Параметрическая генерация низкочастотных волн электронами плазмы, ускоренными в условиях электронно-циклотронного резонанса Д.А. Одзерихо Научный руководитель: М.E. Гущин

2 SAP = S ounder A ccelerated P articles Параметры бортовых передатчиков КА для внешнего радиоимпульсного зондирования ионосферы КАМощность P (Вт) Рабочая частота f (MГц) Длина антенны L (м) Длительность импульса (мкс) Высота полета H (км) ИСЗ Alouette 100/ … … 2400 ИСЗ ISIS 100/ … / ИСЗ Интеркосмос … … 1650/ … 1000 ИСЗ Космос … … 1650/ Ракета OEDIPUS C … … 1200

3 Поток ускоренных электронов в канале E=130эВ f=f ce f=f pe F.K.Shuiskaya, Yu.I.Galperin, A.A.Serov et al., Planet. Sp. Sci., 38, 173 (1990) Генерация потоков ускоренных частиц при приближении частоты передатчика к «главным» резонансным частотам плазмы Ускорение электронов в ближней зоне мощных антенных систем космического базирования ИНТЕРКОСМОС-19

4 f pe /f ce f/f ce Ускорение электронов в ближней зоне мощных антенных систем космического базирования Положение максимумов энергетического спектра ускоренных электронов в зависимости от рабочей частоты передатчика и главных резонансных частот ионосферной плазмы 1 гармоника ЭЦР

5 Набор электронами поперечной энергии при пролете ближней зоны антенны Ускорение электронов в условиях электронно- циклотронного резонанса (ЭЦР), т.е. при совпадении частоты передатчика f с электронной циклотронной частотой f ce и ее гармониками nf ce Увеличение магнитного момента электронов Диамагнитный эффект Возмущение магнитного поля в силовых трубках, опирающихся на антенну: B ~ – 4 n*E /B 0, где n* – концентрация ускоренных электронов, E – средняя поперечная энергия ускоренных частиц Диамагнитный эффект

6 В этом случае формируется протяженная параметрическая («бестелесная») антенна, излучающая волны на частоте модуляции в окружающую (невозмущенную) плазму. Достоинства: Геометрические размеры «параметрической» могут быть очень велики, что повышает эффективность генерации НЧ волн. Из-за диамагнитного эффекта в возмущенной области плазмы формируется крупномасштабная система замкнутых поперечных токов – реализуются условия для возбуждения НЧ волн электромагнитного типа (например, свистовых или альфвеновских). Имеется возможность перестройки частоты НЧ излучения в широком диапазоне. НЧ волны Циклотронное ускорение тепловых электронов замагниченной плазмы, проходящих через ближнюю зону антенны Идея: модуляция потока ускоренных электронов при амплитудной модуляции ВЧ сигнала, подводимого к антенне.

7 Плазменный стенд «Крот»

8 Индукционный ВЧ источник плазмы f =5 МГц 4 генератора, P = 1 МВт каждый t p = 1.5 мс Источник магнитного поля Емкостной накопитель, E = 1 МДж B 0 = 0 … 1000 Гс Предельный вакуумp = 3 x Тор Рабочий газAr, He, Ne, H 2 Давление рабочего газаp = 1 x … 5 x Тор Размеры замагниченной плазмыдлина 5 м, диаметр 1.5 м Концентрация плазмыn e = 10 6 … см -3 Температура электроновT e = 0.1 … 10 эВ Плазменный стенд «Крот»

9 Преобразования подобия – H.Alfven, C.-G.Falthammar Постулат #1: равенство скоростей v и энергий E направленного движения частиц в лаборатории и в космосе Постулат #2: масштабный множитель вводится как отношение характерных пространственных масштабов исследуемого явления в космосе и в лаборатории Из уравнений Максвелла и уравнений движения: Физический параметр Масштабный коэффициент Скорость направленного движения частиц, температура, энергия, фазовая и групповая скорость волн, … 1 Частота излучения, длина волны -1, радиус Дебая -1, гирорадиус -1, электрическое и магнитное поля, … Концентрация плазмы, плотность тока, плотность энергии, … 2 Масштабное лабораторное моделирование физических явлений в околоземной плазме

10 Параметры модельного лабораторного эксперимента Физический параметрИоносфераЛабораторная плазма Расчет ( = 100) Фактические параметры на стенде Крот Концентрация плазмы n e (см -3 )10 3 … … …10 11 Температура электронов T e (эВ)0.1 … … 3 Магнитное поле B (Гс)0.2 … … 5010 … 100 Частота передатчика f (МГц)0.1 … 2010 … … 85 Мощность передатчика P (Вт)10 … Размер антенны L (см)10 3 … … 1007 Длина свободного пробега электронов ei (см) 10 4 … … … 10 3

11 Схема экспериментов Диагностика концентрации плазмы – зонд с СВЧ-резонатором Диагностика электронной температуры – двойной зонд Источник ВЧ накачки Аппаратура для измерения НЧ полей Накачка: f =65…85МГц n e = 10 9 …10 11 см -3 T e = 0.3…1.5 эВ B 0 = 10…100 Гс f f

12 (а) Осциллограмма импульса накачки (P = 300 Вт, f = 68.5 МГц ~ f ce ) (b) Неинтегрированный сигнал с магнитного зонда, полученный на расстоянии z = 3.5 см от плоскости рамочной антенны (D = 7 см), в условиях ЭЦР (c) Осциллограмма возмущения магнитного поля B(t), обусловленного диамагнитным эффектом в условиях ЭЦР Экспериментальные результаты Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР При мощности накачки P ~ 300 Вт уровень диамагнитных возмущений вблизи антенны B/B 0 ~ ; протяженность возмущенной области вдоль направления внешнего магнитного поля – порядка длины свободного пробега электронов (30…500 см в условиях эксперимента)

13 Возмущение магнитного поля B (мГс) в зависимости от отношения частоты импульса накачки f к электронной циклотронной частоте f ce. Концентрация плазмы n e ~ см -3 Частота накачки f = 68.5 МГц Экспериментальные результаты Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР Основной резонанс (f ce ): несимметрично уширен в область низких частот (f < f ce ) за счет возбуждения свистовых волн и, соответственно, увеличения эффективных размеров области взаимодействия электронов с ВЧ полем Резонанс на второй гармонике (2f ce ): уширение обусловлено конечным временем пролета электронов с невозмущенной продольной (тепловой) скоростью через ближнюю зону антенны f/f ~ v Te /2Df ce ~ 5 x 10 -2

14 Экспериментальные результаты Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР Поперечное распределение диамагнитных возмущений, формируемых в условиях ЭЦР (f = f ce ), при двух ориентациях антенны накачки: черная кривая (1) – плоскость антенны перпендикулярна внешнему магнитному полю B 0 ; красная кривая (2) – плоскость антенны параллельна B 0. B0B0 B0B0 Поперечное распределение аксиальной (B z ) и азимутальной (B ) составляющих магнитных возмущений, формируемых в условиях ЭЦР (f = f ce ), для рамочной антенны с плоскостью, перпендикулярной внешнему магнитному полю B 0. Продольные токи j z Азимутальные (диамагнитные) токи j

15 Экспериментальные результаты Возбуждение низкочастотных волн амплитудно-модулированной накачкой в условиях ЭЦР Осциллограммы НЧ волн свистового диапазона, возбуждаемых при различных частотах модуляции накачки f m, и регистрируемых при различных радиальных позициях измерительной антенны. Возбуждаются волны свистового диапазона с частотами f m /f ce ~ …10 -2 и амплитудой B ~ Гс, которые регистрируются по всему сечению плазменного столба! V perp = 10 7 …10 8 см/с

16 Экспериментальные результаты Возбуждение низкочастотных волн амплитудно-модулированной накачкой в условиях ЭЦР V paral = 10 8 …10 9 см/с > (>>) V perp волновой вектор практически перпендикулярен к внешнему магнитному полю Осциллограммы НЧ сигналов (неинтегрированный сигнал с магнитного зонда), возбуждаемых на частоте f m =200 кГц, и регистрируемых при различных аксиальных позициях измерительной антенны (r ~ 3 см).

17 Экспериментальные результаты Возбуждение низкочастотных волн амплитудно-модулированной накачкой в условиях ЭЦР Зависимость поперечной фазовой скорости параметрически возбуждаемых НЧ волн свистового диапазона от частоты F= f m. На низких частотах наблюдается преимущественное возбуждение косых свистовых волн с волновым вектором, практически перпендикулярным к направлению внешнего магнитного поля (волны конической рефракции, Gendrin mode). V perp ~ c f m /f pe КВАЗИПРОДОЛЬНЫЕ CВИСТОВЫЕ ВОЛНЫ ВОЛНЫ КОНИЧЕСКОЙ РЕФРАКЦИИ

18 Экспериментальные результаты Возбуждение низкочастотных волн амплитудно-модулированной накачкой в условиях ЭЦР (a) Радиальное распределение амплитуды НЧ волн, возбуждаемых амплитудно- модулированной накачкой (P=300 Вт, f = f ce = 66 МГц), при различных частотах модуляции f m, в сечении z = 48 см. (b) Радиальное распределение амплитуды пробных НЧ волн, возбуждаемых при непосредственной подаче НЧ сигнала на рамочную антенну, на тех же частотах в том же сечении. Параметрическая схема генерации позволяет возбудить НЧ волны в существенно большей области плазмы, чем при непосредственной подаче НЧ сигнала на антенну.

19 Экспериментальные результаты Возбуждение низкочастотных волн амплитудно-модулированной накачкой в условиях ЭЦР (a) Амплитуда НЧ волн свистового диапазо- на на частотах F = f m, возбуждаемых амплитуд- но-модулированным ВЧ сигналом (f = 66.5 МГц, P = 300 Вт), в зависимости от отношения f/f ce ; из- мерения выполнены на расстоянии z = 64 см от ан- тенны вблизи оси плазменного столба r = 0 см. (b) Амплитуда НЧ волн свистового диапазона на часто- те F = f m = 200 кГц, возбуждаемых амплитудно- модулированным ВЧ сигналом, в зависимости от от- ношения f/f ce в сечении z = 64 см при различных радиальных позициях r измерительного зонда (на периферии плазменного столба). Амплитуда возбуждаемых волн свистового диапазона максимальна в условиях ЭЦР.

20 Оценки предельных параметров квазистационарных и НЧ магнитных полей в активном ионосферном эксперименте Мощность P (Вт) Длина антенны L (м) Частота модуляции F (кГц) Диамагнитные возмущения в силовой трубке, опирающейся на антенну B (нТл) Амплитуда магнитной компоненты в НЧ волнах B (нТл) Лабораторный эксперимент 10 2 … … … …10 2 Ионосфера 10 2 … … … …10 0 Масштабный множитель = 100 Уровень диамагнитных возмущений в силовой трубке, содержащей ускоренные электроны, сопоставим с возмущениями при прямой инжекции сильноточного (0.1 А) энергичного (10 кэВ) электронного пучка с борта КА В.Н. Ораевский, Я.П. Соболев, Л.Н. Жузгов и др., Физика плазмы, 27, 343 (2001)

21 Численное моделирование Модельная задача: ЭЦР ускорение невзаимодействующих электронов во внешнем однородном магнитном роле импульсом ВЧ накачки Основные параметры моделирования Величина Магнитное поле25 Гс Напряженность импульса накачки 3 В/см Плотность электронов10 10 см -3 Начальная температура электронов 1 эВ Длина области расчета2 м Длительность импульса1 мкс Длина импульса1 см Верное описание процессов релаксации энергии с характерными временами < 4 µs

22 Численное моделирование Ускоренные электроны (с энергиями ~ 50÷70 эВ) образуют хвост начальной функции распределения; доля таких электронов ~1%; сама функция распределения сдвигается как целое в область более высоких энергий. Динамика во времени функции распределения электронов по поперечной скорости в точке z = 3.5 см (a) t = 1 µs (b) t = 1.5 µs (c) t = 1.9 µs (d) t = 2.4 µs

23 Численное моделирование Резкие выбросы образованы медленными электронами (v || ~10 5 см/с), эффективность ускорения которых в условиях ЭЦР выше, чем электронов с v || v Te ~ см/с, однако, эти не электроны не дают вклада в НЧ возмущение магнитного поля Температура электронов T увеличивается в среднем в 1,5 раза. Оценка для величины диамагнитного возмущения: B = 4 n e T /B 0 ~ 2 мГс (a) Временной профиль напряженности импульса накачки в точке z = 0 см (b) Зависимость средней энергии электронов T от времени в точке z = 3.5 см

24 5.Заключение 1.Экспериментально исследовано ускорение электронов замагниченной плазмы, проходящих через ближнюю зону антенны, в условиях ЭЦР. Показано, что ускорение электронов происходит преимущественно в направлении поперек внешнего магнитного поля, и сопровождается диамагнитным эффектом: уменьшением индукции внешнего магнитного поля в области плазмы, содержащей ускоренные заряженные частицы. 2.При периодическом изменении потока ускоренных электронов, осуществляемом модулированным на низкой частоте полем накачки в условиях ЭЦР, наблюдается возбуждение волн свистового диапазона на частоте модуляции. Формируемая таким образом крупномасштабная излучающая токовая структура представляет собой параметрическую («бестелесную») антенну, которая возбуждает низкочастотные волны в большей области плазмы, чем обычная компактная антенна, к которой подводится низкочастотный сигнал. 3.Результаты предварительного численного моделирования процесса ЭЦР ускорения электронов мощным импульсов ВЧ накачки показали, что ускоренные электроны, дающие основной вклад в НЧ возмущение внешнего поля, составляют малую долю (менее 1%) от общей концентрации плазмы и образуютхвост изначальной функции распределения электронов по поперечной скорости.

25 Диамагнитный эффект B в зависимости от отношения частоты импульса накачки f к электронной циклотронной частоте f ce для нескольких значений концентрации плазмы. 3.Экспериментальные результаты 3.1.Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР Диамагнитный эффект B в зависимости от величины внешнего магнитного поля B для различных частот накачки f

26 3.Экспериментальные результаты 3.1.Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР Диамагнитный эффект в зависимости от уровня мощности P, подводимой к антенне; точки – экспериментальные результаты, прямая – линейная аппроксимация.

27 3.Экспериментальные результаты 3.1.Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР Поперечное распределение диамагнитных возмущений, формируемых в условиях ЭЦР (f = f ce ), при различных значениях концентрации плазмы n e : (1) - Поперечное распределение диамагнитных возмущений, формируемых в условиях ЭЦР на второй гармонике (f =2 f ce ) Поперечная структура диамагнитных возмущений воспроизводит распределение поперечных (E, E r ) электрических полей в ближней зоне антенны

28 (a) z = 48 см; (b) z = 64 см НЧ возмущения магнитного поля (B z компонента), вызываемые ВЧ импульсом (P=300Вт, f=68.5МГц, =500нс), регистрируемые при различных радиальных позициях магнитного зонда. Концентрация плазмы n e =1 х см -3, магнитное поле B 0 =25 Гс Вдали от антенны НЧ возмущения магнитного поля представляют собой волны свистового диапазона с частотами, определяемыми спектром огибающей импульса накачки! 3.Экспериментальные результаты 3.1.Диамагнитные возмущения, формируемые одиночным радиоимпульсом в условиях ЭЦР

29 Мощность P (Вт) Рабочая частота f (MГц) Длина антенны L (м) Длительность импульса (мкс) Частота повторения импульсов F (Гц) Высота полета H (км) … 20~ (300) /800 ФЦП «Геофизика»: запуск 4 спутников с ионозондами на борту (до 2015 г.) Преимущества: (1)имеется возможность точной настройки в резонанс (циклотронный или плазменный) в «реальном» времени по результатам оперативной обработки ионограмм и текущим показаниям бортовых приборов; (2)имеются бортовой низкочастотный измерительный комплекс и анализаторы частиц; (3)наличие приемных пунктов (ОНЧ) вдоль проекции орбиты спутника на поверхность Земли Недостатки: (1)низкая пиковая мощность (на порядок меньше, чем у ионозондов предыдущего поколения); (2)высокая скважность (около 10). 4.Активный ионосферный эксперимент 4.2.Параметры планируемого ионосферного эксперимента