Введение к работе
Актуальность темы. С освоением космического пространства появивсь возможность использования орбитальных станций и спутников для іобального информационно-измерительного мониторинга Земли и зносферы. Ряд натурных эксг.эриментов, проведанных в последние эсятилетия показал зависимость физических свойств ионосферы, экапьных распределений электрических и магнитных полей от тектони-зских и антропогенных воздействий. В частности, сдеиги слоев Земной >ры и их деформация приводит к появлению за счет пьеэоэлектричес-IX свойств материалов коры медленно-меняющихся электромагнитных' злей, изменяющих картину распределения и магнитного и электричес-эго поля в ионосфере. В тоже время, любой объект, двигающийся в оносферэ, будет иметь как собственную внешнюю атмосферу (СВА), зк и создавать локальные электрические и магнитные возмущения, Ьразмеримые по величине с полями, которые требуется измерить. Іозтому, в настоящее время весьма актуальной является разработка эмеритальной аппаратуры, способной осуществлять дистанционные змерения параметров невозмущенной ионосферы. Одно из разраба-ываемых в настоящее время направлений - создание измерительных истем, осуществляющих инжэкцию электронных пучков вблизи орби-альной станции, движущейся в ионосфере и определение с их омощью характеристик окружающей среды и полей по параметрам извращенного пучка. В диссертационной работе рассматриваются !етоды и устройства, требуемые для создания систем такого типа.
При проведении дистанционных измерений параметров ионосферы пределенную сложность представляют две проблемы : . Фокусировка и управление движением электронного пучка на начальны участке траоктории. .'. Селектис.чый прием возвращенного потока.
Первая-проблема на может быть решена общ известными методами рокусировки электронных потоков (магнитным или электрическим квад-іупсльньїм), так как при этом требуются установка на'асем протяжении »бласти фокусировки механических сметем, электрически связанных со станцией, что внесет существенные искажения в измеряемые поля. Іозтому в диссертации предлагается и разрабатывается способ дистан-(ионного воздействия на электронный * поток за счет использования інтегральной (усредненной) силы, возникающей в лространстванно-(эоднородном пола бегущей электромагнитной волны.
Решение второй проблемы осложнено явлением НбТекания на элементы станции тепловых электронов из дебаевского слоя. В зависимости от параметров ионосо>еры и характеристик инжектируемого пучка величина этого тока и связанного с ним перезаряде станции может меняться в широких пределах, что создает существенные сложности при приеме и определении параметров возвращенного пучка. В работе для преодоления этих явлений предлагается и разрабатывается специальная система, позволяющая выделять полезный сигнал за счет селекции по энергиям электронов принимаемого пучка.
Целью работы является разработка и создание устройств и методов расчета, используемых при проведении активных измерений параметров магнитных полей в ионосфере путем энергетического селективного приема и обработки фокусируемого и управляемого электронного лучкя, который в заданные моменты времени инжектируется с орбитальной станции в окружающее космическое пространство.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
.- разработаны устройства дистанционной фокусировки электронного пучка;
создана система приема и энергетического анализа пучка;
разработаны экспериментальные установки для наземных исследований движения электронного пучка в градиентном поле бегущей волны;
проведены экспериментальные и теоретические исследования влияния мощности волны и величины пространственного заряда на распределений плотнс -и тока пучка.
Научная новизна. К основным научным результатам, полученным лично автором и включенным в диссертацию, относятся'
теоретическое и экспериментальное обоснование влияния интегральных сил іространственно-неоднородного СВЧ поля на электронный поток с учетом пространственного заряда;
методика расчета профилей плотности пространственного заряд* электронного пучка, двигающегося в поле незамрдленной волны для раз личных условий инжекции пучка;
условия взаимодействия пучка с СВЧ волной, обеспечивающие устойчивость, а также минимальные пульсации границ и плотности про странстаеииого заряда;
обнаружение фокусировки электронного пучка с помощью интег ральной силы -л её зависимость от параметров волновода,
- теоретическое и экспериментальное обоснование возможности использования вторичной электронной эмиссии для измерения налетающего электронного тока в условиях космических объектов.
Научно-практическая ценность. Представленные в диссертации научныо основы и экспериментальные результаты исследования возможностей фокусировки, управления и сэлекции инжектируемых в ионосфера злйюронных пучков позволяют создавать высокоэффективные йнформационно-измерительныа электронно-пучковые системы для проведения глобальных космических исследований Земли с орбитальных станций.
Разработанный инженерные методики и рекомендации по расчэтам, машинному и натурному моделированию таких систем обеспечивают существенное сокращение сроков и стоимости, повышение качества и достоверности их проектирования и практической реализации.
Предложения автора и результаты работы, изложенные в диссертации и отчетах по НИР с НПО "Энергия" были внедрены в производство и использованы о научно-измерительной аппаратуре для натурного эксперимента на долговременной орбитальной станции "Мир".
Аотор принимал непосредственное участив в проектировании и создании данной аппаратуры, а такжз в её предгюлётных испытаниях и обработке телеметрических данных результатов экспериментов, полученных на станции "Мир" а 1991-1994 годах.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на научно-технических советах предприятий НЛО "Октава" и НПО "Энергия", а также на Всасоюзных НТК : "Электронно-лучооая сварка" -г.Москва, 1986г., "ЭВМ новых поколений и переслехтивы их использования в народном хозяйстве" , г.Москва, 1989 г. и на Общесоюзном семинаре по электронно-лучевой сварко в 1907 г. Кроме того, в 1389-1934 годах проводились выступления на семинарах кафедры Радиофизики СВЧ Физического факультета МГУ, Физического института АН СССР, Военной академии связи им. Буденного, НТК НИИ Систем Связи и Управления.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ и получено 5 авторских свидетельств на изобретения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из воэдения, шести глав и заключения, содержит 234 страницы тексти, иллюстрированного 139 рисунками. Приведен список литературы из 56 наименований.'
Ос ювные положения диссертационной рзботы, выносимые защиту:
1. Способы поперечного ограничения и фокусировки электрон!
пучков градиентным полем бегущей оолны D оолноводах и космичесі
пространстве.
-
Способы регистрации и одновременного анализа частот энергетически* характеристик электронных пучков при использоваї вторично-эмиссионных процессов. Устройстоо элоктронмо-оптическ спектроанализатсра энергии электронного пучке d свободном космич ком пространстве.
-
Устройства дистанционной фокусировки элекп^юнных пучкої помощью антенных систем и рупорных излучателей градиентной бе щей волны.