Определение плотности фотоэлектронного тока на основе сопоставления измерений потенциала спутника «Интербол-2» относительно плазмы зондовыми приборами ИЭСП-2 и КМ-7

Измерения потенциала спутника « Интербол -2» проводилось двумя приборами – ИЭСП -2 [1, 2] и КМ -7 [3]. « Интербол -2» был выведен на орбиту ( апо гей 19211 км , перигей 769 км ) 29 августа 1996 г . в пе риод низкой солнечной активности , через три месяца после начала 23 цикла . Как показано в работе [4] на основе измерений Pioneer Venus за период 1979– 1987 гг ., интенсивность фотоэмиссии меняется при близительно в два раза с солнечной активностью и максимальный вклад ( ≈ 51 %) в фототок вносит излу чение в L _α (1215 Å). Если космический аппарат долго подвергается воздействию солнечного излучения в магнитосферной плазме , то плотность фотоэлек тронного тока может достигать величин в пределах 5÷8 нА . см ^–2, т . е . превосходить значения , измерен ные в лабораториях (1÷4 нА см ^–2) для этих же чистых материалов . В ионосферной плазме плотность фото электронного тока близка к результатам лабораторных измерений или ниже их [5]. Для спутника « Интербол -2» в работе [6] была получена оценка плотности фото тока , равная 2.98 нА . см ^–2, на основе лабораторных измерений фотоэмиссии материалов , применявшихся при изготовлении панелей солнечных батарей . Фото электронная эмиссия уменьшается после прохождения спутником низких высот . Заметим , что перигей орби ты спутника Интербол -2 составлял 769 км . Как прави ло , фотоэлектронный ток возрастает со временем функционирования аппарата в космосе . Этот эффект наблюдался на Viking и ISEE-1, но не был обнаружен на спутнике Freja, который постоянно находился в плотной ионосферной плазме [7].

Фотоэлектронный ток является главным фактором, приводящим потенциал спутника к положительному значению. Положительный потенциал зависит в основном от плотности и в меньшей степени от электронной температуры плазмы. Педерсен и его коллеги предложили определять концентрацию окружаю- щей плазмы на основе измерений потенциала в магнитосфере на ISEE-1 и других спутниках. В этих случаях потенциал был положительным и плотность плазмы заключена в пределах 0.1–100 см–3 [8, 9]. Благодаря развитию этой методики возрос научный интерес к определению потенциала спутника, который ранее считался техническим параметром. В работе [10] была сделана попытка на основе измерений потенциала спутника «Интербол-2» прибором ИЭСП-2 определить концентрацию электронов.

Процедура определения плотности фотоэлек тронного тока

Процедура определения плотности фототока на спутнике « Интербол -2» основана на сопоставлении одновременных измерений приборами ИЭСП -2 и КМ -7 разности потенциалов между зондом и спут ником ( U _ps ) при определенном токе смещения ( I _b ).

Прибор КМ -7 предназначен для измерения элек тронной температуры и электрического потенциала в диапазоне ± 10 В , которые определяются методом подбора параметров из вольт - амперных ( ВА ) харак теристик . Зонд прибора КМ -7 установлен в плоско сти вращения спутника .

Прибор ИЭСП -2 сконструирован по классиче ской схеме измерений электрического поля двой ным зондом , подобные конструкции использовались на многих спутниках . Прототип этого прибора ИЭСП -1 [11] летал на спутнике « Болгария -1300». На спутнике « Интербол -2» для измерений используют ся шесть сферических зондов , укрепленных на кон цах трех пар длинных штанг . Прибор ИЭСП -2 опре деляет величину U ps для всех зондов , но измерения потенциала спутника представляются средними зна чениями U ps , полученными для двух сфер , установ ленных на штангах в плоскости вращения .

Зондовые эксперименты ИЭСП-2 и КМ-7 методически идентичны, так как используют один и тот же метод измерения – сферический зонд Ленгмюра, измеряют один и тот же параметр Ups, но имеют отличия в технической реализации:

• •    КМ -7 измеряет ВА - характеристики , состоя щие из 11 пар значений I _b и U _ps , а ИЭСП -2 измеря ет U _ps при постоянном значении I _b , т . е . измерения КМ -7 можно интерпретировать как измерения 11 приборов типа ИЭСП -2;

• •    ИЭСП -2 измеряет потенциал между зондом и спутником при постоянном отрицательном токе смещений –72 нА или –110 нА , КМ -7 снимает ВА - характеристики в результате сканирования положи тельного тока смещения от 153 нА до 0.15 нА , при чем каждое последующее значение I b получается делением пополам предыдущего ;

• •    зонд прибора КМ -7 защищен экраном от УФ - эмиссии , а зонды прибора ИЭСП -2– нет ;

• •    зонд прибора КМ -7 – полая металлическая сфе ра радиусом 6 см , а для зондов ИЭСП -2 использова лись полые графитовые сферы радиусом 4 см [12].

Так как прибор КМ -7 можно интерпретировать как функционирование 11 приборов типа ИЭСП -2, то одновременные измерения этих приборов можно сопоставить . КМ -7 передавал ВА характеристики , измеряемые за 5.12 с , при помощи телеметрии СТО [13], прибор ИЭСП -2 использовал также ССНИ [14], но в этой работе анализировались только данные СТО – около 350 участков орбит в авроральной зоне магнитосферы . ИЭСП -2 при помощи телеметрии СТО передавал результаты измерений с частотой опроса 400 мс , т . е . за время регистрации ВА - характеристик прибор ИЭСП -2 измерял потенциал спутника ≈ 12 раз .

Разность потенциалов , измеренная между струк турой спутника и зондом (– U _ps ), можно принять как значение потенциала спутника , если потенциал зон да лежит вблизи плазменного потенциала . Это усло вие выполняется в достаточно плотной плазме в ионосфере , а в магнитосфере для приведения элек трического потенциала зонда к потенциалу окру жающей плазмы используется ток смещения . Ток смещения ( I b ) – это созданный технически поток электронов с зонда на спутник ( положительный ток смещения ) или , наоборот , с космического аппарата на зонд ( отрицательный ток смещения ). Если зонд находится в плазме с малой плотностью и подверга ется солнечному излучению ( как зонды ИЭСП -2), то ток смещения должен быть отрицательным , чтобы компенсировать поток фотоэлектронов с поверхно сти зонда , но если зонд установлен таким образом , что защищен от воздействия ультрафиолетовой эмиссии ( как зонд КМ -7), то ток смещения должен быть положительным , чтобы компенсировать избы ток тепловых электронов , собранных зондом . Вели чина тока смещения на космических аппаратах ISEE-1,2 была от 0 до –200 нА , для аналогичного экс перимента ИЭСП -2 на спутнике « Интербол -2» I _b = –72 нА от начала полета до марта 1997 г . и –110 нА после , а для ИЭСП -1 I b =0, так как этот прибор функциониро вал в ионосфере . Поверхность спутника « Интербол -2» была сделана равномерно проводящей [15], что яв ляется необходимым условием применения тока смещения .

Мы сопоставляем U ps для прибора КМ -7 с – U ps для ИЭСП -2, так как к зондам ИЭСП -2 и КМ -7 при менялись токи смещения противоположных знаков . В работе [16] было показано , что вариации U ps / КМ -7 и – U _ps / ИЭСП -2 во многих случаях совпадают . Как следствие этого сопоставления , на основе измере ний U _ps прибором КМ -7 можно сконструировать измерения виртуального датчика типа зонда прибо ра ИЭСП -2, но работающего в тени ( подобно зонду КМ -7). Постоянный ток смещения этого виртуально го датчика можно вычислить из ВА - характеристики прибора КМ -7, принимая во внимание различие в размерах поверхностей зондов , так как R KM-7 =6 см , R IESP =4 см , то S KM-7 / S IESP =2.25. Следовательно , ток смещения для сконструированного нами зонда ( ИЭСП -2 в тени ) равен I b(KM-7) /2.25. Это дает возмож ность оценить величину электронного тока зонда при бора ИЭСП -2. Ток смещения I b входит в уравнение баланса токов на зонд : I e + I b + I i + I ph =0, где I e – элек тронный ток , I i – ионный ток и I ph – фотоэлек - тронный ток . Ионный ток можно не принимать во внимание при оценках фототока , так как он много меньше элек тронного , согласно сведениям из литературы I _i ≤ 0.05 I _e . Мы игнорируем также эффекты энергичных частиц ( и вторичных электронов ), которые обычно менее значи мы , чем фотоэлектронный эффект . Если I e + I b ~ I ph , то можно предполагать , что потенциал зонда достаточно близок к потенциалу плазмы [17]. Чтобы определить I _ph , необходимо оценить I _e . Из сказанного выше следу ет , I e = I b(KM-7) /2.25. Для определения фотоэлектрон ной плотности тока ( J ⁰ _ph ) следует использовать величину поверхности з онд а , освещенной Солн цем : S _IESP = S _IESP /4 ≈ 50.24 см ². Можно предполо жить , что фотоэмиссионные свойства зонд ов ИЭСП -2 и спутника « Интербол -2» совпадают , так как в отсутствие тока смещения (– U _ps / ИЭСП -2) <0.5 В .

Примеры определения плотности фотоэлек тронного тока на спутнике « Интербол -2»

Поясним предложенную методику вычисления J ⁰ _ph на данных , полученных со спутника « Интербол -2». Рисунок 1 демонстрирует одновременные измерения U _ps /KM-7 для токов смещения 153.6 нА , 76.8 нА , 38.4 нА и – U _ps / ИЭСП -2 для токов смещения –72 нА (16:40–18:25), 0 (18:25–18:38). Эти результаты измере ний обоих приборов передавались при помощи СТО и были получены с орбиты 733, 21.02.1997. Вариации всех кривых идеально совпадают , за исключением результатов измерения ИЭСП -2 с I _b =0. Отметим , что применение подходящих токов смещения необходимо для измерений в магнитосфере , так как плавающий потенциал очень чувствителен к флуктуациям в плаз ме с низкой плотностью . Измерения КМ -7 при любых значениях тока смещения правильно отображают ва риации потенциала , так как зонд КМ -7 защищен от фототока . Для определения I e надо для виртуально го ИЭСП -2 в тени знать I _b , который можно вычис лить на основе измерений ВА - характеристик КМ -7. Пример типичной ВА - характеристики КМ -7 пред ставлен на рис . 2 для этой орбиты . Так как измерения прибором ИЭСП -2 проводились с частотой 400 мс , а КМ -7 снимал ВА - характеристики за 5.12 с , то за это время было зарегистрировано ≈ 12 измерений прибора

Н . Ф . Смирнова , Г . Станев

Рис . 1.

ИЭСП -2, которые почти совпадают и выглядят как одна жирная линия , которой соответствует I _b (KM-7) ≈ 100 нА . Следовательно , ток смещения I _b ≈ 100 нА для виртуального зонда ИЭСП -2 в тени , I _b =–72 нА для прибора ИЭСП -2 на солнце . Фотоэлектронная плотность тока J ⁰ ph =(100/2.25+72)/ S IESP ≈ 2.35 нА см ^–2 для этого пролета .

Максимальные значения фототока ( J ⁰ ph ≈ 3.55 нА см ^–2) получаются , когда измеренные значения – U _ps / ИЭСП -2 совпадают со значениями U _ps / КМ -7 при токе смещения I _{b КМ -7} , имеющем максимальное значе ние 153.6 нА , а I _bIESP-2 )= –110 нА . Рисунок 3 демонст рирует такие измерения на витке орбиты 1344, 18.07.1997, а на рис . 4 показаны типичная для орбиты витка ВА характеристика , снятая КМ -7, а также изме рения потенциала спутника ИЭСП -2.

Рис . 2.

Рис . 3.

Рис . 4.

Выводы

Предложена методика для определения плотно сти фотоэлектронного тока на основе сопоставления одновременных измерений потенциала спутника « Интербол -2» относительно плазмы зондовыми экс периментами ИЭСП -2 и КМ -7. Фотоэлектронная плотность тока на спутнике « Интербол -2» находит ся , как правило , в диапазоне 1.8÷3.6 нА см ^–2. Для сравнения отметим , что на GEOS-2 ( геостационар ) J ⁰ ph =1.3÷6 нА см ^–2, но Педерсен предполагает , что наиболее правдоподобные значения 6÷8 нА см ^–2.

Пониженные значения фототока с поверхности спутника « Интербол -2» можно объяснить функцио нированием в период глубокого минимума солнеч ной активности , орбитой с низким перигеем , а также выпуском газа системой ориентации .