2.2.Лабораторное моделирование турбулентных процессов в неравновесной плазме космических магнитных ловушек

руководитель  -  Голубев С. В., ИПФ РАН

 

1.  Фундаментальная научная проблема, на решение которой направлен проект:   

Проект посвящен экспериментальным исследованиям фундаментальной проблемы физики лабораторной и космической плазмы, связанной с неравновесными процессами взаимодействия потоков частиц и волновой турбулентности в пробочных магнитных ловушках, включая генерацию стимулированного электромагнитного излучения и турбулентный перенос.

 

2.  Конкретная фундаментальная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект:

   Конкретной фундаментальной задачей проекта является

  •     экспериментальное исследование динамики и энергетических характеристик нестационарных (вспышечных) процессов генерации электромагнитных волн в двухкомпонентной неравновесной плазме ЭЦР разряда в магнитной ловушке;
  •     экспериментальное исследование аномального переноса при натекании сверхзвукового потока полностью ионизованной плазмы на заполненную плазмой магнитную ловушку.

 

3.  Предлагаемые методы и подходы:

     Развитие различного рода кинетических неустойчивостей двухтемпературной замагниченной плазмы с анизотропной функцией распределения энергичных частиц (с преобладанием поперечной по отношению к магнитному полю кинетической энергии над продольной) играют важную роль в космической и лабораторной плазме. В лабораторных экспериментах такую плазму можно получать, используя циклотронный нагрев электронов в магнитных ловушках, причем применение для создания и нагрева плазмы мощного излучения миллиметрового диапазона длин волн, позволяет получать двухтемпературную плазму с уникальными параметрами: плотностью основной плазмы на уровне 1013 см-3 и температурой порядка 100 эВ и горячей анизотропной компонентой с плотностью 1011 см-3 и температурой на уровне 10 кэВ. Такое использование гиротрона, реализованное с участием авторов проекта, открыло новые возможности для моделирования вспышечных процессов в магнитосфере, в частности, позволило исследовать динамику различных циклотронных неустойчивостей. Абсолютные измерения интенсивности электромагнитного излучения плазмы в различных спектральных диапазонах предлагается исследовать с помощью специальных полосовых фильтров (планируется разработка и создание следующих полосовых фильтров 4 - 18 ГГц, 18 – 25 ГГц, 25 – 45 ГГц) и абсолютно калиброванных приемных трактов (абсолютную калибровку трактов планируется провести с помощью аттестованных эталонных генераторов). Для проведения абсолютных измерений потока энергичных электронов предлагается провести калибровку детекторов с помощью электронный пушки с заданными током (1 - 10 А)  и энергией электронов (1 - 20 кэВ). Изменение полного энергосодержания плазмы предполагается измерять с помощью диамагнитного зонда, охватывающего плазменный столб.

     Кроме того, в рамках лабораторных экспериментов предлагается исследовать другую возможность создания неравновесной плазмы: в «холодную» плазму пеннинговского разряда в магнитной ловушке, инжектируется поток плазмы вакуумно-дугового разряда, распространяющийся поперек или вдоль направления магнитных силовых линий. Инжекция мощных сверхзвуковых потоков плазмы может стимулировать развитие неустойчивостей и аномальный перенос, тем самым позволив моделировать динамику пограничного слоя магнитосферы (в пределах некоторой выделенной силовой трубки) при натекании на нее солнечного ветра. Для проведения экспериментов планируется использовать плазменные потоки, создаваемые вакуумно-дуговым разрядом с током до 100 А и направленной скоростью до 10 6 см с-1.   

 

4.  Ожидаемые в конце 2012 года научные результаты:

     В 2012 году будут получены следующие результаты.

  • С использованием разработанной, изготовленной и прокалиброванной аппаратуры для абсолютных измерений энергетических характеристик циклотронных неустойчивостей, будут проведены первые абсолютные измерения частоты и интенсивности электромагнитных волн, возбуждаемых при нестационарных (вспышечных) процессах циклотронных неустойчивостей как во время действия СВЧ накачки, так и на стадии распада плазмы ЭЦР разряда. Результаты исследований будут сопоставлены с опубликованными ранее теоретическими представлениями, и прежде всего, дадут ответ на вопрос, в какой месте ловушки развиваются циклотронные неустойчивости.
  • Будут проведены исследования параметров «холодной» плазмы пеннинговского разряда в открытой магнитной ловушке при давлениях 10-6-10-4 Торр и токах до 100 А.
  • С использованием разработанного и изготовленного миниатюрного (с диаметром потока плазмы несколько мм) плазменного инжектора на основе вакуумно-дугового разряда. Будут проведены первые эксперименты по изучению взаимодействия пламенного потока с холодной плазмой.

 

5. Современное состояние исследований в данной области науки, сравнение ожидаемых результатов с мировым уровнем:     

     Мазерный механизм генерации электромагнитного излучения в условиях электронно-циклотронного резонанса в магнитоактивной плазме давно и успешно применяется для объяснения широкого класса явлений, наблюдаемых в разнообразных условиях в магнитосферах Земли и планет, в солнечных корональных петлях и атмосферах звезд, в лабораторных магнитных ловушках. Излучение электромагнитных волн сопровождается импульсным выбросом энергичных частиц из ловушки за счет попадания в конус потерь. В результате резкого сброса свободной энергии система оказывается под порогом циклотронной неустойчивости, после чего начинается сравнительно медленная подготовка к следующей вспышке (накопление энергичных частиц) и процесс повторяется. Лабораторные эксперименты по наблюдениям подобных явлений в магнитных ловушках имеют давнюю историю, но целенаправленное исследование их механизмов стало возможным лишь в последние годы, в связи с развитием чувствительности и разрешающей способности средств диагностики плазмы. Запланированные абсолютные измерения интенсивности и частоты СВЧ излучения является естественным следующим шагом в этом направлении.

     В настоящее время работы по использованию лабораторных установок для моделирования взаимодействия волн и частиц в космической плазме ведутся в ряде центров. В частности, в США (UCLA) в большой плазменной камере LAPD исследуется возбуждение волн сторонними источниками (в виде вращающихся магнитных рамок с током) и их влияние на энергичные частицы, в Великобритании в Университете Стратклайда (Глазго) предпринимаются попытки моделирования аврорального километрового радиоизлучения в установках вакуумной СВЧ электроники. Наша работа выделяется высоким уровнем неравновесности горячей компоненты при наличии регулируемого количества холодной плазмы и спонтанным развитием неустойчивостей, характерных как для внутренней магнитосферы (свистовые волны), так и для авроральной магнитосферы («космический гиротрон» на захваченных в ловушку электронах).

     Исследования взаимодействия потока плазмы с «лабораторной магнитосферой» проводятся в нескольких коллективах, в частности, в Новосибирске. Спецификой нашего проекта в этой части является (а) использование полностью ионизованного потока плазмы и (б) моделирование отдельно взятой силовой трубки, что может позволить нам достичь большей детальности измерений. Отметим, что в процессе исследований циклотронных неустойчивостей с использованием плазмы ЭЦР разряда, создаваемого в простой магнитной ловушке мощным излучением гиророна, авторы проекта разработали целый ряд оригинальных методов диагностики, которые можно применить при исследовании процессов резонансного взаимодействия волн и частиц в неравновесных условиях, образующихся при воздействии потоков плазмы  на «холодную» плазму в магнитной ловушке.

     Планируемые исследования и ожидаемые результаты данного проекта основаны на оригинальных результатах авторов, соответствуют современному состоянию исследований в этой области и опережают аналогичные исследования в России и за рубежом.

 

6.  Имеющийся у коллектива научный задел по предлагаемому проекту; полученные ранее результаты, разработанные методы и системы:

      Авторы проекта имеют большой опыт экспериментальных исследований различных аспектов нелинейного взаимодействия волн и частиц в магнитоактивной плазме. Эксперименты планируется проводить с использованием существующей установки и разработанных оригинальных методов диагностики параметров вспышек электромагнитного излучения и высыпающихся из ловушки частиц. При выполнении проекта планируется также использовать хорошо себя зарекомендовавшие методы диагностики параметров неравновесной плазмы (измерения газокинетического давления плазмы, тормозного рентгеновского излучения и пр.) В предыдущий период авторским коллективом получен ряд важных результатов, составляющих основу (задел) для выполнения данного проекта. В эксперименте были обнаружены квазипериодические всплески СВЧ излучения, сопровождаемые импульсными высыпаниями энергичных электронов плазмы ЭЦР разряда в прямой аксиально-симметричной магнитной ловушке. Наблюдаемые эффекты были объяснены как результат резонансного взаимодействия энергичных электронов с вистлерами во время СВЧ накачки и с медленной необыкновенной волной, распространяющейся поперек магнитного поля в распадающейся плазме. Было показано, что на начальной стадии распада плазмы циклотронная неустойчивость медленной необыкновенной волны подавлена из-за депрессии излучения в плотной плазме, и в то же время оказывается возможным развитие неустойчивости в достаточно разреженной плазме. С помощью магнитостатического масс-зарядового анализатора измерена функция распределения быстрых электронов на начальной стадии ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке. Показано, что функция распределения слабо спадает с ростом энергии в диапазоне 70-400 кэВ, затем темп спадания возрастает и функция распределения обрывается на величине 400-500 кэВ. Авторами были проведены исследования ионного состава плазмы импульсного ЭЦР разряда при низком (ниже пробойного при заданной длительности импульса) давлении в условиях сильной предварительной ионизации газа с помощью непрерывно горящего разряда пеннинговского типа в скрещенных полях ЕxH полях. В случае использования гелия в качестве рабочего газа получена плазма, состоящая из полностью "ободранных" ионных остовов и электронов.

 

7.  Список основных публикаций научного коллектива, наиболее близко относящихся к предлагаемому проекту:

  •    A.V.Vodopianov, S.V.Golubev, I.V.Izotov, A.G.Nirolaev, E.M. Ors, K.P.Savrin, G.Yu.Yushkov. Glow plasma trigger for electron cyclotron resonance ion sources. // Review of scientific instruments, 81, 02A305, 2010.
  •    S. V. Golubev and A. G. Shalashov. Cyclotron-resonance maser driven by magnetic compression of rarefied plasma // Phys. Rev. Lett. Vol. 99 (2007). P. 205002(4).
  •    G. Yu. Yushkov, K. P. Savkin, A. G. Nikolaev, E. M. Oks, A. V. Vodopyanov, I. V. Izotov, D. A. Mansfeld. Formation of Multicharged Metal Ions in Vacuum Arc Plasma Heated by Gyrotron Radiation. // Plasma Science and Technology, 2011, Vol.13, No.5, p.596.
  •    A.V. Vodopyanov, S.V. Golubev, I.V. Izotov, D.A. Mansfeld and G.Yu Yushkov. He2+ source based on Penning-type discharge with electron cyclotron resonant heating by millimeter waves. // Plasma Sources Sci. Technol. 20 (2011) 035014 (5pp)
  •   V. Golubev, I. V. Izotov, D. A. Mansfeld, V. E. Semenov. Experimental EEDF investigation at initial stage of ECR disсharge // Review of scientific instruments, 83, Feb. 2012.

 

8.  Список основных публикаций руководителя проекта в рецензируемых журналах:

  •    E.D.Gospodchikov, S.V.Golubev, O.B.Smolyakova, E.V.Suvorov, A.V.Vodopyanov. On the possibility of ECR-discharge with overcritical plasma density in axisymmetrical magnetic trap //   Fusion Science and Technology, Volume 59 (1t),  P 223-225 (2011)
  •    A. V. Vodopyanov, S. V. Golubev, D. A. Mansfeld, P. G. Sennikov, Yu. N Drozdov Experimental investigations of silicon tetrafluoride decomposition in ECR discharge plasma. // Review of Scientific Instruments, 2011, Vol.82, Issue 6, 06350
  •    А.В.Водопьянов, С..В.Голубев, Д.А.Мансфельд, Н.Н.Салащенко, Н.И.Чхало. Источник экстремального ультрафиолетового излучения на основе плазмы нагреваемой излучением миллиметрового диапазона. //  Известия РАН серия физическая, т. 75, №1, стр 68 -70, 2011