Космические циклотронные мазеры (стр. 1 из 3)

В.Ю.Трахтенгерц, А.Г.Демехов, Виктор Юрьевич Трахтенгерц, д.ф.-м.н., профессор, заслуженный деятель науки РФ, заведующий сектором физики магнитосферной и ионосферной плазмы в отделении астрофизики и физики космической плазмы Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород).

Андрей Геннадьевич Демехов, к.ф.-м.н., с.н.с. того же сектора.

Мазеры -как генераторы когерентного микроволнового электромагнитного излучения, в том числе мазеры на циклотронном резонансе, хорошо известны и широко применяются в физических экспериментах, новых технологиях и медицине. Но “приоритет” в их изобретении принадлежит не человеку, а природе: в космических условиях мазеры, например циклотронные, - не менее типичное явление для планетных и звездных магнитосфер. Космические циклотронные мазеры, которые служат уже источником не микро-, а макроволн, выполняют там важнейшую функцию, определяя уровень низкочастотного электромагнитного излучения и регулируя количество заряженных частиц высоких энергий в околопланетном пространстве.

* Слово MASER - аббревиатура английского выражения microwave amplification by stimulated emission of radiation.

Осцилляторы, уровни, волны…

Работа мазеров - в общем случае генераторов и усилителей микроволн - основана на стимулированном электромагнитном излучении распределенных в пространстве осцилляторов. В отличие от спонтанного излучения, интенсивность которого равна сумме интенсивностей излучения отдельных независимых осцилляторов, стимулированное излучение является когерентным. Это означает, что волна, излучаемая одной частицей, влияет на излучение другой частицы таким образом, что волны оказываются скоррелированными по фазам. Тогда складываются не интенсивности (квадраты амплитуд), а сами амплитуды волн от отдельных осцилляторов, и излучение нарастает лавинообразно из-за усиления эффектов согласования фаз в поле когерентных волн. Однако электромагнитное поле возрастает не в любой системе осцилляторов: необходима инверсия населенностей энергетических уровней (осцилляторов на верхних энергетических уровнях должно быть больше, чем на нижних, - иначе будут преобладать процессы поглощения). Совокупность осцилляторов с такой инверсией получила название активного вещества. В квантовых генераторах активным веществом служат возбужденные молекулы и атомы; роль энергетических уровней играет дискретный набор их разрешенных энергетических состояний. В классических мазерных системах, например в космических циклотронных мазерах, осцилляторами являются заряженные частицы в магнитном поле; спектр их энергий непрерывен. Как известно, заряженная частица в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля, движется по окружности с частотой вращения (циклотронной частотой, или гирочастотой) wH = eH/mc (e и m - заряд и масса частицы, H - напряженность магнитного поля, c - скорость света). Заселенность энергетических уровней такими осцилляторами задается распределением частиц по поперечным относительно направления магнитного поля скоростям. Для функционирования космического циклотронного мазера необходимо преобладание осцилляторов с большими поперечными скоростями.

При наличии инверсии в этой системе развивается так называемая циклотронная неустойчивость, которая приводит к лавинообразным переходам заряженных частиц с верхних энергетических уровней на нижние и генерации стимулированного электромагнитного излучения. Но для функционирования мазера, помимо активного вещества, нужно иметь высокодобротную электродинамическую систему, обеспечивающую положительную обратную связь в генераторе. Технически эта связь организуется с помощью зеркал, которые возвращают часть излучения в объем генерации. Родственный по физическим основам лабораторный аналог космических циклотронных мазеров - мазер на циклотронном резонансе - был разработан нижегородскими учеными в начале 60-х годов под руководством А.В.Гапонова-Грехова. Этот электронный прибор предназначался для генерации мощных электромагнитных сигналов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн [1].

Интересно, что ученые столкнулись с эффектами циклотронного мазера еще в одной важной области физики плазмы - касающейся проблем управляемого термоядерного синтеза. В 1960 г. Р.З.Сагдеев и В.Д.Шафранов теоретически предсказали существование циклотронной неустойчивости в плазме, близкой по параметрам к плазме околоземного космического пространства. С точки зрения управляемого термоядерного синтеза циклотронная неустойчивость играла уже вредную (паразитную) роль, препятствуя накоплению горячей плазмы в магнитных ловушках пробочной конфигурации. Именно последний эффект оказался в первую очередь существенным в космическом циклотронном мазере как регулятор плотности потоков заряженных частиц высоких энергий, образующих радиационные пояса Земли.

Космические атрибуты мазера

В природе, разумеется, циклотронные мазеры появились гораздо раньше, чем ученые создали их лабораторные аналоги. Однако потребность понять, как они функционируют в магнитосфере Земли, возникла лишь с началом эры космических полетов и открытием радиационных поясов Земли [2]. Оказалось, что наша планета окружена кольцом очень горячей плазмы, состоящей из электронов и ионов с энергиями от ~10 кэВ до десятков МэВ. Эта область пространства, получившая название радиационных поясов, располагается на расстоянии от 2 до 6 радиусов от центра Земли (напомним, что радиус Земли R0 ~ 6400 км). Различают внутренний и внешний радиационные пояса, находящиеся, соответственно, на расстоянии 2-3 R0 и 3.5-6 R0. Сразу возник вопрос: как формируются радиационные пояса и какую опасность они представляют для космических полетов? Этот вопрос находится в тесной связи с функционированием космического циклотронного мазера, поэтому мы начнем с анализа движения частиц в окрестности Земли.

На рис.1 схематически показана траектория движения отдельной частицы вдоль силовой линии магнитного поля Земли. Частица движется по спирали в соответствии с законом сохранения первого адиабатического инварианта

m = sin2q (HL / H), (1)

где так называемый питч-угол q = (v^H), v - скорость частицы, величина магнитного поля |H| = H растет при движении от экватора к основаниям магнитной силовой трубки (магнитным пробкам), H = HL - значение H на экваторе. Как видно из (1), отражение частицы происходит в точке, где q = p/2 и H = m–1HL.

Рис.1. Схема движения частиц в радиационном поясе. Частицы, скорость которых лежит внутри “конуса потерь” (цветная линия), остаются в плотных слоях атмосферы. Частицы со скоростями вне “конуса потерь” (линия со стрелкой) отражаются от “магнитных пробок” и захватываются геомагнитной ловушкой. Картина движения симметрична относительно экваториального сечения магнитной силовой трубки.

Спиралеобразно двигаясь вдоль магнитной силовой линии, заряженные частицы дрейфуют также поперек силовых линий по замкнутой поверхности, опоясывающей Землю, образуя в результате радиационный пояс.

Очень существенно, что точки отражения частиц с малыми поперечными скоростями попадают, согласно (1), в плотные слои атмосферы (высоты Ј200 км), где быстро теряют энергию в столкновениях с нейтральными частицами и уже не возвращаются в радиационный пояс. Количественно данная область в пространстве параметра m характеризуется конусом потерь, который отвечает неравенству:

m < mc = HL/H0 є s –1, (2)

где H0 - величина H у поверхности Земли; величина s є H0/HL именуется пробочным соотношением.

Таким образом, магнитным ловушкам пробочной конфигурации органически присуща инверсия населенностей по поперечным скоростям: частицы с малыми поперечными скоростями отсутствуют. Но надо ответить на вопросы: откуда берутся электроны и ионы столь высоких энергий в радиационном поясе? Какие механизмы регулируют концентрацию этих частиц?

Дело в том, что в околоземном космическом пространстве действуют ускорительные механизмы, которые особенно интенсивны во время магнитных бурь. В первую очередь эти механизмы обусловлены электрическими полями, генерируемыми при взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли: поля ускоряют и переносят заряженные частицы во внутренние области магнитосферы, формируя радиационный пояс. Удивительным оказался тот факт, что полная концентрация частиц (как электронов, так и ионов) в радиационном поясе переставала расти, достигнув определенного значения, хотя ускорительные механизмы продолжали действовать. Это открытие не только породило фундаментальную физическую проблему - оно имеет и практическое значение. Обнаруженный эффект принципиально важен для безопасности космических полетов на околоземных орбитах, и для него решающее значение имеют процессы, происходящие в космических циклотронных мазерах. Но прежде чем переходить к анализу работы последних, остановимся еще на одной группе экспериментальных фактов.

Говорит ближний космос

При измерениях электромагнитного излучения в звуковом диапазоне частот (0.1ё30 кГц) были обнаружены сигналы естественного происхождения с аномально большой интенсивностью. Сигналы такой амплитуды не удалось связать с какими-либо известными источниками спонтанного излучения. По аналогии с привычной аббревиатурой СВЧ их назвали КНЧ (крайне низкочастотные, f~0.1ё3 кГц) и ОНЧ (очень низкочастотные, f~3ё30 кГц) излучения. Они повторялись регулярно и были тесно связаны с магнитными бурями. Продолжительность КНЧ и ОНЧ излучений достигала нескольких часов, а частотные динамические спектры демонстрировали большое разнообразие. На рис.2 приведены взятые из [3] примеры спектрограмм наиболее типичных сигналов: шипение (шумовое излучение), квазипериодическое излучение с периодами модуляции интенсивности 10ё102 с и дискретные эмиссии, представляющие собой последовательности узкополосных сигналов с растущей частотой и периодом следования 0.1ё1 с. В настоящее время ясно, что эти сигналы и динамика радиационного пояса Земли тесно связаны между собой. По существу КНЧ и ОНЧ излучения разных типов имеют общее происхождение как электромагнитные волны, которые генерируются в радиационном поясе благодаря мазерному механизму, а различные динамические спектры излучений суть следствие различных режимов генерации волн в этом мазере. КНЧ и ОНЧ излучения генерируются электронной компонентой радиационного пояса. В то же время сходные по динамическим спектрам сигналы были обнаружены в диапазоне так называемых короткопериодных геомагнитных пульсаций (частоты f~0.1ё10 Гц). Эти сигналы возбуждаются ионной (в основном протонной) компонентой радиационного пояса.