Схема эксперимента
advertisement
ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПЛАЗМЕ, ОКРУЖАЮЩЕЙ БОРТОВЫЕ АНТЕНННЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ М.Е. Гущин Д.А. Одзерихо Лабораторное моделирование Большой выбор исследовательской аппаратуры Возможность измерений с высоким пространственным и временным разрешением Оперативность обработки результатов и корректирования постановки эксперимента Меньшие денежные затраты Лабораторное моделирование Постулат #1. Скорости частиц должны быть одинаковы в космической и лабораторной плазме Постулат #2. Масштабный множитель равен отношению характерных масштабов плазменных процессов в космосе и лабораторной плазме Аlab/Aspace Характерные параметры 1 Скорости и энергии частиц, Частоты, обратные длины волн, электрические и магнитные поля, обратные длины антенн 2 Плотность энергии, зарядов, токов Лабораторное моделирование Отношение длины свободного пробега частицы плазмы к длине антенны в зависимости от масштабного множителя Длина антенны L = 10 м Концентрация лабораторной плазмы в зависимости от масштабного множителя = Lкосм/Lлаб lei/L >> 1 (как в космосе) Оптимальные значения 1001000 Лабораторное моделирование Параметр Ионосфера на высоте h = 1000 км Лабораторная плазма = 300 1010 Лабораторная плазма = 100 Плотность плазмы, см-3 105 Температура электронов, эВ 0.3 0.3 0.3 Магнитное поле, Гс 0.3 100 30 Рабочие частоты, МГц 0.0011 0.3300 0.1100 Длина антенны L, см 103 3 10 lei/L 103 4 12 109 Экспериментальный плазменный стенд «КРОТ» 1 – система вакуумной накачки 2 – система напуска рабочего газа 3 – плазмосоздающие генераторы 4 – соленоид 5 – двойной зонд 6 – рамочная антенна 7 – зонд с СВЧ резонатором 8 – дипольная антенна Диагностическая система зондов с СВЧ резонаторами на отрезке двухпроводной линии Принципиальная схема зонда с СВЧ резонатором на отрезке двухпроводной линии 2 pe 1 2 c 2 res pe ... ne ... 2l 2 2 res 02 pe res Резонансная кривая СВЧ зонда с вакуумной резонансной частотой fres = 600 МГц Добротность Q ≈ 300 Диагностическая система зондов: fres = 600 МГц, 2.8 ГГц, 8 ГГц Диагностическая система зондов с СВЧ резонаторами на отрезке двухпроводной линии Распад плазмы во внешнем магнитном поле, измеренный диагностической системой зондов Измерение нестационарных локальных возмущений магнитного поля методом магнитного зонда N 6 витков d 18 мм 40 нс B 10 5 Гс Схема включения магнитных зондов: ФНЧ – 7 и 10 МГц Режекторный фильтр – 75 МГц Усилитель – 58 dB Результаты экспериментов ЭЦР нагрев плазмы в ближнем поле рамочной антенны Схема эксперимента Импульс накачки Fнакачки = 75 МГц Pнакачки = 250 Вт Сигнал с магнитного зонда при воздействии сигнала накачки Диамагнитный сигнал Измерения напротив витков рамочной антенны B10-2 Гс Результаты экспериментов ЭЦР нагрев плазмы в ближнем поле рамочной антенны Зависимость регистрируемого диамагнитного эффекта от отношения /ce, где частота поля накачки, ce – электронная циклотронная частота. Ясно видны резонансы на первой и второй гармонике ce. Результаты экспериментов ЭЦР нагрев плазмы в ближнем поле рамочной антенны Поперечная структура диамагнитного сигнала напротив рамочной антенны при различных концентрациях N фоновой плазмы. Положение минимумов соответствует позициям напротив витков рамочной антенны Оценка увеличения энергосодержания плазмы: 2 W B02 B0 B 1 neTe neTe W W0 8 8 Результаты экспериментов Импеданс рамочной антенны в условиях ЭЦР Зависимость амплитуды сигнала, отраженного от рамочной антенны, помещенной в плазму, от отношения f/fce. Частота накачки f фиксирована, изменяется значение внешнего магнитного поля. Излом соответствует f/fce. = 1 Нормированная амплитуда отраженной волны в тракте рамочной антенны в зависимости от частоты сигнала при фиксированных параметрах плазмы и величине магнитного поля. Подсогласование при f/fce. = 1 Величина поглощения в плазме ~0.1 подводимой мощности Результаты экспериментов ЭЦР нагрев плазмы в ближнем поле электрической дипольной антенны Схема эксперимента (1) – электрическая дипольная антенна Размах усов – 58 мм (2) – магнитный зонд Приборы ориентированы перпендикулярно внешнему магнитному полю Величина диамагнитного сигнала в эксперименте по ЭЦР нагреву плазмы вблизи электрической дипольной антенны Импульс накачки Fнакачки = 75 МГц Pнакачки = 150 Вт Диамагнитный сигнал B210-4 Гс Результаты экспериментов Возбуждение НЧ волн при амплитудно-модулированном ЭЦР нагреве плазмы Схема эксперимента (а) fam = 2.2 МГц z = 3.5 см z (б) (1) – излучающая антенна (2) – приемная антенна z = 64 см Приборы ориентированы перпендикулярно внешнему магнитному полю fam = 110 МГц P = 100200 Вт fam = 1 МГц, 3.95 МГц, 7.05 МГц Заключение 1. 2. 3. 4. Выработаны критерии масштабного лабораторного моделирования физических явлений в плазме, окружающей бортовые антенн космических аппаратов. В качестве масштабного множителя, используемого при пересчете масштабируемых параметров плазмы из космических условий в лабораторные, выбрано отношение размеров бортовой антенны КА (l) и ее модели (L): =l/L. Показано, что значения масштабного множителя в интервале 1001000 оптимальны для лабораторного моделирования физических процессов в плазме, окружающей антенные устройства КА: такие масштабные множители обеспечивают удобные размеры моделей антенн (~10 см), меньшие длин свободного пробега частиц плазмы. Для диагностики плотности плазмы создана система зондов с СВЧ резонаторами на отрезках двухпроводных линий с различными резонансными частотами, позволяющая выполнять измерения в интервале концентраций от 5107 см-3 до 51012 см-3 . Такой диапазон изменения концентрации необходим для моделирования околоземной плазмы с масштабным множителем =1001000 Исследован эффект ЭЦР нагрева плазмы в ближнем поле рамочных и электрических дипольных антенн. В качестве индикатора передачи энергии от высокочастотного поля заряженным частицам при ЭЦР нагреве используется диамагнитный эффект, регистрируемый магнитным зондом. Показано, что энергосодержание плазмы в результате ЭЦР нагрева увеличивается практически вдвое. Рефлектометрические измерения показывают наличие подсогласования в тракте антенны при ее работе на частотах, близких к частоте ЭЦР. Продемонстрирована возможность возбуждения низкочастотных свистовых волн при ЭЦР нагреве плазмы амплитудно-модулированной накачкой. Подробное изучение вопроса о возможном возбуждении низкочастотных волн при модулированном ЭЦР нагреве плазмы с борта КА при проведении активных экспериментов будет предпринято в дальнейшем.
