ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В ПЛАЗМЕ, ОКРУЖАЮЩЕЙ БОРТОВЫЕ АНТЕНННЫ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ М. Е. ГущинД. 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

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 = L косм /L лаб l ei /L >> 1 ( как в космосе ) Оптимальные значения

Лабораторное моделирование

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 Резонансная кривая СВЧ зонда с вакуумной резонансной частотой f res = 600 МГц Добротность Q 300 Диагностическая система зондов: f res = 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 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 B 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 :

Результаты экспериментов Импеданс рамочной антенны в условиях ЭЦР Зависимость амплитуды сигнала, отраженного от рамочной антенны, помещенной в плазму, от отношения f/f ce. Частота накачки f фиксирована, изменяется значение внешнего магнитного поля. Излом соответствует f/f ce. = 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/f ce. = 1 Величина поглощения в плазме ~0.1 подводимой мощности

Результаты экспериментов ЭЦР нагрев плазмы в ближнем поле электрической дипольной антенны Схема эксперимента Величина диамагнитного сигнала в эксперименте по ЭЦР нагреву плазмы вблизи электрической дипольной антенны (1)– электрическая дипольная антенна Размах усов – 58 мм (2) – магнитный зонд Приборы ориентированы перпендикулярно внешнему магнитному полю Импульс накачки Fнакачки = 75 МГц Pнакачки = 150 Вт Диамагнитный сигнал B Гс

Результаты экспериментов Возбуждение НЧ волн при амплитудно - модулированном ЭЦР нагреве плазмы Схема эксперимента (1) – излучающая антенна (2) – приемная антенна Приборы ориентированы перпендикулярно внешнему магнитному полю f am = 1 10 МГц P = Вт (а) (б) f am = 1 МГц, 3.95 МГц, 7.05 МГц z z = 64 см z = 3.5 см f am = 2.2 МГц

Заключение 1. 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 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. 2. 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 см -3 до см -3. Такой диапазон изменения концентрации необходим для моделирования околоземной плазмы с масштабным множителем = 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. 4. 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.