Антенны в плазме

Исследование антенн в плазме сочетает традиционные области интересов нижегородской школы радиофизики – электродинамику и физику плазмы. Основными сферами применения этих исследований являются: диагностика параметров плазмы, регистрация шумовых излучений в ионосфере и магнитосфере, генерация электромагнитного излучения. Своеобразная электродинамика, присущая системе антенна-плазма, обнаруживает ряд интересных свойств общефизического характера, имеющих аналоги в других физических задачах. Особый интерес представляют условия, при которых резонансы плазмы, ее неоднородность, пространственная и временная дисперсия, нелинейные эффекты существенно меняют структуру электромагнитного поля и импеданс антенны по сравнению с вакуумными.

В ИПФ РАН был проведен цикл теоретических и экспериментальных исследований в этой области Ю. В. Чугуновым, А. В. Костровым, Е. А. Мареевым, С. В. Егоровым, А. И. Смирновым, Г. В. Пермитиным, Г. Ю. Голубятниковым и другими.

Общий вид установки «Ионосфера»

Экспериментальные исследования антенн в плазме проводились на стендах «Крот» и «Ионосфера», а также в ряде натурных космических экспериментов, включая «Активный», и серию ракетных экспериментов «Активный шнур», выполненных совместно с ННГУ, ИКИ РАН, ИПГ. Исследованы импедансные характеристики и распределения полей излучения для антенн электрического и магнитного типов в магнитоактивной плазме, в том числе зависимость импеданса от оседания заряженных частиц на поверхность антенны на малом уровне подводимой мощности; обнаружен эффект «автосогласования» витка с током в плазме. Разработаны методы электродинамического управления электрическими характеристиками дипольной антенны. Показано, что формирование плазменных оболочек, параметры которых зависят от уровня подводимой к антенне ВЧ мощности, позволяет управлять импедансными характеристиками антенн. В серии экспериментов по моделированию излучения антенн в магнитосферной плазме продемонстрированы высокая эффективность ввода энергии в плазму, возможность создания сильных, легко управляемых возмущений среды, генерации интенсивных потоков ускоренных электронов и эффективного возбуждения электромагнитных волн свистового диапазона частот. В результате нагрева и ионизации плазмы в ближнем поле антенны формируются узкие пучки плазменных волн и самосогласованные с ними, вытянутые вдоль магнитного поля возмущения плазмы, параметры которых зависят от мощности и частоты излучения. Экспериментально показано, что при локальном нагреве электронов в замагниченной плазме происходит быстрая (униполярная) термодиффузия частиц в окрестности источника, причем электроны диффундируют вдоль, а ионы – поперек магнитного поля. Возникающие в плазме термодиффузионные вихревые токи могут являться источником низкочастотных возмущений в ионосфере и магнитосфере.

Теория антенн в плазме. Разработана методика вычисления и выполнены расчеты шумовой ЭДС, наводимой на антенне в неравновесной плазме применительно к ионосферным и магнитосферным условиям; результаты расчетов используются при интерпретации ракетных и спутниковых экспериментов, включая эксперименты на космических аппаратах «Интеркосмос-Коперник-500», «Ulysses», «Wind», «OEDIPUS-C», «Cluster-2» и другие. Сравнение данных измерений шумовой ЭДС с расчетными спектрами дает богатую информацию о параметрах горячей и холодной компонент магнитосферной и межпланетной плазмы.

Разработана теория низкочастотного зонда в изотропной плазме, учитывающая оседание заряженных частиц на поверхность антенны и формирование статических распределений электрического потенциала и неоднородных распределений концентрации электронов и ионов в окрестности зонда (статические «вольт-амперные» и «вольт-кулонные» характеристики).

Исследовано влияние стрикционной, тепловой и ионизационной нелинейности на распределение поля и импеданс дипольных источников в плазме. Наиболее сильные проявления нелинейных эффектов связаны с резонансным возбуждением плазменных волн и их локализацией вблизи резонансных поверхностей. Результаты исследований антенн в плазме частично суммированы в монографии Е. А. Мареева и Ю. В. Чугунова «Антенны в плазме».