Содержание к диссертации
Введение
1. Импедансные зонды в ионосферной плазме 9
1.1. Основные физические факторы, влияющие на импедансные свойства зонда 9
1.1.1. Влияние магнитоактивной плазмы 9
1.1.2. Ионный экран 12
1.1.3. Влияние фотоэмиссии на ионный экран 10
1.1.4. Ионный экран в переменном электрическом поле 18
1.1.5. Ионный экран в магнитном поле 21
1.1.6. Явления, связанные с движением спутника 23
1.2. Импедансные измерения в ионосфере 26
1.3. Методы измерения электронной температуры на ИСЗ 29
1.4. Возможности диагностики ионосферной плазмы с помощью низкочастотного импе-дансного зонда 31
2. Влияние ионного экрана на параметры низкоча стотного зонда 35
2.1. Однородная модель ионного экрана 35
2.2. Неоднородная модель ионного экрана 39
2.3. Оценка влияния магнитоактивной плазмы на емкость и активную проводимость зонда 49
2.4. Влияние э.д.с. индукции, наведенной в антенне, на входное сопротивление и действующую длину антенны 64
2.5. Выводы 82
3. Экспериментальное исследование характеристик низкочастотного электрического зонда 84
3.1. Аппаратура и методика измерений 84
3.2. Методика обработки результатов измерении 89
3.3. Результаты измерений емкости и активной проводимости 95
3.4. Сопоставление результатов измерений и расчетных значений параметров зонда 102
3.5. Зависимость активной проводимости от амплитуды переменного напряжения 111
3.6. Выводы 116
4. Методы измерения электронной температуры низко частотным иьшдансным зондом 118
4.1. Измерение электронной температуры с помощью наведенной э.д.с. 118
4.2. Измерение электронной температуры с использованием нелинейности активной проводимости 122
4.3. Некоторые результаты измерения электронной температуры на спутнике "Интеркосмос-Коперник 500* 127
4.4. Выводы 135
Заключение 137
- Импедансные измерения в ионосфере
- Влияние э.д.с. индукции, наведенной в антенне, на входное сопротивление и действующую длину антенны
- Методика обработки результатов измерении
- Измерение электронной температуры с использованием нелинейности активной проводимости
Введение к работе
Бурное развитие космической техники, начавшееся после успешного запуска первого искусственного спутника Земли, открыло широкие возможности для постановки в ионосфере различных экспериментов, в том числе радиофизических. Появилась возможность с помощью приборов, установленных на спутниках и ракетах, проникать непосредственно в толщу ионосферной плазмы с целью изучения происходящих там явлений. В последние годы большой интерес исследователей вызывает авроральное километровое радиоизлучение Земли, происхождение которого вызывает дискуссии /1,2/. В экспериментах по исследованию различных электромагнитных полей в ионосфере и магнитосфере Земли широко используются электрические антенны. Для правильной интерпретации данных, полученных с помощью электрических антенн, необходимо знание их основных радиофизических характеристик. Только тогда возможно получение абсолютных параметров регистрируемого радиоизлучения.
Параметры низкочастотной электрической антенны в ионосферной плазме, в частности, её импеданс, существенно отличаются от таковых в свободном пространстве, что является следствием таких факторов, как анизотропия магнитоактивной плазмы и возникновение ионного экрана в непосредственной близости антенны.
Это создает серьезные трудности при анализе результатов измерений электромагнитных полей и в то же время дает основания для поиска новых путей, диагностики ионосферной плазмы посредством радиофизических измерений. Известны и широко используются радиофизические методы измерения электронной концентрации /3,4/, основанные на использовании простой зависимости импеданса зонда в области высоких частот от этого параметра плазмы.
На низких частотах, как показали расчеты, проведенные Аксёновым и Лишиным /5/, поведение электрической антенны в ионосфере долено определяться ионным экраном. Это обстоятельство, а также существенное влияние ионосферной плазмы на характеристики ионного экрана открывает принципиальные возможности для определения параметров ионосферы на основе измерений входного сопротивления электрической антенны на низкой частоте. Однако развитие импедансных методов диагностики ионосферной плазмы в диапазоне низких частот долгое время сдерживалось тем, что основные физические явления, определяющие свойства низкочастотной антенны, установленной на космическом аппарате, были изучены недостаточно. В частности, явление образования ионного экрана исследовалось, главным образом, в аспекте его влияния на статические зондовые характеристики /6-Ю/. В то же время работы, в которых рассматриваются радиофизические свойства антенн, погруженных в ионосферную плазму, как правило, не учитывают влияние ионного экрана /11-13/. движение космического аппарата значительно усложняет картину физических явлений, определяющих поведение антенны в ионосферной плазме /14-16/. Теоретические представления в настоящее время не позволяют построить полного описания всего комплекса факторов, поэтому проводимые расчеты параметров антенн нуждаются в экспериментальной проверке. Несмотря на то, что эксперименты по измерению импеданса антенны в ионосферной плазме проводились /13/, полученные данные не дают исчерпывающего представления о свойствах электрического зонда в низкочастотном диапазоне.
В связи с этим проведение детальных исследований влияния различных факторов на характеристики низкочастотной антенны в ионосфере и разработка на основе результатов таких исследований радиофизических методов диагностики ионосферной плазмы является актуальной задачей.
Основными задачами настоящей работы являлись: экспериментальные исследования входного сопротивления низкочастотной электрической антенны в ионосферной плазме; анализ роли ионного экрана в формировании входного сопротивления антенны; теоретические исследования радиофизических свойств ионного экрана с целью поиска новых возможностей для диагностики плазмы радиофизическими методами; разработка методики измерения электронной температуры с помощью низкочастотного импедансного зонда.
Экспериментальная часть исследования была осуществлена на спутнике "Интеркосмос-Коперник 500". При этом автор принимал непосредственное участие в разработке низкочастотного импедансмет-ра, подготовке и проведении эксперимента на спутнике, в обработке и анализе полученных экспериментальных данных.
Автор самостоятельно выполнил все теоретические расчеты, разработав ряд алгоритмов и програїлм для ЭВМ, которые послужили основой для разработки новых методов измерения электронной температуры в ионосферной плазме /17,18/.
Основное содержание диссертационной работы опубликовано в центральной научной печати /19-23/, представлено в докладах на международных /23,24/ и всесоюзных научных конференциях /25,26/. Кроме того, по теме диссертации опубликованы работы /27-31/ и получено 3 авторских свидетельства /17,18,32/. диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Во введении показана актуальность решаемых задач, кратко изложено содержание диссертации и приведены положения, выносимые на защиту.. В I главе на основании литературных источников дан обзор основных физических явлений, определяющих импедансные свойства радиочастотных зондов, представлены основные методы измерений импеданса зондов и антенн в ионосферной плазме и указаны возможности диагностики ионосферной плазмы с помощью низкочастотного импедансного зонда.
Импедансные измерения в ионосфере
Импедансные измерения в ионосферной плазме проводились неоднократно. Как правило, целью таких измерений было получение информации о свойствах ионосферной плазмы с помощью импедансных зондов различного типа. При этом наряду с задачами диагностики плазмы приходится решать ряд сложных задач, связанных как с методикой самих измерений на борту ракеты или ИСЗ, так и с интерпретацией полученных данных. Уже в самых ранних экспериментах (см., например, /60/) было установлено наличие связи между параметрами плазмы и импедансом электрической антенны. Однако до сих пор не существует общепризнанной методики проведения подобных экспериментов. На частотах порядка нескольких мГц проводились измерения импеданса прибором с качающейся частотой /I08-II0/. В этих измерениях основная информация получалась из значений характерных частот плазмы (гирочастоты, верхней гибридной частоты), определяемых по частотной характеристике импеданса зонда. Ряд экспериментов на спутниках и ракетах был проведен с использованием нескольких фиксированных частот /3,103,111-113/. Типичным примером ракетного эксперимента в ионосфере может служить эксперимент на ракете " Rubis -2", результаты которого приведены в /III/. Антенная система представляла собой 36-метровый цилиндрический диполь. Измерения адмиттанса были проведены на четырех частотах в диапазоне 1,16-2,4 мГц. Измерения проводились с помощью прибора, содержавшего колебательный контур, возбуждавшийся генератором шума с определенной формой спектра и автоматически настраивавшийся в резонанс. Ракета достигла высоты 1636 км в ионосфере. В этом эксперименте возникли серьезные трудности, появившиеся при попытке интерпретировать наблюдавшуюся модуляцию параметров антенны, связанную с вращением. Помимо анизотропии магни-тоактивной ионосферной плазмы и эффекта следа на параметрах антенны должно было сказываться влияние э.д.с. индукции. Однако одновременное действие всех этих факторов не позволило сделать однозначного вывода о природе наблюдавшейся модуляции. Для сопоставления с расчетом в /III/ использовалась квазистатическая теория /38/. При этом для обеспечения соответствия результатов расчетов и эксперимента было предположено, что ионный экран имеет толщину пять дебаевских радиусов, и его импеданс считался чисто емкостным. При этих предположениях была вычислена глубина модуляции емкости антенны, которую сопоставили с наблюдаемой в эксперименте.
На основании этого сопоставления был сделан вывод о том, что наблюдаемая модуляция связана исключительно с наличием анизотропии. Модуляция импеданса наблюдалась во многих экспериментах, но однозначная ее интерпретация в литературе отсутствует . В аналогичном эксперименте, поставленном с целью диагностики ионосферной плазмы /112/ для исключения влияния ионного экрана на антенну подавалось положительное смещение +4,5 В, компенсирующее отрицательный плавающий потенциал. Это дало основание игнорировать влияние ионного экрана и пользоваться при интерпретации результатов квазистатической теорией из работы /38/ без дополнительной коррекции. Эксперименты в низкочастотном диапазоне были сравнительно немногочисленны, хотя имеются довольно ранние работы /60,108/. Для низкочастотных экспериментов характерно разнообразие методик измерений /52,53,77,108/. В значительной степени это определя- лось техническими возможностями передачи данных на Землю со спутника или ракеты. В эксперименте на ракетах "Sky at/c" импеданс электрического диполя определялся по распределению амплитуды напряжения в искусственной линии передачи, нагрузкой которой служила исследуемая антенна. При этом через каналы телеметрии передавались уровни напряжения в восьми узлах линии, возбуждавшейся на частоте 60 кГц /108/. В этом эксперименте также наблюдалась модуляция импеданса, связанная с вращением ракеты. В качестве возможного объяснения причин модуляции указывается на изменение потенциала антенны и корпуса ракеты из-за изменения величины набегающего потока ионов. В работе /107/ сообщается, что на ИСЗ " LOFTI-ДА" наблюдался сдвиг фазы между показаниями магнитометра и модуляцией емкости электрической антенны на низкой частоте. Этот сдвиг отнесен к влиянию заведенной э.д.с. на параметры экрана, однако, соответствующие экспериментальные данные не приведены. На спутнике " OV1 -Z1 S " /77/ для измерения импеданса были использованы непосредственно передаваемые через телеметрию волновые формы тока и напряжения на зажимах 32-метровой дшголь-ной антенны. Измерения проводились на сеїли частотах от 400 Гц до 14,5 кГц при различных амплитудах переменного напряжения, достигающих 100 В. Это позволило наблюдать нелинейные искажения, связанные с генерацией гармоник на нелинейных участках зондовой характеристики. Как следует из данных, приведенных в /77/, с ростом амплитуды величина импеданса увеличивается на всех частотах, кроме 14,5 кГц, где наблюдается уменьшение величины импеданса. Нелинейные свойства проявляются при амплитудах, превышающих IB, т.е. величину, приблизительно соответствующую потенциа- лу спутника на высотах 800-1000 км. В этой работе было также отмечено влияние фотоэмиссии на импеданс антенн, наблюдавшееся на частотах ниже 7 кГц. Приборы для измерения импеданса с качанием частоты в низкочастотном диапазоне использовались для измерения импеданса двойных сферических и квадрупольных зондов /52,53,114/. Б диапазоне частот от нескольких герц до 20 кГц лежит частота нижнего гибридного резонанса, точное определение которой может дать ценную информацию о свойствах ионосферной плазмы. На ИСЗ "Интеркосмос-10" регистрировались амплитудно-частотные зависимости импеданса двойного сферического зонда. На спутнике "Интеркосмос-14" были проведены измерения взаимного импеданса двух пар сферических зондов, позволившие определить частоты нижнего гибридного резонанса в ионосферной плазме на высотах 1600 кіл /114/.
В литературе редко приводятся достаточно полные экспериментальные данные. Как правило, публикуются иллюстративные материалы, результаты интерпретации или отдельные примеры. Кроме того, разнообразие форм и размеров антенн (зондов), а также других условий экспериментов, проводимых на космических аппаратах, затрудняет взаимное сопоставление их результатов. Температура электронов относится к числу основных параметров, характеризующих ионосферу /115/. Искусственные спутники Земли дают возможность проводить локальные измерения параметров среды. Как указывается в работе /61/, ионосфера является почти идеальной средой для применения зондовой методики, поскольку на- чиная с высот 100 км и выше длина свободного пробега частиц значительно больше толщины слоя объемного заряда. Это позволило с успехом применять классическую методику зондов Ленгмюра в ряде экспериментов на спутниках и ракетах /61/. Как правило, использовались зонда Ленгмюра цилиндрической формы. Цилиндрические зонды Ленгмюра применялись, например, уже на ИСЗ "Космос-2" /61/. Обычно для получения электронной температуры из зондовой характеристики используется метод дифференцирования вольт-амперной характеристики зонда. Поскольку графическое дифференцирование дает значительные погрешности, а передача с борта точной формы вольт-амперной характеристики сопряжена с серьезными техническими трудностшли, появились методы, использующие специальные конструкции аппаратуры, предусматривающие получение производных зондовой характеристики в виде сигналов. Так, например, получила распространение методика, в которой на зонд Ленгмюра дополнительно к пилообразному напряжению, подавалась сумма двух гармонических напряжений, и регистрировались составляющие тока как на частотах сигнала, так и на разностной частоте /97/. Основным источником погрешности этого метода является наличие у зонда емкости, которую необходимо компенсировать.
Влияние э.д.с. индукции, наведенной в антенне, на входное сопротивление и действующую длину антенны
При движении спутника в антенне длиной L. будет наводиться э.д.с. (2.32) где вектор L направлен вдоль антенны и L ( = L , Усп -вектор скорости спутника, п0 - вектор магнитного поля Земли. Пренебречь влиянием с и на характеристики антенны можно только, если 1 1 К Те/е , и поверхность антенны близка к эквипотенциальной. Однако при значительных линейных размерах антенны и ее произвольной ориентации относительно векторов скорости и геомагнитного поля такое условие, вообще говоря, не выполняется. Так, при скорости спутника 8»10 м/с и магнитном поле Земли с индукцией В0 = Коп0 = 3 10 Тл в антенне длиной 5 м будет наводиться э.д.с, максимальная величина которой составит около 1,2 Б. В то время плавающий потенциал спутника в ионосфере, согласно оценкам, проведенным для высоты 200-1500 юл, находится в интервале 0,3 - - 1,2 В. Таким образом, влияние наведенной э.д.с. на параметры антенны может оказаться существенным, и пренебрегать этим нельзя. В результате действия наведенной э.д.с. в антенне устанавливается линейное распределение потенциала. Будем считать, что на входе антенны, который гальванически связан с корпусом спутника, потенциал не изменяется, и остается равным плавающему потенциалу Vn . В действительности могут иметь место незначительные локальные изменения потенциала, связанные с изменением распределения электронного тока по поверхности спутника и антенны, однако, из-за сложной формы поверхности спутника их практически невозможно учесть. В большинстве случаев этими изменениями можно пренебречь, поскольку площадь поверхности спутника обычно существенно превышает площадь поверхности антенны. С учетом сделанного выше предположения для распределения потенциала вдоль антенны имеем где 2. - координата вдоль антенны ( z = 0 на входе антенны). Емкость ионного экрана вокруг цилиндрической антенны в об- щем случае монет быть выражена в виде где С (- ) - погонная емкость. При отсутствии наведенной э.д.с. погонная емкость, как следует из I и 2 данной главы, будет постоянной величиной. Для анализа влияния наведенной э.д.с. на емкость ионного экрана вокруг антенны будем пользоваться однородной моделью.
Правомерность такого подхода основывается на результатах расчетов, проведенных в предыдущем параграфе. На рис.2.II приведены результаты расчетов зависимости емкости антенны длиной 5 м и радиусом 1,2 см от э.д.с. (Еи при различных значениях Те и N. Штриховые кривые на рис.2.II соответствуют значению $ = Vn . При Vn нарушается обычный процесс образования ионного экрана, так как в этом случае часть поверхности антенны находится при потенциале, приблизительно равном потенциалу плазмы /105/. Б рамках однородной модели ионного экрана необходішо ограничиваться значениями Vn 11 Как видно из рис,2.II,емкость экрана вокруг антенны монотонно возрастает при увеличении N и при уменьшении Те . Активная проводимость ионного экрана вокруг антенны также может быть определена путем интегрирования вдоль антенны переменной погонной проводимости 6 (z) , которая в рассматриваемом случае имеет вид Из этого семейства легко получить расчетные значения G3Q() для любой другой величины N путем умножения на коэффициент, равный NJ «10 см. Как видно из рис.2.12, проводимость сильно зависит от и , причем крутизна наклона кривых снижается при увеличении Те . Следует заметить, что существование ионного экрана вокруг корпуса спутшіка может прішести к тому, что реальная зависимость активной проводимости антенны от наведенной в антенне э.д.с. будет иная. Влияние этого фактора при расчете проводимости антенны можно оценить следующим образом. При и =0 проводимость экрана вокруг корпуса спутника G3C в раз больше проводимости G3Q , где = SC /SQ t Sa и Sc - площади поверхностей антенны и корпуса спутника (аналогичное соотношение справедливо и для емкостей). Для антенны импедансметра на спутнике "Интеркосмос-Коперник 500"значение 10, и результирующая проводимость = 6да/\і + -щ) будет примерно на 10 % ниже Бэа . При отрицательных значениях ои соотношение Gj G?c выполняется очень хорошо и практически Є Ь9а . Напротив, при 0 величина Q растет, а проводимость G9C должна уменьшаться из-за того, что потенциал корпуса будет в среднем несколько ниже плавающего, так как на корпусе в этом случае наводится отрицательная э.д.с. Емкостная проводимость будет иметь изменения того же знака, что и актігоная. Детальный анализ поведения G3C при и 0 весьма сложен даже при сравнительно простой геометрии корпуса спутника. В этом случае влияние ионного экрана вокруг корпуса спутника на параметры антенны можно оценить только качественно, особенно если учесть, что часть поверхности занята датчиками, солнечными батареями и т.п. Качественное рассмотрение влияния ионного экрана показывает, что рассматриваемый эффект должен проявляться в некотором снижении крутизны наклона кривых G (J по сравнению с кривыми G9a (). Кроме того, величина G должна быть ограничена сверху, так как G бэаи & (Ь9С . Такое ограничение должно наблюдаться при и 0. Для оценки влияния проводимости корпуса спутника зависимость G3C от наведенной в антенне э.д.с. моделировалась экспоненциальной функцией: где ос - коэффициент пропорциональности, зависящий от размеров и формы поверхности корпуса спутника.
Этот коэффициент связывает наведенную в антенне э.д.с. с эквивалентным изменением потенциала спутника в результате того, что и в проводящем корпусе возникает наведенная э.д.с. При этом, поскольку действие наведенной э.д.с. не должно нарушать общего электрического равновесия, при котором полный ток (электронный її ионный) на систему "корпус + антенна" должен быть равен нулю, то увеличение электронного тока на антенну должно сопровождаться уменьшением его на корпус. Это может быть представлено как результат изменения потенциала спутника на величину /iV-oCe , где ос о. Разумеется, такое представление весьма приближенно, однако, оно позволяет провести качественную оценку явления. Величина коэффициента ос может быть определена из соотношения длины антенны и размера корпуса в направлении оси z (см.рис. 3.1). Для спутника "Интеркосмос-Коперник 500" было получено значение (X — -0,2. Зависимость G С ои) , рассчитанная с использованием (2,39і) для двух значений Те , показана на рис.2.12 (кривые 9, 10). Как и следовало ожидать, при больших отрицательных и кривые 9 и I ( Те = 1500 К) практически совпадают, а на кривой 9 шяеется максимум. На крішои 10 максимум попадает за пределы графика, а наклон крішои меньше, что объясняется более высоким значением Те = 5000 К. Зависимость наклона кривых G( fJ от значения Те дает основания для испольвовашія экспершлентальных данных об изменении активной проводимости низкочастотного зонда при изменении &и для нахождения значений Те в ионосферной плазме. Зависимость погонных емкости и активной проводимости ионного экрана от координаты вдоль цилиндрического проводника должно влиять на распределение вдоль него амплитуды низкочастотного тока. Это обстоятельство может привести к тому, что при и И О может измениться такой важный параметр низкочастотной антенны, как действующая длина.
Методика обработки результатов измерении
На рис.3.3 приведен образец записи выходных параметров низкочастотного пмпедансметра ИМ-І на 249 витке полета спутника. Подключение антенны к измерительному контуру приводит к уменьшению значения емкости контура при резонансе- (сдвигу ступенчатой резонансной кривой относительно ее положения в режиме калибровки). Наличие актішной составляющей входного сопротивления антенны приводит к увеличению ширины резонансной кривой. Дискретное изменение емкости контура с шагом Л С = 50 иФ позволяло определять емкость антенны с точностью до 50 пФ при экспресс-анализе полученной со спутника информации, не прибегая к вычислениям. В то же время шаг изменения емкости контура не является пределом разрешающей способности прибора при определении емкости антенны. Поскольку уравнение резонансной кривой контура известно, параметры, определяющие ее форму могут быть найдены по измеренным значениям напряжения в нескольких точках на ступенчатой резонансной кривой. При фиксированной индуктивности контура достаточно провести измерения в трех точках. Восстановление таким образом непрерывности резонансной кривой позволило повысить разрешающую способность прибора /129/. Для параллельной схемы замещения антенны модуль полного сопротивления имеет вид: Формулы (3.2)-(3.4) были проанализированы с точки зрения погрешностей определения величин С с и Gd . Было установлено, что основншл источником возможной погрешности является конечная разрешающая способность канала передачи, регистрации и восстановления значений напряжения на измерительном контуре импеданс-метра. Оптимальными для обработки являются значения у± и Uz , соответствующие области максимальной крутизны склонов резонансной кривой. Для таких значении выполняются условия: Обработка результатов измерения, проведенных на спутнике яИнтеркосмос-Коперник 500" проводилась, как правило, при выполнении этих условий.
В этом случае абсолютная погрешность определения величины резонансной емкости, обусловленная погрешностями величин U± , Ц, и U0 , будет равна Погрешности, связанные с нестабильностью частоты задающего генератора и с неточностью подбора эталонных ешсостеи, были сравнительно невелики - подбор ешсостеи был проведен с точностью до 0,25 %, а относительная нестабильность частоты не превышала 10 , в то время как величины напряжений U± , U2 и U0 определялись с погрешностью 3 %, Поэтому вклад погрешностей S(2\C)n oh) в суммарную погрешность $ Ср является несущественным и при оценках ошибок измерения им можно пренебречь. Стабильность работы генератора регулярно контролировалась в процессе эксперимента путем проведения измерений в режиме калибровки. Применение метода замещения при измерении емкости антенны позволило свести к минимуму возможную систематическую ошибку. Анализ источников этой ошибки показал, что ее величина при определении емкости антенны не превышает 1-2 пФ. Как видно из формулы (3.7) при &С = 50 пФ, I = I и %U/U =0,03 величина $Ср = 2,1 пФ. Величина І в формуле (3.7) в неявном виде отражает зависимость Ср от добротности контура, а, следовательно, и от проводимости антенны. При работе прибора в режиме калибровки (антенна отключена от контура) і - 2 и $Ср-4,2 пФ. При проводимости антенны Ga Ю"5 Ом""1, t = 3, а при Ga - Ю 4 Ом"1 оптимальное значение I составляет 10-12. Соответственно величина 8 Сп 6,3 пФ в первом случае и SCp 20-25 пФ во втором. Формула для оценки величины относительной ошибки в определении суммарной проводимости контура БИЗМ /Ьизм , полученная при тех же предположениях, что и (3.7), имеет вид Полагая по прежнему Ш/К = 0,03, получим при выполнении условий (3.6) оптимальной обработки Из формулы (3.9) следует, что при выполнении условий применимости (3.8) относительная ошибка в определении проводимости антенны убывает с ростом Ga . При GK/Q I (для прибора ИМ-І GK — 3 10 Ом ) величина ошибки будет равна В этом случае относительная погрешность значения активной проводимости составляет 8-Ю %, Если Ga становится меньше собственной активной проводимости измерительного контура, то относительная ошибка в определении величины Ga возрастает. 3.3.
Результаты измерений емкости и активной проводимости С помощью низкочастотного импедансметра ИМ-І на спутнике "Интеркосмос-Коперник 500" были проведены измерения активной и реактивной составляющих входного сопротішления цилиндрической антннны (зонда) на частоте 50 кГц в интервале высот 200-1500 юл над поверхностью Земли. Было проведено свыше 500 сеансов измерений в режиме запоминания информации, в результате которых было зарегистрировано приблизительно 5 10 резонансных кривых импе-дансметра. Кроме того, было проведено свыше 600 сеансов непосредственной передачи информации, во время которых передавались резонансные кривые импедансметра, работавшего с длительностью цикла около 6 с. Фотозаписи телеметрической информации были просмотрены и привязаны к московскому времени. Привязка осуществлялась с точностью до 0,1 с. Результаты съемки значений телеметрических параметров прибора ИМ-І были нанесены на перфоленту для обработки на ЭВМ по алгоритму, прішеденному в 3.2. Результаты обработки были затем дополнены координатами спутника, которые были получены в результате расчетов на ЭВМ БЭСМ-4 (использовались исходные данные и программы, полученные от ИКИ АН СССР). При дальнейшем анализе и интерпретации использовались обзорные графики изменений параметров антенны вдоль орбиты спутника. Для ряда витков была, кроме того, рассчитана ориентация спутника и величина наведенной в антенне э.д.с. В качестве примера полученных результатов, на рис.3.5-3.8 показаны результаты измерения активной проводимости (а) и емкости (б) антенны на спутнике "Интеркосмос-Коперник 500". Выбраны сеансы измерений, наиболее характерные для начального и конечного периодов проведения эксперимента. Результаты измерений представлены в виде зависимостей от высоты К над поверхностью Земли на протяжении половины витка полета спутника. При этом на дополнительных осях абсцисс указаны географические координаты спутника.
Измерение электронной температуры с использованием нелинейности активной проводимости
Сопоставление данных об ориентации непосредственно с результатами измерения емкости и активной проводимости зонда показало, что период наблюдавшейся в эксперименте модуляции параметров совпадает с периодом вращения спутника вокруг центра масс. В то же время не удалось обнаружить прямую связь между параметрами зонда и углом, который образует ось зонда с направлением магнитного поля, характерную для зависимости импеданса зонда в магнитоактивной плазме от его ориентации. Это означает, что изменение импеданса вследствие анизотропии магнитоактивной плазмы не является основным фактором, определяющим модуляционный эффект. Так как фаза модуляции параметров не связана однозначно с углом между осью зонда и вектором скорости спутника, этот эффект также не может быть и результатом попадания зонда в след спутника. Чтобы окончательно убедиться в том, что главным фактором, определяющим поведение низкочастотного зонда при изменении его ориентации является наведенная в антенне э.д.с, необходимо сопоставить с экспериментальными данными результаты расчетов параметров ионного экрана. При проведении расчетов емкости и проводимости использовались данные об электронной концентрации, полученные на спутнике "Интеркосмос-Коперник 500" при помощи высокочастотного импеданс-ного зонда НИРФИ /19/ и профиль электронной температуры в ионосфере из работы /16/. Размеры зонда, принятые в расчетах, соответствовали антенне пмпедансметра. На рис.3.9 - 3.II отчетливо видна характерная модуляция параметров антенны, связанная с влиянием наведенной э.д.с. индукции, изменяющейся при вращении спутника вокруг центра масс. Эти изменения были относительно медленными на витках 1007 и 1076 (см. рис.3.10 и 3.II), а на 27 витке (рис.3.9) более быстрыми (спут- ник вращался с периодом 83 с). Поскольку длительность измерительного цикла импедансметра (64 с) на этом витке оказалась соизмеримой с периодом вращения, измеренные значения емкости и проводішостії изменялись квазипери одически с периодом около 5 мин. Поэтому для данного витка расчеты значений gи , Са и Ga проводились для моментов времени в точности соответствующим измерениям (то есть максимумам на резонансных кривых измерительного контура импедансметра).
В результате были получены расчетные значения проводимости и емкости, такие изменяющиеся квазипе-риодически. Таким путем удалось и при сравнительно быстром вращении спутника провести сопоставление теоретических расчетов и данных эксперимента. Как видно из рис.3.9-3.II,расчетные кривые в основном хорошо согласуются с экспериментальными данными, за исключением отдельных интервалов времени. На 1007 витке (рис.3.10) имеют место заметные расхождения расчетных и измеренных значений емкости с 11 8 1/Т до 11 48 VT , а на 1076 витке - активной проводимости с 4 ІЗ 1" UT до 4h20 UT . При этом в первом случае сохраняется хорошее соответствие расчетных и измеренных значений проводимости, а во втором случае - емкости. Расхождения измеренных и расчетных значений Са на 1007 витке, по-видимому, можно объяснить тем, что в рассматриваемом случае значения и могли превышать Vn .Учет влияния э.д.с. индукции при расчетах параметров ионного экрана для других витков полета спутника привел к аналогичным результатам. Следует отметить, что эффект модуляции параметров, связанный с вращением спутника, имел место на всех витках, где были проведены измерения с помощью импедансметра. Для того, чтобы более детально проанализировать вклад ионного экрана в результирующие характеристики низкочастотного зон- да в ионосфере, целесообразно провести сравнение результатов расчетов с экспериментальными данными, исключив влияние э.д.с. индукции. Это можно сделать, отобрав для анализа значения измерявшихся параметров, полученные в те моменты времени, когда э.д.с. индукции была мала по сравнению с плавающим потенциалом (по абсолютной величине). В соответствии с этим принципом были отобраны значения активной проводимости и емкости зонда на 27 витке полета спутника, приведенные на рис.3.12. На том же рисунке для сравнения приведены результаты расчетов емкости и активной проводимости (сплошные кривые). Штриховыми линиями на рис. 3.12-а показаны границы вариации расчетных значений активной проводимости при изменении исходных данных, используемых при расчетах, в пределах соответствующих допусков - например, при изменении N на 30 %. . Измеренные значения активной проводимости, как видно из рис.3.12-а удовлетворительно согласуются с результатами расчета. Измеренные значения емкости (см.рпс.3.12-6) совпадают с результатами расчетов, проведенных для однородной модели ионного экрана (расчет емкости для неоднородной модели дает практически идентичную кривую). Это позволяет использовать результаты измерения емкости для уточнения эффективной толщины ионного экрана вокруг зонда в ионосферной плазме. На рис.3.13 приведены значения эффективной толщины ионного экрана, определенной по измерениям емкости зонда на 27 витке полета спутника "Интеркосмос-Коперник 500". На этом рисунке помещены также две кривые, показывающие величину удвоенного и утроенного радиуса Дебая в ионосферной плазме. Как видно из приведенных на рисунке данных, эффективная толщина ионного экрана вокруг цилиндрического зонда в ионосфере составляет от 2 до 3 радиусов Дебая. Приводившиеся выше теоретические результаты целиком относятся к линейному приближению при рассмотрении проблемы входного сопротивления низкочастотного зонда в ионосфере. Известно, однако, что электрические зонды в плазме проявляют нелинейные свойства, когда на них падает переменное напряжение достаточной величины /75,76/. Обычно нелинейные задачи возникают при анализе свойств передающих антенн в ионосферной плазме (см., например, /78/). При этом рассматриваются настолько большие уровни переменного напряжения в антенне, что энергия заряженных частиц в переменном поле оказывается существенно больше кинетической энергии теплового движения частиц невозмущенной плазмы.
Такие воздействия можно охарактеризовать условием У0 кТ&/е . Для ионосферной плазмы при Т от 2 »10 К до 3»10 К величина кТе /в составляет 0,17-0,26 В. При проведении измерений с помощью низкочастотного импедансметра ИМ-І условие Ы0 « kTe / s , при котором можно пренебречь нелинейными эффектами, выполнялось только в одном из режимов работы (см. 3.1). В другом режиме U0 RTi/e, и нелинейными свойствами ионного экрана пренебрегать нельзя. Существование зависимости активной проводимости и динамической емкости ионного экрана от статического потенциала зонда (см. формулу (2.2) и рис.2.4) указывает на то, что в квазистатическом случае должна наблюдаться зависимость этих параметров от амплитуды переменного напряжения. Зависимость активной проводимости от статического потенциала выражена экспоненциальным законом и имеет при плавающем потенциале относительную крутизну, значительно большую, чем аналогич- ная зависимость для емкости ионного экрана. Поэтому в первую очередь следует при изменениях амплитуды ожидать изменений активной проводимости ионного экрана. Пусть на зонд подается переменное синусоидальное напряжение V = U. scrt cot . Это напряжение оказывается практически полностью приложенным к ионному экрану. Активная проводимость зонда будет определяться усредненной за период проводимостью ионного экрана: Здесь G0-G(4) L » Т= 2&/ь . Величина G0 включает в себя, вообще говоря, зависимость от N , Те и о„ в соответствии с формулами (2.3 ) и (2.38), но не зависит от V , поэтому будем полагать Ge = const . Тогда интегрирование дает где 10(п) - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка, п = еи± /kT . Разлагая в ряд Тейлора функцию 10 (г\) и ограничиваясь двуїля членами, шле ем: Как следует из формулы (3.14), ожидаемый эффект в первом приближении заключается в квадратичной зависимости активной проводимости от амплитуды. При q = I, что соответствует eW -кТе активная проводимость должна возрасти на 25 %, Экспериментальное наблюдение такого изменения вполне возможно.
