ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2007, том 33, № 12, с. 1086-1106
ПУЧКИ ПЛАЗМЕ
УДК 533.9.15
РАЗВИТИЕ ПУЧКОВОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ИНЖЕКЦИИ СЛАБОЭНЕРГИЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА
В ИОНОСФЕРНУЮ ПЛАЗМУ
© 2007 г. Н. В. Баранец, Я. П. Соболев, М. Чобану*, Я. Войта**, Я. Шмилауэр**, 3. Клос***, X. Роткель***, А. Кирага***, К. Кудела****, Я. Матишин****, В. В. Афонин*****, Б. С. Рябов, Н. В. Исаев
Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН,
Троицк, Московская обл., Россия *Институт гравитации и космических наук, Бухарест, Румыния **Институт физики атмосферы АН ЧР, Прага, Чехия ***Центр космических исследований ПАН, Варшава, Польша ****Институт экспериментальной физики САН, Кошице, Словакия *****Институт космических исследований РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 05.12.2006 г. Окончательный вариант получен 16.04.2007 г.
Представлены результаты активного эксперимента с инжекцией пучков заряженных частиц в ионосферную плазму, проведенного в 1992 г. на спутниках Интеркосмос-25 и его дочернем спутнике Ма-гион-3 (АПЭКС). Основной особенностью этого эксперимента была такая конфигурация инжек-ций ионного и электронного пучков, при которой потоки заряженных частиц были ориентированы в одном направлении вдоль магнитного поля, вверх от Земли. Наиболее интересные результаты связаны с возбуждением волн в ВЧ- и ОНЧ-НЧ-диапазонах, зарегистрированных на обоих спутниках, а также с возбуждением потоков энергичных частиц.
PACS: 52.35.Qz
1. ВВЕДЕНИЕ
Основное внимание в изучении активного эксперимента с инжекцией пучков заряженных частиц, проведенного на Автоматической универсальной орбитальной станции (АУОС) ИК-25, было уделено электронной смодулированной инжекции при работе электронного ускорителя УЭМ, которая проводилась одновременно с инжекцией струи квазинейтральной плазмы ксенона и напуска нейтрального газа ксенона ускорителем УПМ [1, 2]. Совместная работа ускорителей приводила к суперпозиции эффектов воздействия на околоспутниковую плазму, что вызывало трудности при их интерпретации. Отдельные режимы работы ускорителей были асинхронными, что давало возможность разделить пространственно-временные эффекты при инжекции пучков. Это было продемонстрировано по результатам проведенного эксперимента на витке 277, особенностью которого была такая конфигурация питч-углов инжекций, при которой потоки частиц вдоль магнитного поля распространялись в противоположных направлениях. В настоящей работе рассмотрен другой случай инжекций пучков, при котором потоки частиц были направлены в одном направлении вдоль магнитного поля,
т.е. одновременная инжекция частиц вдоль магнитного поля В0 представляла собой структуру "пучок в пучке" в ионосферной плазме. Развитие пучково-плазменной неустойчивости (ППН) в этих условиях вызывает особый интерес, так как инжекция электронного пучка сквозь ионный имеет четко выраженную пространственно-временную структуру. Взаимное влияние инжекций на развитие неустойчивости может быть существенным в том случае, если рассматривается возбуждение волн в близких частотных диапазонах, или существует параметрическая связь возбуждаемых волн. В этой работе основное внимание уделено изучению высокочастотной пучковой неустойчивости при инжекции электронного пучка.
Полученные ранее результаты [1] по возбуждению квазистационарных магнитных полей при инжекции электронов также остаются предметом изучения настоящей работы, так как повторяются в несколько иной форме и в других условиях эксперимента. Некоторые эффекты при инжекции электронного пучка наиболее ярко выражены вблизи спутника в области с повышенным уровнем ионно-звуковой и ленгмюровской турбулентности, стимулирующей процессы фокусировки инжектированного электронного пуч-
Основные характеристики плазменно-пучковой системы в ионосфере
Плотность невозмущенной плазмы, см-3 П0 - п1Х(¥< 1В) (3-4) х 103
Компоненты температуры электронов в невозмущенной плазме, К т т т * ех * еу * е2 2000, 1050, 1000
Электронный радиус Дебая, см гВе 9-14
Ток инжекции ионов ксенона и электронов, А !ы, Ье 2.1-2.4, 0.1
Максимальное ускоряющее напряжение электронов, кВ Ц 10
23-сек циклы переключения мощности инжекции, % Ьеи0 30, 60, 90
Альфвеновская, потоковая скорость электронов и ионов ксенона, м/с Мд, Ы, Ы^ 7.5 х 106, 4.2 х 107, 1.1 х 104
Средние поперечные размеры ионного и электронного пучков, м Г г ' сх> ' се 280, 11
Толщина ионного и электронного цилиндрического потоков, м сх се 150-210, 1.3-2.5
Оценка плотности инжектированных электронов (60% мощности) и ионов ксенона, см-3 nbe, пЪ1 40-300, (3-5) х 103
Гирочастота ионов ксенона, Гц ®сх 14-20
Плазменная частота ионного пучка, Гц ®рх 13-16
Гирочастота водородной компоненты плазмы, кГц ®С1 1.9-2.5
Плазменная частота водородной компоненты плазмы, МГц %1 0.09-0.11
Электронная гирочастота, МГц ®се 3.4-4.4
Электронная плазменная частота невозмущенной плазмы, МГц ®ре 5.6-6.5
Плазменная частота электронов пучка в режиме йс-инжекции, МГц ®Ъе 0.4-0.9
Частота модуляции электронного тока инжекции: 1 с (йс), 2-12 с (ас), Гц ат/2к 32-250000
Длительность микроимпульса инжекции электронного пучка в режиме ас, мкс Ти 2
ка. Другие распределены на всем пространстве взаимодействия и с большей вероятностью могут быть обнаружены на субспутнике. По многим параметрам электронной инжекции наиболее схожим является ракетно-зондовый эксперимент Полар-5, проведенный по схеме мать-дитя [3]. Основные задачи первых спутниковых экспериментов с использованием маломощных электронных ускорителей связаны с управлением потенциала корпуса спутника с проводящей поверхностью для уменьшения влияния его отрицательного заряда на измерения электрических полей, с изучением процессов возбуждения плазменных волн в ионосфере, а также для диагностики продольных электрических полей в магнитосфере. Результаты этих экспериментов изложены в многочисленных работах и обзорах (см., например, [4, 5]).
2. НАУЧНАЯ АППАРАТУРА И КОНФИГУРАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА В ПРОСТРАНСТВЕ
Кратко опишем наиболее характерные особенности приборов, данные которых использу-
ются в работе. Инжектором ионов по своему типу был ускоритель с замкнутым дрейфом электронов и продольным ускорением ионов ксенона (УЗДП) с током 2.0-2.6 А, энергией до 250 эВ и отличался от аналогичных, используемых в качестве двигательных установок, только большим раствором питч-углов. Электронный ускоритель (ЭУ) представлял собой прямоканальную, трех-электродную пушку, работающую в режиме перебора частот модуляции в диапазоне 32 Гц-25 кГц (2-12 секунда) после 1-ой секунды йе-ин-жекции и секундными интервалами между циклами инжекций. Управляющий электрод пушки обеспечивал 100%-ую глубину модуляции электронного пучка по току, формируя элементарные микроимпульсы длительностью 2 мкс. Основные характеристики инжекторов приведены в таблице. Измерения компонент квазипостоянного электрического поля Ех,^ 2 (0.1-2, 0.1-10 Гц) проводились прибором ДЭП-2, а переменных электрических ОнЧ-полей е^ (8 Гц-15.0 кГц) с помощью волнового комплекса НВК-ОНЧ. Для этого использовалась система двойных электрических зондов, сигнал с которых подавался на оба прибора. Например, измерение компонент квазипосто-
Рис. 1. Схематическое расположение в спутниковых системах координат X, У, 2 и х',у', 2 для станции ИК-25 и субспутника Магион-3 направлений инжекции электронного пучка (е-), квазинейтральной плазмы и газа ксенона (Хе), датчиков для измерения электрического поля ЕД1-ЕД5 и ед1, ед2 на субспутнике, комплексов для измерения параметров тепловой плазмы КМ-10 и КМ-13, детекторов для измерения высокоэнергичных протонов 1р, 2р и электронов 1е, 2е спектрометром ДОК-С. Здесь В0 и - ориентация квазипостоянного магнитного поля и вектора скорости спутника ИК-25, а а.ре, ор - питч-углы инжекции электронного пучка и ионов ксенона.
янного поля Ех и Е2 проводилось с помощью зондов ЕД4, ЕД5 и ЕД3, ЕД4 соответственно (рис. 1). Для измерения магнитной компоненты ОНЧ-волн Ьц (8 Гц-15.0 кГц) в комплексе НВК-ОНЧ использовался отдельный трехкомпонентный магнитный датчик. Измерения компонент магнитного поля на основной станции и субспутнике проводились феррозондовыми магнитометрами СГР-5 и СГР-6 с точностью 1 нТ и 2/16 нТ соответственно. (На субспутнике точность измерений переключалась автоматически в зависимости от реальной величины магнитного поля В.) Измерение электронной температуры Те и ионного распределения тепловой плазмы п^(V) на станции и субспутнике производилось с помощью комплексов КМ-10 и КМ-13, где 0 < V < 12 В - свиппирую-щее напряжение на сетке ионных ловушек. В условиях сильно возмущенной плазмы корректнее говорить о плотности потоков ионов по X- и 2-направлениям. Запись электрической ВЧ-волновой активности на субспутнике Магион-3 в диапазоне 0.1-10 МГц проводилась приемником ПРС-С по 198 ступеням регистрации с полосой пропускания 50 кГц и пороговой чувствительностью 26 дБ/мкВ. Сигнал принимался дипольной антенной типа симметричный вибратор с общей длиной 3 м, а полный спектр ВЧ электрического поля еАу записывался за 0.2 с. Из измерений на субспутнике представлены также дифференциальные потоки энергичных электронов и протонов (спектрометр ДОК-С) для 8 энергетических ступеней в диапазоне энергий 25-420 и 20-1300 кэВ
соответственно. Для регистрации энергичных частиц на субспутнике датчики 1Е, 1Р и 2Е, 2Р были ориентированы по двум взаимоперпендикулярным направлениям. Вычисление питч-углов инжекции заряженных частиц ар, углов ориентации вектора скорости спутника уж, магнитного поля
В0, а также угла в3 = в3(В0, V2) в системе координат X, У, 2 (ось 2 направлена вдоль корпуса спутника ИК-25) проводилось по измерениям солнечного и магнитного бортовых датчиков. Питч-углы регистрации энергичных частиц спектрометром ДОК-С ар1, ар2 для ортогональных направлений 1 и 2 на субспутнике, углы ф' между полем В0 и дипольной антенной, а также в1 = в1 (В0, Vх') определялись по данным магнитометра СГР-6 в спутниковой системе координат х', у', 2 для Магион-3. Все компонентные измерения в спутниковых системах координат X, У, 2 и х', у', 2 преобразованы относител
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.