Взаємодія хвиль і частинок при інжекції модульованого електронного пучка в іоносферну плазму. Теорія та експеримент

0554747 - ÚFA 2022 RIV UA ukr J - Článek v odborném periodiku
Baranets, N. V. - Ruzhin, Y.Y. - Vojta, Jaroslav
Взаємодія хвиль і частинок при інжекції модульованого електронного пучка в іоносферну плазму. Теорія та експеримент.
[Wave-particle interaction during electron beam-modulated injection into the ionospheric plasma. Theory and experiment.]
Kosmicna nauka i tehnologia. Roč. 27, č. 6 (2021), s. 16-37. ISSN 1561-8889. E-ISSN 2518-1459
Institucionální podpora: RVO:68378289
Klíčová slova: beam instabilities * cyclotron resonances * wave-particle interaction * whistlers
Obor OECD: Fluids and plasma physics (including surface physics)
Způsob publikování: Open access
https://www.mao.kiev.ua/biblio/jscans/knit/2021-27/knit-2021-27-6-02-baranets.pdf

Представлено результати активного експерименту в космосі з інжекцією пучків заряджених частинок (електронів та іонів ксенону), проведеного на станції «Інтеркосмос-25» і дочірньому субсупутнику «Магіон-3». Результати експерименту отримано в умовах, коли пучки частинок було інжектовано у протилежних напрямках відносно магнітного поля B0 таким чином, що електронна інжекція була напрямлена до Землі. Механізми пучкових нестійкостей розглянуто щодо збудження електростатичних і електромагнітних хвиль свистового діапазону при інжекції пучка електронів (~10 кеВ, 0.1 А) з борту «Інтеркосмос-25». Розвиток поперечної нестійкості на першому циклотронному резонансі призводить до збудження свистових хвиль, спрямованих назустріч потоку інжектованих електронів (від Землі). Об’єктом досліджень були збурені інжекцією потоки іоносферних електронів в широкому діапазоні енергій 27 еВ...412 кеВ, зареєстровані за допомогою спектрометрів заряджених частинок на субсупутнику «Магіон-3». Тобто, взаємодія свистів з потоками іоносферних електронів була простимульована механізмами передачі енергії типу «частинка — хвиля — частинка». Числові результати розвитку нестійкостей розглянуто також у порівнянні зі значеннями основних параметрів теплової плазми, отриманими в різних точках простору на станції та субсупутнику. Збудження поздовжньої та поперечної пучкових нестійкостей неминуче призведе до їхньої конкуренції, що матиме вплив на результати експерименту. Дані стимульованих потоків іоносферних електронів дозволяють дослідити різноманітні ефекти взаємодії хвиля — частинка з урахуванням впливу швидкості росту поздовжньої нестійкості на кут збудження свистів та їхню структуру. Такий підхід базується на результатах лабораторних експериментів щодо визначення діаграми спрямованості збуджених свистів для електричної дипольної антени та аналогії пучково-плазмового каналу з випромінювальною системою. Результати розглянутого активного експерименту підтверджують залежність швидкості росту поперечних хвиль від розвитку поздовжньої пучкової нестійкості.

We present the results of the active space experiment with charged particle beam's injection (electrons and xenon ions) carried out onboard Intercosmos-25 station and daughter Magion-3 subsatellite. The ones are obtained under conditions when the particle beams were injected in opposite directions relative to the magnetic field B0 in such a way that the electron injection was directed towards the Earth. Mechanisms of beam-plasma instabilities relative to the excitation of electrostatic and electromagnetic waves are considered during the electron beam injection (~10 keV, 0.1 A) from the Intercosmos-25 station. Development of transverse instability on the first cyclotron resonance leads to the excitation of whistler mode waves backward-propagating relative to the injected electrons (from the Earth).
The investigation object was the beam-excited differential fluxes of ionospheric electrons in a wide energetic range of 27 eV — 412 keV registered by the charged particle spectrometers onboard the Magion-3 subsatellite. Thereby, the interaction of whistler waves with ionospheric electron fluxes is stimulated by the energy transfer mechanisms such as 'particle-wave-particle'. Numerical results of beam-plasma instabilities are compared also with thermal plasma parameters registered at different space points on the station and subsatellite. Excitation of longitudinal and transverse beam-plasma instabilities will inevitably lead to their competition, which will affect the results of the experiment.
The data of stimulated fluxes of ionospheric electrons allow us to investigate the various effects of the wave-particle interaction, taking into account the influence of the growth rate of longitudinal instability on the excitation angle of whistlers and their structure. This approach is based on the results of laboratory experiments to determine the pattern of excited whistlers for an electric dipole antenna and the analogy of the beam-plasma channel with the radiating system. The results of the active space experiment confirm the dependence of the growth rate of whistler mode waves on the development of longitudinal beam instability.
Trvalý link: http://hdl.handle.net/11104/0329412