Способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления

 

Использование: в области геофизики и космической физики, например, с целью оперативного прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: способ определения индукции B магнитного поля в ионосфере Земли основан на определении на борту космического аппарата (КА) направления вектора индукции квазипостоянного магнитного поля Земли, инжекции ортогонально этому направлению пучка ионов и его детектировании на этом же КА. Инжекцию и детектирование пучка ионов осуществляют в импульсном режиме и одновременно определяют величину поля B_з, магнитную составляющую электромагнитного поля B_н вдоль вектора и их суперпозицию в области ларморовской орбиты ионов. При этом задают скорость инжекции V_инж пучка ионов относительно КА и частоту следования f пучка ионов, согласованную с ожидаемой частотой изменения B_н, измеряют время t движения ионов от инжектора до детектора, а также определяют вектор орбитальной скорости аппарата . Устройство определения индукции B в ионосфере Земли содержит размещенные на борту КА инжектор и детектор пучка ионов и векторный магнитометр. В устройство введены регистратор момента вылета пучка ионов на выходе инжектора, блок измерения времени движения пучка ионов от инжектора до детектора, блок определения вектора орбитальной скорости КА, блок памяти и блок обработки и выдачи результатов с вычислением индукции магнитного поля B. При этом выходы регистратора вылета ионов и детектора подключены через блок измерения времени движения ионов к входу блока обработки и выдачи результатов, на другие входы которого через блок памяти подключены выходы векторного магнитометра и блока определения вектора орбитальной скорости аппарата. В качестве регистратора вылета ионов из инжектора на его выходе может быть использован тороидальный охватывающий пучок ионов на выходе инжектора соленоид. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

Изобретение относится к области геофизики и космической физики и может быть использовано при магнитных измерениях на борту космического аппарата (КА). Особенно целесообразно использование изобретения для определения с высокой точностью в реальном масштабе времени индукции магнитного поля в ионосфере Земли с целью оперативного прогнозирования землетрясений, цунами и других катаклизмов естественного и искусственного прохождения.

Одной из важнейших задач экологического мониторинга является прогнозирование районов и сроков возникновения природных катастрофических явлений и, прежде всего, землетрясений, тайфунов и цунами. Результаты исследований космического пространства показывают, что в районах землетрясений за несколько часов до их начала регистрируются возмущения квазипостоянных и переменных (до 20 кГц) электрических и магнитных полей. В частности, в качестве предвестников землетрясений классифицировались следующие регистрируемые явления: эффект повышения интенсивности волновых излучений в КНЧ/ОНЧ-диапазонах (0,1-15 кГц) в магнитных силовых трубках, опирающихся на эпицентральную область надвигающегося землетрясения; генерация квазипостоянных электрических полей и магнитных пульсаций на частотах порядка 1 кГц в ионосфере над очагом землетрясения и в магнитосопряженном районе; возбуждение пульсаций магнитного поля с частотами более 8 Гц в магнитных силовых трубках, соответствующих эпицентральным областям, за 1,5-4 часа до начала землетрясений и др.

Данные измерения относятся к диапазону ультранизких частот (УНЧ), представляющему особый интерес ввиду достаточно низкого уровня помех и возможности использования для предсказания землетрясений, цунами и тайфунов. В этом диапазоне (1-10 Гц) потоки энергии излучения в ионосфере (H ≈ 500 км) имеют спектральный максимум, зависящий от глубины залегания источника тока (предвестника землетрясений) и параметров среды. При горизонтальном размере источника ≈ 20 км характерный размер зоны засветки в ионосфере оценивается величиной ≈ 100 км.

Исследование упомянутых предвестников землетрясений с помощью устанавливаемой на космических аппаратах (КА) датчиковой аппаратуры для измерения электрических и магнитных полей [1] оказывается малоэффективным вследствие высокого уровня электромагнитных помех, создаваемых самими КА и превышающих, как правило, уровень электромагнитных возмущений, связанных с исследуемыми физическими явлениями. В связи с этим представляется целесообразным использование в качестве высокоточного измерительного средства импульсных пучков заряженных частиц, позволяющих измерять индукцию B_з квазипостоянного магнитного поля Земли и магнитную компоненту B_н электромагнитного поля в ионосфере с точностью, которая может быть достигнута известными средствами измерения лишь при условии их установки на специализированных электромагнитно чистых КА. Физическая суть предлагаемого способ измерений заключается в том, что с борта КА испускают поперек магнитного поля Земли пучок ионов с известной энергией таким образом, чтобы он, пройдя по ларморовской окружности, попал на приемник, расположенный на этом же КА. Ларморовский радиус, зависящий от энергии частиц и индукции магнитного поля, может достигать величины нескольких километров. За счет этого обеспечивается существенное ослабление влияния электромагнитных помех на движение ионов [3-4] Систематическое исследование явлений, являющихся предвестниками землетрясений, классическими методами с использованием датчиковой аппаратуры для измерения электрических и магнитных полей на стандартных космических объектах оказывается малоэффективным вследствие высокого уровня электромагнитных помех самих изделий, которые, как правило, превышают уровень электромагнитных возмущений, связанных с исследуемыми физическими явлениями. Решение этих задач может быть реализовано путем использования нетрадиционных способов измерения электрических и магнитных полей с помощью импульсных пучков заряженных частиц ионов как дистанционных диагностических приборов.

Известны способы определения околоземных магнитных полей с помощью магнитометров трехкомпонентного магнитометра с магнитонасыщенными датчиками, рубидиевого магнитометра и двухкомпонентного магнитометра с феррозондовыми датчиками [1] Использование этих способов с применением технически реализуемых на штангах магнитометров на современных космических объектах оказывается малоэффективным вследствие высокого уровня электромагнитных (магнитных) помех самих изделий, превышающих, как правило, уровень электромагнитных излучений, связанных с исследуемыми физическими явлениями.

Известен способ измерения параметров магнитосферы Земли с помощью бариевых облаков [2] Идея способа состоит в создании в магнитосфере сгустка разреженной плазмы путем выброса нейтрального бария с борта космического аппарата и его последующей ионизации солнечным излучением. Поведение ионизированного облака в магнитосфере определяется двумя основными процессами диффузией и дрейфом в электрическом и магнитном полях. Измерение скорости дрейфа сгустка разреженной плазмы позволяет определить радиальную составляющую электрического поля (в направлении наблюдатель бариевое облако), а наблюдение за деформацией разреженного бариевого облака установить направление магнитных силовых линий. Однако эксперименты с бариевыми облаками обладают рядом недостатков, а именно эксперимент с бариевыми облаками необходимо проводить сразу после захода Солнца или перед его восходом, когда облако бария освещается лучами Солнца (для ионизации атомов бария) и когда солнечное излучение, рассеянное на молекулах воздуха, не попадает в объектив фотоаппарата; эксперимент не позволяет определить величину магнитного поля Земли и его градиенты; эксперимент не позволяет определить перпендикулярную составляющую электрического поля, т.к. наблюдать за перемещением облака плазмы вдоль луча зрения невозможно, использование для этой цели эффекта доплеровского смещения спектральных линий (пропорционального радиальной скорости электрического дрейфа) невозможно вследствие его малости для реально существующих электрических полей; невозможна интерпретация процессов, происходящих при расширении бариевого облака в магнитосфере Земли. Анализ условий реализации, точности и темпов обработки информации в экспериментах с бариевыми облаками на современном этапе развития ионосферной физики не позволяет оперативно и достоверно определять параметры магнитного поля, например, для прогноза землетрясения. Более перспективным для магнитных измерений в реальном масштабе времени является предложение [3] использовать для исследования возмущений магнитного поля в ионосфере инжекцию ионных пучков поперек силовой линии магнитного поля с последующим анализом ларморовской окружности ионов. Более детальная проработка предложенной идеи с подробным расчетным обоснованием требований к инжектору и детектору заряженных частиц в устройстве для реализации предложенного способа на орбитальной станции (ОС) МИР изложена в докладе [4] Там рассмотрен эксперимент "Арфа", который предполагалось провести на орбитальной станции (ОС) МИР с использованием транспортного корабля (ТГК) "Прогресс" при полете ТГК в составе ОС МИР, заключающийся в том, что инжектированные ионы аппаратурой "Арфа", установленной на ТГК "Прогрес", после ларморовского оборота в магнитном поле Земли принимаются детектором, который установлен на модуле "Квант" ОС МИР. Там же определен угол инжекции угол между направлением инжекции иона и проекцией орбитальной скорости ОС МИР на плоскость, перпендикулярную вектору индукции локального магнитного поля Земли B_з, при котором реализуется попадание иона в детектор; определен также угол попадания иона в детектор. Однако в докладе не рассмотрены вопросы, связанные с пролетным временем иона от инжектора до детектора, которое заметно отличается от времени ларморовского оборота иона в магнитном поле Земли.

Предложенные в [3-4] технические решения наиболее близки заявляемым способу и устройству к нему.

Способ согласно [3] предполагает инжекцию ионов с одинаковой массой и заданной кинетической энергией в различных направлениях в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, которое предварительно необходимо определить с помощью векторного магнитометра на КА. Приемник ионов с анализатором, определяющим энергию ионов, устанавливается на другом КА, совершающим совместный полет с первым КА. В способе-прототипе [4] фактически проводится оптимазация и конкретизация эксперимента с ионным пучком на борту КА путем выбора фиксированных направлений инжекции ионов с заданной средней кинетической энергией с целью обеспечения максимального тока пучка ионов на приемный детектор после их ларморовского оборота в магнитном поле Земли с индукцией В_з.

Однако способ-прототип [4] не позволяет в реальном масштабе времени на борту КА определить с приемлемой точностью суммарный вектор В, характеризующий возмущенное состояние магнитного поля на орбите и состоящий из векторов индукции В_з и магнитной компоненты В_н электромагнитного поля в ионосфере Земли. Устройство-прототип согласно [4] содержит инжектор ионного пучка, векторный магнитометр и детекторы, показания которых по телеметрическим каналам транслируются на Землю. Оперативный контроль магнитной обстановки с использованием перечисленных средств не предусматривался.

Таким образом, наиболее существенным недостатком прототипа [4] является недостаточная точность и невозможность оперативного анализа магнитной обстановки на орбите в зоне пролета КА, которые необходимы, например, для эффективного прогноза экологических катастроф, связанных с землятрясениями, тайфунами, цунами и т.п.

Задачей изобретения является оперативное с высокой точностью определение магнитной компоненты электромагнитного поля В_н и индукции квазипостоянного магнитного поля B_з для, например, эффективного прогноза надвигающегося землетрясения за счет измерения времени движения иона от инжектора до детектора и учета фактора пространственного смещения КА за время t движения иона от источника до детектора.

Решение поставленной задачи достигается тем, что пучок ионов испускают в виде импульсов с заданными длительностью t_и и частотой их следования f (согласованной с ожидаемой частотой изменения B_н), ограничивая при этом величину разброса кинетических энергий ионов-varT (путем задания скорости инжекции ионов V_инж), измеряют с заданными точностями время t движения ионов от инжектора до детектора, вектор индукции локального магнитного поля Земли B_з, вектор орбитальной скорости КА . Величину В, которая является суперпозицией магнитной компоненты электромагнитного поля В_н и индукции квазипостоянного магнитного поля В_з в ионосфере Земли, вычисляют из следующей системы уравнений:

(здесь символ sqrt определяет операцию извлечения квадратного корня)
где q заряд иона;
c скорость света в вакууме;
Z = t/τ_лар время движения иона от инжектора до детектора в единицах времени τ_лар ларморовского времени обращения иона в магнитном поле Земли, τ_лар= 2·π·(T_ср+E_o)/q·B_з·c²;
E_o энергия покоя иона;
T_ср средняя кинетическая энергия ионов;
n количество полных ларморовских оборотов, соответствующих условиям встречи иона с детектором (величина n ближайшее целое число к величине Z, определенной по результатам измерения t и вычисления τ_лар);
V_aQ проекция абсолютной скорости иона (скорости иона относительно Земли) на плоскость Q, перпендикулярную ;
V_инж скорость инжекции иона (относительно КА), V_инж=c·sqrt(2·T _ср/(E₀+T_ср);
k +1 для случая, когда ион "догоняет" КА (Z>n),
k -1 для случая, когда ион "встречает" КА (Z<n);
орбQ проекция орбитальной скорости КА на плоскость Q,
Сущность данного способа определения магнитной компоненты электромагнитного поля В_н и индукции квазипостоянного магнитного поля В_з в ионосфере Земли состоит и испускании инжектором, расположенном на КА, пучка ионов, его регистрации детектором, расположенном на этом же КА, измерении времени t движения ионов от инжектора до детектора и вычислении величины В, являющейся суперпозицией полей В_н и B_з, из следующего выражения:
B = (T+E_o)·2·π/q·t·c²,
где T кинетическая энергия заряженных частиц;
E₀ энергия покоя заряженных частиц;
q заряд частицы;
c скорость света в вакууме;
t время между моментом инжекции частицы и моментом ее регистрации на приемнике.

Формула для величины В применена на основании известного выражения для периода ларморовского обращения заряженной частицы в магнитном поле Земли (МПЗ):
τ_лар= 2·π·(T+E_o)/q·B_з·c².

Для достижения цели в устройство определения компонент магнитного поля Земли на борту КА, содержащее инжектор, детектор пучка ионов и векторный магнитометр, дополнительно введены регистратор момента вылета ионов на выходе инжектора, блок измерения времени движения пучка ионов от инжектора до детектора, векторный измеритель орбитальной скорости КА, блок памяти и блок обработки и выдачи результатов с вычислителем индукции магнитного поля В. При этом регистратор момента вылета ионов и детектор подключены через блок измерения времени движения пучка ионов к входу блока обработки и выдачи результатов, на другие входы которого через блок памяти подключены векторный магнитометр и векторный измеритель орбитальной скорости КА.

В условиях возможного возникновения плазменных пучковых разрядов (ППР) внутри инжектора или у поверхности КА в качестве регистратора момента вылета ионов рекомендован тороидальный охватывающий пучок ионов на выходе инжектора соленоид, который позволит более объективно судить о моменте вылета пучка ионов из инжектора благодаря гальванической развязке цепей регистрации от источников электропитания инжектора.

Таким образом, при описании сущности изобретения перечислены новые технологические операции и новые средства для их осуществления, которые, как это будет показано ниже, позволяют на 1-2 порядка величины повысить точность определения компонент магнитного поля Земли и оперативно использовать эту информацию, например, для прогнозирования землетрясений.

Данные способ и устройство для его осуществления иллюстрируют
векторные диаграммы на фиг. 1 и фиг. 2, поясняющие возможность реализации способа определения компонент магнитного поля Земли на борту КА, где X, Y, Z оси декартовой и цилиндрической системы координат с началом в точке инжекции ионов, оси X, Y размещены в плоскости листа (плоскости Q), а для оси Z показан направленный от листа след (⊙);
В_з (+) след силовой линии индукции В_з квазистатического магнитного поля, направленного перпендикулярно за плоскость Q;
U_инжQ, U_aQ, U_opбQ компоненты вектора скорости иона ^*ζ, ϕ_o, ϕ(t) начальная и текущая координаты (фазы) иона в исходной системе координат на плоскости Q;
центр ларморовской окружности иона.

Блок-схема устройства для осуществления способа определения индукции магнитного поля в ионосфере Земли приведена на фиг. 3, где 1 инжектор ионов, 2 регистратор момента вылета ионов (тороидальный соленоид), 3- детектор ионного пучка, 4 блок измерения времени движения импульсного сгустка ионов от инжектора до детектора, 5 векторный магнитометр, 6 аппаратура измерения вектора орбитальной скорости КА, 7 блок памяти исходных данных, 8 блок обработки информации и выдачи результатов, 9 бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ).

Варианты инжекторов ионов иллюстрируют фиг 4 и фиг. 5. Инжектор ионов 1 на фиг. 4 включает в себя 10 источник ионов, 11 блок импульсного доускорения ионов, 12 систему подачи рабочего тела, 13 блок управления подачей рабочего тела, 14 блок электропитания источника ионов, 15 генератор высоковольтных доускоряющих импульсов, 16 задающий генератор.

На фиг. 5 представлен вариант инжектора ионов 1 на базе ускорителя с вынесенным полем (УВП), где 17 магнитопровод источника ионов, 18 анод - газораспределитель, 19 источник магнитодвижущей силы, 20 изолятор, 21 - катод в виде металлического экрана раструба, 22 допускающая ионно-оптическая система.

Возможность реализации способа и устройства и их эффективность при решении поставленных задач иллюстрируют таблицы, где в таблице 1 дана погрешность способа-прототипа, а в таблице 2 погрешность настоящего способа.

Способ определения индукции магнитного поля Земли иллюстрируют векторные диаграммы на фиг. 1 и фиг. 2. Решение поставленной задачи определения магнитного поля в ионосфере Земли достигается тем, что пучок ионов испускают в виде импульсов с заданными длительностью t_и и частотой их следования f, ограничивая при этом величину разброса кинетических энергий ионов-varT, измеряют с заданными точностями время t движения ионов от инжектора до детектора, вектор индукции локального магнитного поля Земли В_з, вектор орбитальной скорости КА V_орб. Величину В, которая является суперпозицией магнитной компоненты электромагнитного поля В_н и индукции квазипостоянного магнитного поля В_з в ионосфере Земли, вычисляют из следующей системы уравнений:

где q заряд иона;
c скорость света в вакууме;
Z = t/τ_лар время движения иона от инжектора до детектора в единицах времени τ_лар ларморовского времени обращения иона в магнитном поле Земли, τ_лар= 2·π·(T_ср+E_o)/q·B_з·c²;
E₀ энергия покоя иона;
T_ср средняя кинетическая энергия ионов;
n количество полных ларморовских оборотов, соответствующих условиям встречи иона с детектором (величина n ближайшее целое число к величине Z, определенной по результатам измерения t и вычисления τ_лар);
V_аQ проекция абсолютной скорости иона (скорости иона относительно Земли) на плоскость Q, перпендикулярную ;
V_инж скорость инжекции иона (относительно КА), V_инж c·sgrt(2·T_ср/(E₀ + T_ср);
k +1 для случая, когда ион "догоняет" КА (Z>n),
k -1 для случая, когда ион "встречает" КА (Z<n);
орбQ проекция орбитальной скорости КА на плоскость Q,

Сущность способа определения магнитной компоненты электромагнитного поля B_н и индукции квазипостоянного магнитного поля B_з в ионосфере Земли состоит в испускании инжектором, расположенным на КА, пучка ионов, его регистрации детектором, расположенным на этом же КА, измерении времени t движения ионов от инжектора до детектора и вычислении величины B, являющейся суперпозицией полей B_н и B_з, из следующего выражения:
B = (T+E_o)·2·π/q·t·c² (5)
где T кинетическая энергия заряженных частиц;
E₀ энергия покоя заряженных частиц;
q заряд частицы;
c скорость света в вакууме;
t время между моментом инжекции частицы и моментом ее регистрации на приемнике.

Формула (5) применена на основании известного выражения для периода ларморовского обращения заряженной частицы в магнитном поле Земли (МПЗ):
τ_лар= 2·π·(T+E_o)/q·B_з·c² (6)
Однако использование в выражении (5) величины t вместо τ_лар приводит (как будет видно ниже) к существенной погрешности определения величины B и связано с тем, что ларморовская орбита иона в общем случае не замыкается на детекторе и реализация условий попадания иона в детектор возможна при прохождении ионом пути, меньшего или большего длины ларморовской окружности (или в общем случае нескольких таких длин).

Для количественной оценки величины рассмотрим задачу реализации космического эксперимента по инжекции пучка ионов с КА и его регистрации детектором, установленным на этом же КА. Выберем декартову и цилиндрическую системы координат, совместив начало координат с инжектором пучка, при этом ось Z направим против силовой линии магнитного поля Земли. Обозначим через Q плоскость, проходящую через начало координат и перпендикулярную к силовой линии магнитного поля Земли; ось X в плоскости Q направим вдоль вектора (фиг. 1, 2). составляющая орбитальной скорости КА на плоскость .

Уравнения движения иона будут иметь вид

где n число полных оборотов, совершенных ионом до встречи с детектором;
ϕ_o начальная координата (фаза) иона полярный угол между осью X и направлением составляющей в плоскости Q абсолютной (относительно Земли) скорости иона в начальный момент времени t₀ 0;
ω_лар ларморовская (циклическая) частота обращения иона в магнитном поле Земли;
R_лар ларморовский радиус обращения иона в магнитном поле Земли.

Для рассматриваемого нерелятивистского случая T_кин<E имеем [4]
ω_лар= q·B_з·c²/2·π·(E_o+T) (9)
R_лар m·V_аQ/q·B_з (E₀ + T)·V_аQ/q·B_з·c² (10)
B_з(f) B_о·sqrt(1 + 3·sin²(f)·sin²(i_о) (11)
где q заряд иона;
B_з индукция локального магнитного поля Земли;
i_о угол наклона орбиты, i_о 51,6^o;
f текущий угол положения изделия на орбите, f = 2·π·t/T_орб;
t текущий момент времени, определяющий положение изделия на орбите и отсчитываемый от момента t_о 0 нахождения изделия в восходящем узле орбиты;
T_орб период орбитального движения изделия;
c скорость света в вакууме;
V_аQ составляющая абсолютной скорости иона в плоскости Q;
m масса иона;
m₀ масса покоя иона (для нерелятивистского случая m m₀, E E₀).

Уравнения движения детекторов КА в той же системе координат имеют вид
ϕ_д(t) = 0 (12)
r_д(t) D_орбQ·t. (13)
Условия встречи иона с детектором имеют вид
ϕ_и(t) = ϕ_д(t) (14)
r_и(t) r_д(t). (15)
После подстановки в (14) и (15) выражений (7), (8), (12), (13) получаем

Добавим к уравнениям (16), (17) выражения, полученные на основании применения теоремы синусов и косинусов (фиг. 1 и фиг. 2), а также известные соотношения, связывающие циклическую частоту ларморовского обращения ω_лар, период ларморовского обращения τ_лар, радиус ларморовского обращения R_лар и проекцию абсолютной скорости иона на плоскость :

При этом следует иметь в виду, что только ионы, инжектированные перпендикулярно к , могут после совершения ларморовского оборота быть зарегистрированы детектором, а поэтому в выражениях (18), (19) и на фиг. 1, 2 считаем, что V_инжQ V_инж. Исключив из системы уравнений (16).(21) величины ϕ_o, ω_лар, R_лар, вводя безразмерную величину Z = t/τ_лар, позволяющую исчислять время t движения иона от инжектора до детектора через время ларморовского оборота τ_лар, получим окончательно следующую систему уравнений:

где K +1 для случая фиг. 1а (ион "догоняет" детектор) и K -1 для случая фиг. 1б (ион "встречает" детектор).

Из выражений (5), (6) легко получить, что относительная погрешность определения B_з по формуле (5), связанная с неучетом фактора движения КА на орбите, в способе-прототипе дается выражением

В табл. 1 приведена относительная погрешность η_орб определения B из выражения (5), вычисленная на основании выражений (22), (23), (24) для положения ОС МИР в точке кульминации орбиты (в формуле (11) f 90^o), при этом n 1, k 1, а V_орбQ определяется выражением [6]

Как видно из табл. 1, без учета фактора движения КА по орбите нельзя получить относительную погрешность измерения магнитного поля ниже значения 6·10^-3 даже при использовании ионов водорода с энергией T₂ 10 кэВ.

Относительная погрешность вычисления величины B на основании выражения (5) определяется

Как видно из выражения (26), относительная погрешность вычисления магнитного поля по формуле (5) зависит от погрешностей определения (измерения) следующих величин:
кинетической энергии инжектируемого иона T (var T);
времени t на изделии (vart).

Рассмотрим каждый из этих двух факторов, влияющих на относительную точность определения магнитного поля B, и оценим ожидаемые значения этих величин при реализации указанного выше способа в космическом эксперименте с помощью аппаратурных средств, которые могут быть созданы в настоящее время. Рассмотрение проведем для низкоорбитальных космических средств (высота орбиты H<R, где R_з радиус Земли). Ниже приведены результаты для источников ионов ускорителей с вынесенным полем с кинетической энергией T₁ 1 кэВ и T₂ 10 кэВ при их установке на орбитальном комплексе (ОК) МИР (орбита функционирования ОК H 350-400 км).

В созданном в настоящее время источнике ионов (ИИ-1) для проведения космического эксперимента "Оптика" с рабочим телом кислородом не предъявлялось требований к монохроматичности пучка ионов, которая по экспериментальным данным определяется величинами varT < 1 КэВ и относительной погрешностью η_{кин u} в виде

поэтому влиянием немонохроматичности пучка (первый член выражения (26) на точность измерения магнитного поля можно пренебречь.

Погрешность vart измерения времени t_и на изделии определяется длительностью импульса тока инжектируемого пучка t и минимальным временем формирования импульса тока пучка ионов vart t_форм.

Время формирования импульса тока пучка ионов t_форм определим, как время пролета ионом ускоряющего промежутка. Оценки проведем в пренебрежении собственным полем заряда (поле ионов в ускоряющем промежутке принималось равным десятой части от величины приложенного внешнего поля это условие обеспечивает приемлемую монохроматичность ионов в импульсе и плотность тока ионов).

Тогда
t_форм (L/c)·sqrt(2·E₀/q·U₀); (28)
I_ион 0,2·U₀·e₀/t_форм·L, (29)
где I_ион плотность тока ионов;
L размер ускоряющего промежутка;
U₀ величина приложенного напряжения;
e₀ диэлектрическая проницаемость вакуума;
E₀ энергия покоя иона.

В табл. 1 приведены расчетные значения погрешности η_форм= t_форм/τ_лар для U₀ 10 кэВ и L 1 см (I_ион 3 мА/см²). Результаты показывают, что η_форм≪ η_орб. Таким образом, реализация способа-прототипа не позволяет получить погрешность в измерении магнитного поля меньше, чем величина η <6·10^-3. Однако электромагнитный мониторинг ионосферы с целью обнаружения и анализа предвестников землятрясений, обнаружения и контроля природных и техногенных катастроф из космоса требует точности определения B с погрешностью var B/B ≅ 10^-4.

В табл. 2 приведены расчетные значения var B/B, вычисленные из системы уравнений (1), (2), (3) в предположении, что погрешность измерения средней скорости ижекции, зависящей от кинетической энергии T_ср ионов, и погрешность вычисления проекции орбитальной скорости КА на плоскость - V_орбQ составляет 1% т.е. var V_орбQ/V_орбQ 0,01 и var V_инж/V_инж 0,01. Расчеты проведены для K +1, n 1, T_ср 10 кэВ для рабочих тел водорода и кислорода.

Как видно, погрешность вычисления (B) из выражений (1), (2), (3) как минимум на порядок (для водорода на два порядка) меньше величины погрешности измерения этих величин. Именно это обстоятельство позволяет утверждать, что математическая модель, реализующая предложенный способ, позволяет учесть фактор пространственного смещения КА за время ларморовского оборота(ов) и реализовать поставленную цель с высокой точностью определить магнитную компоненту электромагнитного поля B_н и индукцию квазипостоянного магнитного поля B_з в ионосфере Земли.

На Фиг 3 представлена общая блок-схема устройства, реализующая данный способ. Схема включает инжектор 1 ионов, состоящий из источника ионов и блока импульсного доускорения ионов, регистратор 2 момента вылета ионов на выходе инжектора, детектор 3 ионного пучка, блок 4 измерения времени движения импульсного сгустка ионов от инжектора до детектора, векторный магнитометр 5, аппаратуру 6 измерения вектора орбитальной скорости КА, блок 7 памяти исходных данных, блок 8 обработки информации и выдачи результатов, бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) 9. При этом выходы регистратора 2 момента вылета ионов и детектора 3 подключены через блок 4 измерения времени пролета ионов пучка к входу блока 8 обработки и выдачи результатов, на другие входы которого подключены выходы векторного магнитометра и векторного измерителя орбитальной скорости КА. Однако в полетных условиях для каждого участка орбиты параметры векторов B_з и U_орб известны с высокой точностью и могут быть заранее введены в блок 7 памяти исходных данных и извлечены (направлены) на входы блока 8 обработки и выдачи результатов в нужное время в соответствии с программой вычисления индукции B.

Поэтому в формуле изобретения аппаратура для определения вектора орбитальной скорости V_орб обозначена более широко как блок определения вектора орбитальной скорости КА. Для простоты изложения управление приборами на функциональной схеме фиг. 3 представлено от БЦВМ 9, хотя в действительности возможны и альтернативные схемы управления по командной радиолинии (БКРЛ) из ЦУПА (Центра управления полетом) или с пульта управления оператора-космонавта. На фиг. 3 показаны соответствующие связи управления и электропитания от БЦВМ с приборами 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Там же в качестве регистратора 2 момента вылета ионов на выходе инжектора 1 установлен тороидальный охватывающий пучок ионов на выходе инжектора соленоид, гальванически развязанный от БЦВМ и от других блоков, что позволяет исключить подачу ложного помехового сигнала на вход блока 4 в условиях возможного возникновения плазменно-пучкового разряда (ППР) внутри инжектора или у поверхности КА и повышает достоверность проводимых измерений в сложных эксплуатационных условиях на борту КА.

Система работает следующим образом. При наличии требуемой ориентации инжектора 1 ионов (вектора скорости ионов) относительно магнитного поля и вектора орбитальной скорости движения КА БЦВМ 9 включает приборы 1, 3, 4, 7, 8 системы, при этом начинается инжекция импульсов ионов инжектором 1 и прием их детектором 3, информация поступает в блок 4 измерения времени, который определяет промежуток времени между сигналами, пришедшими от приборов 2 и 3. Блок 8 обработки информации принимает данные от
блока 4 измерения о времени движения импульса ионов от инжектора до детектора;
магнитометра 5 о векторе магнитной индукции в области движения иона;
измерительной аппаратуры 6 о векторе орбитальной скорости КА - V_орбQ;
блока 7 памяти основные параметры, определяющие математическую модель предлагаемого способа (T_ср, E₀, q, c, V_инж). Блок 8 обработки информации определяет V_орбQ и вычисляет значение B (из системы уравнений (1), (2), (3)) и через систему ТМ передает информацию на Землю.

Для скорейшей реализации натурного эксперимента и подтверждения промышленной применимости и эффективности данного способа при минимальных экономических затратах в качестве блока источника ионов и блока доускорения могут быть использованы прошедшие лабораторные испытания технологический образец инжектора на базе ускорителя с вынесенным полем УВП и технологические образцы научной аппаратуры (НА) "Источник" или НА "Арфа-Э", как источник коротких высоковольтных импульсов напряжения (штабные образцы НА "Источник" и НА "Арфа-Э" в настоящее время успешно функционируют в составе ОС МИР). В качестве векторного магнитомера, аппаратуры измерения вектора орбитальной скорости КА и блока измерения времени движения импульсов сгустка ионов от инжектора до детектора могут быть использованы штатные системы орбитальной станции МИР. Обработка данных о магнитном поле Земли с помощью БЦВМ отработана на станции МИР при выполнении программы геофизических экспериментов "Фокус". Для реализации эксперимента требуется дополнить алгоритмы БЦВМ гибкими циклограммами с данными о магнитном поле Земли и векторе орбитальной скорости станции МИР. Информация в каждой точке орбиты о величинах (V_орбQ) позволяет определить угол ζ_o угол между направлением инжекции ионов (осью инжектора ионов) и проекцией орбитальной скорости на плоскость Q (при этом угол между вектором и осью инжектора должен быть равен 90^o). Практически сеанс работы системы должен иметь место всякий раз, когда ось инжектора оказывается перпендикулярной вектору индукции B_з магнитного поля Земли. Выбор варианта реализации попадания иона в детектор 3 (ион "догоняет" или "встречает" детектор, определение числа оборотов n) должен проводиться с учетом разброса скоростей инжектируемых ионов по величине и направлению. Для реализации эксперимента требуется детектор 3 импульсных сгустков ионов с выдачей сигнала о времени прихода ионов в детектор. Прототипом данной системы является научная аппаратура (НА) "Индикатор" (в настоящее время с аппаратурой "Индикатор" начаты натурные эксперименты на ОС МИР).

На фиг.4 представлен вариант реализации инжектора 1 ионов и блока доускорения со структурной схемой подблоков управления напряжениями источника ионов и блока доускорения. Инжектор ионов включает источник 10 ионов, блок 11 импульсного доускорения ионов, систему 12 подачи рабочего тела, блок 13 управления подачей рабочего тела, блок 14 электропитания источника ионов, генератор 15 высоковольтных доускоряющих импульсов, задающий генератор 16.

На фиг. 5 в качестве примера реализации инжектора 1 на базе ускорителя с вынесенным полем (УВП) представлена конструктивная схема прибора, которая включает магнитопровод 17 источника ионов, анод газораспределитель 18, источник 19 магнитодвижущей силы, изолятор 20, катод 21 в виде металлического экрана-раструба, доускоряющую ионно-оптическую систему 22, систему 12 подачи рабочего тела, блок 13 управления подачей рабочего тела, блок 14 электропитания источника ионов, генератор 15 высоковольтных доускоряющих импульсов, задающий генератор 16.

Поскольку генерация импульсов ионов будет проводиться с частотой f_к, задаваемой генераторами Г_к, то получаемые значения B от каждого сгустка будут следовать с той же частотой. Например, в аппаратуре "Источник" используются три задающих генератора с частотами 10, 140, 1000 Гц, энергия ионов кислорода в режиме постоянного тока на выходе равна 500 ± 50 эВ, энергия доускорения T_кин 10 кэВ, импульсный ток пучка ионов равен 10± 3 мА, длительность импульса равна 3,5 + 10 мкс. В настоящее время в рамках НИР КОЛЬЦО в РКК разрабатывается научная аппаратура электромагнитометра ионно-лучевого (НА ЭМИЛ), которая позволит реализовать предполагаемые способ и устройство определения индукции B магнитного поля в ионосфере на борту ОС МИР. При этом в 1995-1996 г. г. будет проведен демонстрационный эксперимент с НА ЭМИЛ-1, в котором в качестве инжекторов будут использованы ионные и плазменные инжекторы (ИИ-1, ИПИ-1000, ИПИ-2000) с ожидаемыми углами расходимости в пределах 10^o и широким энергетическим спектром ионов (от сотен эВ до единиц и десятков КэВ), что позволит с уверенностью зарегистрировать ионы после их полного или частичного оборота в магнитном поле ионосферы Земли.

В 1996-1998 г. г. планируется проведение испытаний НА ЭМИЛ-2 с обеспечением требуемых параметров ионных пучков для достижения ожидаемой точности в предлагаемом способе и устройстве для определения индукции B магнитного поля в ионосфере Земли на траектории полета КА.

Формула изобретения

1. Способ определения индукции В магнитного поля в ионосфере Земли, основанный на определении на борту космического аппарата (КА) направления вектора индукции квазипостоянного магнитного поля Земли и последующей инжекции ортогонально этому направлению пучка ионов и его детектирования на этом же КА, отличающийся тем, что инжекцию и детектирование пучка ионов осуществляют в импульсном режиме и одновременно определяют величину квазипостоянного магнитного поля В_з и магнитную составляющую электромагнитного поля В_н вдоль вектора при этом задают скорость инжекции v_инж пучка ионов относительно КА и частоту следования f пучка ионов, согласованную с ожидаемой частотой изменения В_н, измеряют время движения ионов от инжектора до детектора, определяют вектор орбитальной скорости аппаратов и по полученным результатам вычисляют индукцию В как суперпозицию магнитной компоненты В_н электромагнитного поля и индукции В_з квазипостоянного магнитного поля в области ларморовской орбиты ионов из следующей системы уравнений:
B = B_н+B_з= 2π·(T_ср+E_o)·Z/q·t·c²,
sin(π·(Z-n)) = Z·K·v_орбQ/v_aQ,

где q заряд иона;
с скорость света в вакууме;
Z = t/τ_лар - время движения иона от инжектора до детектора, выраженное в единицах времени t лар-ларморовского времени обращения иона в магнитном поле Земли;
Е_о энергия покоя иона;
Т_ср средняя кинетическая энергия ионов;
n количество полных ларморовских оборотов, соответствующих условиям встречи иона с детектором (величина n ближайшее целое число к величине Z, определенной по результатам измерения t и вычисления τ_лар);
v_aQ проекция абсолютной скорости иона (скорости иона относительно Земли) на плоскость Q, перпендикулярную
v_инж скорость инжекции иона (относительно КА)
v_инж=с·sqrt(2·T_ср/(Е₀ + Т_ср);
K +1 для случая, когда ион "догоняет" КА (Z > n);
K -1 для случая, когда ион "встречает" КА (Z < n);
v_орбQ проекция орбитальной скорости КА на плоскость Q

2. Устройство для осуществления способа определения индукции В в ионосфере Земли, содержащее размещенные на борту космического аппарата (КА) инжектор и детектор пучка ионов и векторный магнитометр, отличающееся тем, что в него введены регистратор момента вылета пучка ионов на выходе инжектора, блок измерения времени движения пучка ионов от инжектора до детектора, блок определения вектора орбитальной скорости КА, блок памяти и блок обработки и выдачи результатов с вычислителем индукции магнитного поля В, при этом выходы регистратора вылета ионов и детектора подключены через блок измерения времени движения ионов к входу блока обработки и выдачи результатов, на другие входы которого через блок памяти подключены выходы векторного магнитометра и блока определения вектора орбитальной скорости аппарата.

3. Устройство для осуществления способа по п.2, отличающееся тем, что в качестве регистратора вылета ионов из инжектора на его выходе установлен тороидальный охватывающий пучок ионов на выходе инжектора соленоид.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6