Квазикогерентные структуры и неустойчивости в холловской плазме

Объект исследования: неустойчивости и макроскопические структуры в холловской плазме. В экспериментальной части использована имеющаяся установка, представляющая собой осесимметричную магнитную систему пробочной конфигурации, в которую помещен цилиндрический высокочастотный резонатор (ТЕ118). Квазистационарное магнитное поле в установке создавалось тремя парами катушек, имеющих независимое электропитание, что позволяло перестраивать топологию магнитного поля в соответствии с требованиями проводимых экспериментов. Пробочное отношение можно было менять в диапазоне 1,3 - 3,2 при длине пробкотрона 80 см и индукции магнитного поля в центре ловушки 1200 Гс; при этом можно было создавать протяженную область магнитного поля с контролируемым градиентом магнитного поля в диапазоне 0 - 20 Гс/см. Методом частиц в ячейке проведено трехмерное моделирование плазмы для магнитной конфигурации, реализуемой в эксперименте по формированию релятивистских плазменных сгустков. В модели учтены основные параметры экспериментальной установки: структура магнитного поля, геометрические размеры резонатора и мода СВЧ-колебаний. Показано, что наиболее эффективным способом создания исходной плазмы является аксиальная (или под небольшим углом к направлению магнитного поля) инжекция цилиндрического плазменного пучка в резонатор. Изучена эволюция плазмы, определены энергетические спектры электронов и ионов, пространственная локализация генерируемого сгустка релятивистских электронов, скорость и локализация потерь частиц на стенках камеры и штыревой антенне. Методом частиц в ячейке проведено трехмерное моделирование плазмы для магнитной конфигурации, реализуемой в эксперименте по формированию релятивистских плазменных сгустков. В модели учтены основные параметры экспериментальной установки: структура магнитного поля, геометрические размеры резонатора и мода СВЧ-колебаний. Дисперсионный анализ градиентно-дрейфовой неустойчивости, являющейся, как показано, возможным источником квазикогерентных структур в холловской плазме, базировался на магнитогидродинамической (МГД) теории, преимущественно двужидкостной, явно учитывающей холловские эффекты. При этом эффекты конечного ларморовского радиуса электронов, существенные для развития неустойчивости в припороговой области, учитывались посредством тензора бесстолкновительной вязкости в неоднородном магнитном поле. Анализ модуляционной неустойчивости нижнегибридных колебаний в холловской плазме дан с использованием классических аналитических методов теории устойчивости. Проведено экспериментальное исследование условий возникновения НЧ-колебаний (десятки кГц) в структурном плазменном образовании в форме кольца, формируемом ЭЦР-разрядом в узком коаксиальном резонаторе CERA-RI-2. Теоретически исследована модуляционная неустойчивость нижнегибридных мод в условиях, характерных для холловских плазменных установок со скрещенными электрическими и магнитными полями. Исследована градиентно-дрейфовая неустойчивость неоднородной частично замагниченной плазмы с поперечным током электронов. Разработана нелинейная двужидкостная модель холловской плазмы, включающая источники неустойчивости Саймона - Хо, нижнегибридной и ионно-звуковой неустойчивостей. Исследовано влияние конечной скорости ионного потока на характеристики градиентно-дрейфовой неустойчивости внутри ускоряющего канала стационарного плазменного двигателя. Эксперименты по изучению плазменных сгустков проведены на уникальной установке с использованием широкого набора экспериментальных методик. Экспериментальные измерения подкреплены трехмерными численными расчетами по методу частиц в ячейках, что соответствует мировой практике. Предложенный нелинейный механизм формирования квазикогерентных низкочастотных структур в типичных условиях холловских плазменных установок, нелинейное МГД-моделирование холловских разрядов, а также расчет структуры и спектра собственных неустойчивых мод в существенно неоднородной частично замагниченной плазме являются новейшими результатами мирового уровня в области теории и моделирования плазменных процессов.