. Гущин М.Е., Коробков C.B., Костров A.B., Стриковский A.B. // ЖЭТФ. 2004. Т. 126, №5. с. 1023

61. В.В. Доброхотов, Г.А. Марков // Изв. ВУЗов Радиофизика т.46, в.5-6, с. 406

62. В.И. Белоусов, М.И. Офицеров, В.Ю. Плахотник, Ю.В. Родин, Калориметр для измерения полной энергии импульсных мощных приборов миллиметрового диапазона. // Приборы и техника эксперимента, 1993, № 3, с. 93-97.

63. Голубев C.B., Зорин В.Г., Плотников И.В., Разин C.B., Суворов Е.В., Токман М.Д. ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения. // Физика плазмы. 1996. Т. 22. № 11. С. 1007.

64. Водопьянов A.B. Физические особенности работы сильноточных источников многозарядных ионов на основе ЭЦР разряда. // Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. Нижний Новгород. 2005. 150 с.

65. Диагностика плазмы. //Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. М.: Мир. 1967. 515 С.

66. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. // М.: Наука. 1992. 536 С.

67. Экспериментальная ядерная физика. Под редакцией Э. Сегре. Т.1, М., ИЛ, 1995, стр. 215-256.

68. И.А. Котельников. К теории диамагнитных измерений. Препринт 62. ИЯФ им Г.И. Будкера СО РАН, 2003

69. Жильцов В.А., Сковорода А.А и др. //Физика плазмы. (1991) Т. 20. Вып. 3. С. 267.

70. A.B. Водопьянов, C.B. Голубев, В.Г. Зорин, C.B. Разин, М.А. Шилов. Параметры плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда в открытой магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания. // Письма в ЖТФ. т. 25 (1999) в.14, с. 90-94.

71. J. H. Booske, W. D. Getty, R. M. Gilgenbach, R. A. Jong, //Phys. Fluids 28 (10), p. 3116 (1985)

72. V. L. Erukhimov, V. E. Semenov, Rev. Sei. Instrum. 75, 5, 1417 (2004).

73. В. Jl. Гинзбург, Распространение электромагнитных волн в плазме, Наука, Москва (1967).

74. Zheleznyakov V.V., Zlotnik E.Ya. // Solar Phys., 1975, v.43, (2), p.431.

75. S.V. Golubev, V.E. Semenov, E.V. Suvorov, M. D. Tokman, in Strong Microwaves in Plasmas, ed. A. G. Litvak, Inst. Applied Physics, Nizhny Novgorod (1993), Vol.1, P. 347

76. G. S. Voronov, Atomic Data and Nuclear Data Tables 65, 1 (1997).

77. A. Y. Kostinsky, A. A. Matveev, V. P. Silakov, Preprint № 87, General Physics Institute Academy of Sciences of the USSR, Moscow (1990).

78. В. В. Мирнов, Д. Д. Рютов, в сб. Итоги науки и техники, серия физика плазмы 8, 77 (1988).

79. А. V. Turlapov, V. Е. Semenov, Physical Review Е 57, 5937 (1998)

80. Winglee R.M. // Plasma Phys., 1983, v. 25, №2, p. 217.

81. А.И. Ахиезер, И.А. Ахиезер, P.B. Половин и др., Электродинамика плазмы, Наука, Москва (1974).

82. Я.И. Ханин, Динамика квантовых генераторов, Сов. Радио, Москва, (1975).

83. F. Т. Arecchi, W. Gadomski, R. Meucci, J. A. Roversi, Opt. Commun. 65 (1), 47 (1988)

84. T. Erneux, P. Mandel, Phys. Rev. A 39 (10), 5179 (1989)

85. Ya. I. Khanin, Fundamentals of laser dynamics, Cambridge International Science Publishing Ltd., Cambridge (2006)