КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 2, с. 88-99
УДК 523.9
БЫСТРЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СОЛНЕЧНОГО ВЕТРА С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА БМСВ
© 2013 г. Г. Н. Застенкер1, Я. Шафранкова2 , З. Немечек2, Л. Прех2, И. Чермак2, И. Ваверка2, А. Комарек2, Я. Войта3, Л. С. Чесалин1, Б. Т. Каримов1, Ю. Н. Агафонов1, Н. Л. Бородкова1, Е. А. Гаврилова1, Т. И. Гагуа1, И. Т. Гагуа1, П. А. Далин1, А. В. Дьячков1, И. В. Колоскова1, А. В. Лейбов1, Н. П. Семена1, В. В. Чернов1, Я. И. Марков1, Е. Е. Рязанова1, М. О. Рязанцева14, Н. Н. Шевырев1, В. В. Храпченков1, О. М. Чугунова1, А. С. Юрасов4
1 Институт космических исследований РАН, г. Москва
gzastenk@iki.rssi.ru
2 Карлов Университет, г. Прага, Чешская Республика
3 Институт физики атмосферы ЧАН, г. Прага, Чешская Республика 4 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ Поступила в редакцию 27.08.2012 г.
В статье описываются устройство, характеристики и режимы работы плазменного спектрометра БМСВ — быстрого монитора солнечного ветра, обладающего высоким временным разрешением. Приводятся примеры измерений различных свойств солнечного ветра с помощью этого прибора, работающего на высокоапогейном спутнике Спектр-Р.
Б01: 10.7868/80023420613020088
1. ВВЕДЕНИЕ
Солнечный ветер представляет собой поток плазмы, постоянно истекающий во все стороны из короны Солнца и заполняющий всю Солнечную систему. Экспериментальное исследование солнечного ветра с помощью космических аппаратов, выходящих за пределы магнитосферы Земли, началось в конце 50-х годов 20-го века и за прошедшее время в этом направлении было получено много важных результатов (см. краткий обзор в статье [1]).
Основная часть этих исследований проводилась в широком диапазоне временных масштабов — от нескольких лет (включая цикл солнечной активности) и до нескольких минут. Таким образом, долговременные характеристики солнечного ветра можно считать достаточно надежно установленными [1].
Далее усилия экспериментаторов были направлены на существенное улучшение временного разрешения этих измерений, что должно позволить выявить более мелкомасштабные свойства солнечного ветра. Это представляется весьма важным для понимания как условий зарождения солнечного ветра в короне, так и динамических процессов при его движении от Солнца. Кроме того измерения параметров солнечного ветра с высоким временным разрешением позволяют проводить исследования пространственно-вре-
менной динамики турбулентности солнечного ветра и магнитослоя в области кинетических масштабов, что является весьма актуальной задачей, например, для решения проблемы перекачки энергии по турбулентному каскаду (см. например обзор [2]).
Из зарубежных экспериментов следует отметить весьма быстрые приборы 3DP на КА WIND [3] (с 1994 г по настоящее время) и ESA на КА THEMIS [4] (c 2007 г. по настоящее время), которые имеют временное разрешение измерений параметров солнечного ветра около 3 с.
В наших измерениях с прибором ВДП на спутнике ИНТЕРБОЛ-1 (1996-2000 гг.) было достигнуто регулярное разрешение измерений потока ионов около 1 с и на отдельных коротких интервалах до 0.06 с (см. [5]). Последующий серьезный прогресс в этом направлении был достигнут с помощью прибора БМСВ (быстрого монитора солнечного ветра), описанного в данной статье.
2. НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперимент "Плазма-Ф" на спутнике Спектр-Р [6, 7] имеет в своем составе плазменный спектрометр БМСВ, задачами которого являются: перманентное мониторирование свойств плазмы солнечного ветра и плазмы магнитослоя; изучение турбулентности солнечного ветра с
очень высоким (рекордным) временным разрешением.
Спутник Спектр-Р [7] был запущен 18.VII.2011 г. на уникальную высокоапогейную орбиту с апогеем около 360 тыс. км, перигеем от нескольких сот км до нескольких десятков тыс. км и периодом обращения в 8.5 суток. Эта орбита удобна для проведения систематических длительных измерений в солнечном ветре и в магнитослое. Ниже будут представлены некоторые примеры данных, получаемых с помощью прибора БМСВ.
3. ПРИНЦИП РАБОТЫ ПРИБОРА БМСВ
Прибор БМСВ был разработан специально для достижения наиболее высокого временного разрешения измерений параметров солнечного ветра — вектора потока ионов, переносной скорости, ионной температуры и плотности ионов в диапазоне энергий от 100 эВ до 3.7 кэВ. На основе анализа работы различных инструментов для изучения солнечного ветра (в частности, анализаторов разного типа) было решено, что наиболее подходящими датчиками для такого прибора будут цилиндры Фарадея [8, 9]. Цилиндр Фарадея является сравнительно простым инструментом, обладающим высокой надежностью и стабильностью своих характеристик, и позволяющим (как показал опыт наших предыдущих экспериментов [10]) проводить абсолютные измерения потоков ионов с весьма высокой скоростью.
Принципиальная схема датчика — цилиндра Фарадея приведена на рис.1. Основными элементами этого датчика являются — корпус с вводами, металлический коллектор, собирающий заряженные частицы, набор сеток (С2, С3), позволяющий сортировать заряженные частицы по знаку заряда и по величине их энергии и две диафрагмы (входная С4 и выходная С1), формирующие угловую диаграмму датчика. Применение металлического коллектора для сбора заряженных частиц вместо вторичных электронных умножителей, хотя и приводит к несколько меньшей чувствительности, но обеспечивает постоянство характеристик и возможность проводить абсолютные измерения потоков заряженных частиц.
Прибор БМСВ включает в себя шесть датчиков (цилиндров Фарадея), которые по назначению и конструкции делятся на две группы. Три датчика первой группы ("осевые") направлены в одну сторону (вдоль главной оси прибора) и предназначены для измерения энергетических спектров потока ионов. Для этого на управляющие сетки этих датчиков подавалось положительное относительно корпуса напряжение, запирающее ионы с энергией на заряд, меньшей приложенного напряжения. Из полученного энергетического распределения ионов солнечного ветра (или маг-нитослоя), в свою очередь, вычисляются основные параметры потока ионов — переносная ско-
С4
Рис. 1. Принципиальная схема датчика — цилиндра Фарадея: С1, С4 — экранирующие сетки (диафрагмы), С2 — супрессорная сетка, С3 — управляющая сетка.
рость, изотропная ионная температура и плотность. Кроме того, при определенных условиях из этого распределения может быть определено относительное содержание в солнечном ветре дважды ионизованных ионов гелия (альфа-частиц).
Три датчика второй группы ("отвернутые") предназначены для быстрого определения величины и направления полного (т.е. интегрального по энергии) вектора потока ионов солнечного ветра (или магнитослоя). Для этого оси датчиков этой группы отклонены от главной оси прибора на 20° и друг от друга на 120°.
Отметим, что прибор БМСВ располагался на спутнике так, чтобы главная ось прибора при любой ориентации спутника была как можно ближе к направлению на Солнце. Для этого прибор БМСВ был установлен на кронштейне крепления солнечной панели, которая при любой ориентации спутника подворачивалась в направлении, близком к направлению на Солнце. Указанное расположение прибора создавало определенные трудности в поддержании его нормального баланса тепла, так как прибор не был в контакте ни с какой поверхностью КА. Для обеспечения требуемого теплового режима были проведены детальные тепловые расчеты, выбрано соответствующее покрытие для теплового радиатора и проведены испытания прибора в вакуумной камере с имитатором Солнца. Измерения температуры прибора в полете подтвердили правильность всех этих расчетов и экспериментов.
4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ ПРИБОРА БМСВ
Вычисление параметров солнечного ветра из измерений коллекторных токов датчиков опирается на вычисления и измерения угловых и энергетических (запирающих) характеристик датчиков.
-K = 5.00
— K = 7.25
K = 10 -K = 30
K = 3
K II 5
— K = 7.25
K = 10
- \ - K = 30
1 1 _]_1_^S^b._1_1
10
20
30
40
50
60 70 а,град
Рис. 2.Примеры различных характеристик датчиков: а —запирающие характеристики "осевого" датчика при различных значениях параметра К (при а = 0°); б —запирающие характеристики "осевого" датчика при различных значениях угла падения а (при К = = 7.25); в —угловые характеристики "отвернутого" датчика при различных значениях параметра К.
Для "осевых" датчиков важнейшими являются их запирающие характеристики, а для "отвернутых" датчиков — их угловые характеристики. При этом определяющими параметрами задачи явля-
ются отношение переносной скорости потока ионов (V0) к их тепловой скорости (Vt), в дальнейшем обозначаемое как параметр К = V0/Vt, и угол падения вектора потока ионов по отношению к оси датчика, в дальнейшем обозначаемый как угол а. Параметр К в данном случае является определяющим в том смысле, что отклики датчиков зависят только от этого параметра, а не отдельно от переносной и тепловой скоростей потока ионов СВ.
На рис. 2а, 2б представлены для примера расчетные (см. ниже) запирающие характеристики "осевого" датчика, т.е зависимость нормированного на максимум коллекторного тока (///0) от отношения запирающего напряжения к переносной энергии потока ионов (U/E0) для различных значений параметра К (рис. 2а) и угла падения потока а (рис. 2б). Видно, что запирающая характеристика датчика изменяется при изменении угла падения потока ионов по отношению к оси датчика, и расширяется при уменьшении параметра К (т.е. при увеличении ионной температуры).
На рис. 2в представлены для примера угловые характеристики, т.е. зависимость нормированного на максимум коллекторного тока (///0) от угла падения потока а для "отвернутых" датчиков при различных значениях параметра К. Видно, что угловая характеристика "отвернутых" датчиков в значительной своей части близка к линейной, что повышает точность определения направления потока, и заметно расширяется с увеличением температуры (уменьшением параметра К).
5. КОНСТРУКЦИЯ, ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ПРИБОРА БМСВ
Основная часть прибора БМСВ представляет собой моноблок с 6 датчиками — цилиндрами Фа-радея на
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.