Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава I. ОБЗОР ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В МАГНИТОСФЕРЕ АППАРАТУРА И РЕЗУЛЬТАТЫ 9
1. Приборы для корпускулярной диагностики магнитосферной плазмы 9
2, Результаты предшествующих экспериментов 12
Глава 2
1, Описание эксперимента 17
2. Характеристика геомагнитной активности
в период проведения измерения 19
3, Результаты плазменных измерений в магнитосферном хвосте Земли 29
4. Проецирование плазменных областей на по - перечное сечение хвоста и в ионосферу 48
Горячая плазма в северной доле магнитосферного хвоста 52
6. Холодные ионы в высокоширотном хвосте магнитосферы 56
7. Плотные потоки плазмы в области плазмо-мантии 64
8. Обсуждение результатов
Глава Ш. ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ МАПШТОСФЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ- (РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ, ЛОГИКИ РАБОТЫ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ)... 71
1. Постановка задачи 71
2. Концепция адаптирующегося трехмерного плазменного спектрометра ионов 74
3. Логика и алгоритмы работы прибора 82
4. Математическое моделирование прибора
Глава ІУ. ОСНОВНЫЕ УЗЛЫ ПЕРСПЕКТИВНОГО ПРИБОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТОСФЕРЫ 102
1. Структурная схема прибора 102
2. Анализатор. Бортовая калибровка каналов 105
3. Генератор парафазного напряжения для обеспечения динамического диапазона по
энергиям Кэ = 500 109
4. Устройство обработки информации на базе микро-ЭВМ 127
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение к работе
Последние годы все большее внимание уделяется исследованию динамики плазменных потоков внутри магнитосферы» Это связано с тем, что в результате предыдущих экспериментов было установлено присутствие плазмы во всех областях магнитосферы и найдена важная, определяющая роль внутримагнитосферной плазмы (наряду с обтекающим магнитосферу солнечным ветром) в формировании ее структуры и в процессах, идущих в магнитосфере и ионосфере под воздействием процессов на Солнце, В настоящее время очевидно, что без серьезного и всестороннего изучения плазменных потоков внутри магнитосферы невозможно решить основные задачи, стоящие перед физикой магнитосферы: раскрытие характера, закономерностей! причин и следствий протекающих в магнитосфере процессов, их связей с солнечной и геомагнитной активностью и с вариациями в солнечном ветре.
Большое количество теоретических и экспериментальных работ, выполненных в последнее время (среди которых наиболее важные результаты получены в экспериментах на спутниках Геос - I, - 2, ISEE - I, -2, - 3, а также Прогноз -7, -8), существенно расширили наши представления о морфологии, происхождении и вариациях потоков плазмы в различных областях магнитосферы, о процессах накопления и высвобождения энергии в магнитосферном хвосте, о связи этих процессов с направлением Bz - компоненты магнитного поля солнечного ветра и с возмущениями геомагнитного поля (маг-нитосферными суббурями), наблюдающимися на Земле,
Тем не менее еще не решен целый ряд важных вопросов» Не выяснены, например, до конца механизмы высвобождения магнитной энергии хвоста во время суббурь и, в частности, относительная роль в этом процессе крупномасштабных неустойчивостей в плазменном слое и на его границах, их энергетика и характер протекания.
Нет еще общего представления о взаимосвязи процессов, протека-, ющих в различных областях магнитосферы. В решении этих вопросов важная роль принадлежит дальнейшему исследованию характеристик и пространственного распределения магнитосферной плазмы, ее происхождения и динамики.
Возрастающее число работ, выходящих каждый год по магнитосферной тематике, свидетельствует о ее важности и наличии нерешенных проблем Проводившиеся в большинстве случаев односпут-никовые измерения в магнитосфере к настоящему времени в определенном смысле исчерпали себя. В планируемых теперь экспериментах будут использоваться системы из нескольких спутников, выводимых на разные орбиты вокруг Земли и позволяющих проводить коррелированные измерения в различных областях магнитосферы и изучать взаимосвязь протекающих в них процессов.
Для комплексного исследования магнитосферных процессов в Программе Интеркосмоса предусматривается проведение международного проекта ИНТЕРПОЛ. По данному проекту на околоземные орбиты будут выведены два спутника: хвостовой и авроральный зонды, от каждого из которых отделится по одному субспутнику с установленной на них научной аппаратурой, аналогичной аппаратуре основных спутников.
На хвостовом зонде специально с целью детального изучения неустойчивостей в хвосте магнитосферы ряд научных приборов выделен в субкомплекс, объединенный общей логикой работы. В состав субкомплекса входят специализированные плазменные приборы, которые позволяют:
- получать информацию о трехмерной функции распределения ионов и электронов по скоростям;
- измерять вариации основных параметров плазмы с высоким временным разрешением;
- получать данные о поведении различных ионных компонент Во время протекания неустойчивости для ее подробного исследования необходимо за короткий промежуток времени выполнить большое число измерений и записать в запоминающее устройство большой объем информации» В остальные периоды можно обойтись значительно меньшим объемом запоминаемой информации, тем более, что общий объем записываемой в бортовой магнитофон информации ограничен В связи с этим, логика работы субкомплекса предусматривает:
- получение быстрой информации (1-3 с) о состоянии плазмы;
- обработку и сжатие информации на борту в дежурных режимах измерений;
- бортовой анализ результатов измерений, выработку признака начала "события" и перевод субкомплекса в быстрый режим по признаку.
В качестве одного из центральных приборов субкомплекса для изучения неустойчивостей в магнитосферном хвосте рассматривается плазменный спектрометр для измерения трехмерной функции распределения ионов» В трехмерной функции распределения ионов содержится важная информация о концентрации плазмы, средней скорости и направлении движения ионов, о температуре и анизотропии давления, о пучках и других особенностях плазмы» Конкретный вид функции распределения определяется идущими в плазме процессами и может служить указанием на источник неустойчивости. Разработка нового прибора - трехмерного плазменного спектрометра ионов -- необходимый этап дальнейшего исследования магнитосферы с искусственных спутников Земли.
Целью настоящей диссертации является:
- исследование характеристик плазмы в хвосте земной магнитосферы по результатам измерений на спутнике "Прогноз-8" и обоснование и разработка нового плазменного эксперимента для изучения процессов в хвосте магнитосферы в рамках проекта ИНТЕРБОЛ.
диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения В первой главе диссертации дан обзор предшествующих приборов и работ по исследованию свойств плазменных потоков внутри магнитосферы, зависимостей этих потоков от параметров солнечного ветра, от величины солнечной и геомагнитной активности. Во второй главе описаны результаты обработки и анализа плазменных измерений в хвосте магнитосферы, выполненных с прибором СКС на ИСЗ "Прогноз-8", Излагается использованная в работе методика обработки и визуализации данных, позволившая представить данные трех месяцев измерений в компактном и удобном для анализа ввиде спектрограмм энергия - время, а также ввиде графиков газодинамических параметров в зависимости от времени. На основе проведенной систематизации и анализа данных измерений выделяются основные типы потоков плазмы в долях магнитосферного хвоста, находится пространственное распределение различных плазменных населений и делаются выводы об их происхождении.
Третья и четвертая главы диссертации посвещены разработке нового прибора для продолжения исследований динамики плазменных потоков в магнитосферном хвосте Земли.
В третьей главе обосновывается концепция адаптивного трехмерного плазменного спектрометра ионов, способного проводить обработку и сжатие информации на борту спутника. Описывается логика и алгоритмы работы и приводится математическая модель раз -8 рабатываемого прибора, созданная для проверки правильности выб ранных решений и уточнения возможностей нового прибора.
В четвертой главе обоснованы и описаны основные функциональные узлы прибора: малоинерционный генератор ступенчатых напряжений с большим динамическим диапазоном, энерго-угловой электростатический полусферический анализатор с пятью угловыми каналами с возможностью взаимной калибровки во время получения полезной научной информации, и микропроцессорное устройство, позволяющее проводить бортовую обработку и сжатие информации по заданному алгоритму.
В заключении рассмотрены основные результаты, полученные диссертантом и выдвигаемые им на защиту.
