1.4. Прохождение свч волн через низкотемпературную плазму

1. Плазма– четвертое состояние вещества наряду с твердым, жидким и газообразным. В отличие от привычных нам земных условий в космическом масштабе вещество Вселенной находится в основном в плазменном состоянии.

С ростом температуры твердое вещество переходит в жидкое, а затем – в газообразное. При дальнейшем повышении температуры молекулярное состояние газа переходит в атомарное, а последующий рост температуры (энергии хаотического соударения атомов) приводит к ионизация атомов с образованием плазмы из электронов и ионов. Поскольку энергия ионизации атомов порядка 10 эв, а 1 эв соответствует температуре 11600 К, то температура плазмы, образуемой термическимнагревом, составляет примерно 10⁵К.

Однако плазма может быть получена не только термическим нагревом, но также за счет ионизации излучением (фотоионизация), бомбардировкой газа заряженными частицами, ионизацией в ВЧ (высокочастотном) поле. В этом случае общая температура газа может быть значительно меньше, чем в термической плазме.

Мы будем иметь дело с низкотемпературнойплазмой, полученной ВЧ ионизацией газа, т.е. с плазмой при Т ≤ 10⁵К и тепловой энергией электронов ~ 10 эв. Рассмотрим кратко основные понятия, вводимые для описания процессов в плазме.

2. Квазинейтральность плазмы. Поскольку "выравнивающие" электрические силы, действующие на ионы и электроны, весьма велики, то обычно плазма находится в квазинейтральном состоянии. Это означает, что объемное распределение плотности ионов и электронов таково, что электрическое поле внутри плазмы в среднем равно нулю, а концентрации ионов и электронов равныn_e = n_i.

3. Степень ионизации– это отношение числа ионов к полному числу атомовα= n_e/n₀. Чем выше температура, тем больше степень ионизации.

4. Плазменная частота. Из-за дальнодействия электрических сил взаимодействие происходит не только между соседними заряженными частицами плазмы (ионами и электронами), но распространяется на большие расстояния. Поэтому плазму можно рассматривать какупругую среду, в которой легко возбуждаются различные коллективные колебания, волны и шумы. Наиболее характерны для плазмыленгмюровские волны– продольные колебания пространственного заряда с частотой

(5)

Подставив константы, получаем значение плазменной частоты

(5')

где n[см^-3] иm[г] – концентрация и масса электронов,ε₀– диэлектрическая постоянная.

5. Диэлектрическая проницаемость плазмы.Критическая плотность. В общем случае при отсутствии магнитного поля относительная диэлектрическая проницаемость плазмы зависит от концентрации электронов и частоты их столкновений и имеет комплексный характер

(6)

где – частота столкновений электронов.

Но если частота СВЧ излучения ωзначительно превышает частоту столкновений (что справедливо для нашей плазмы), то соударениями можно пренебречь и формула (6) с учетом выражения (5) дляω_р перейдет в формулу

(6')

Легко видеть, что при ω = ω_р диэлектрическая проницаемость и, соответственно, коэффициент преломления плазмы обращаются в нуль, а при дальнейшем увеличении концентрации электронов становятся мнимыми. Это означает, что СВЧ поле перестает проникать в плазму. Концентрация электронов, начиная с которой СВЧ волна полностью отражается плазмой, т.е. выполняется условие ω =ω_р, называетсякритической частотой ω_с, а соответствующая ей концентрация электронов –критической концентрацией n_c. Используя выражение для плазменной частотыω_р, получим

(6')

где λ – длина волны СВЧ излучения: (λ = 3,2 см для нашего случая).

6. Линейные волны в плазме. В плазме возможно большое число различных неустойчивостей, солитонов, нелинейных волн и шумов. Но если амплитуда возмущений и нелинейностей относительно мала, то волны можно рассматривать в линейном приближении. Такие волны называются линейными.

В плазме без магнитного поля (наш случай) возможно распространение трех типов линейных волн:

продольные ленгмюровскиеω_р(причина – электрическое поле, вызываемое разделением зарядов), называемые такжеплазменными (см формулу 5):

продольные звуковые(ионно-звуковые), распространяющиеся в плазме со скоростью звукаv_зв

поперечные электромагнитные(световые или радиоволны, СВЧ волны) с частотой

(7)

где k– волновое число,с– скорость света.

Поперечные эл.-магнитные волны (в частности, СВЧ волны) могут распространяться в плазме без магнитного поля только при условии, что их частота превышает плазменную:ω > ωр.

В противном случае (при ω < ω_р) показатель преломления становится мнимым, и поперечные волны отражаются от плазмы.