Математическое моделирование динамики электронного пучка у поверхности тела в бесстолкновительной плазме
|
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………4
ГЛАВА 1. Поперечная динамика электронного пучка, инжектируемого
с орбитального космического аппарата в окрестности безатмосферного
небесного тела при наличии ионосферы …………………………………….7
1.1. Основные уравнения динамики электронного пучка в случае плотного
пучка
1.2. Уравнения динамики электронного пучка в ситуации пучка малой
плотности
1.3. Численное моделирование огибающей нерелятивистского электронного
пучка, инжектируемого с орбитального космического аппарата при наличии
лунной ионосферы
1.4. Определение зенитных углов, при которых необходимо учитывать вклад
зондирующего пучка в процесс зарядки освещенной поверхности
планеты
ГЛАВА 2. Определение параметров электрической экранирующей
системы при инжекции электронного пучка с орбитального
космического аппарата
2.1. Постановка задачи по определению компенсирующей экранирующей
системы
2.2. Определение потенциала и радиуса экранирующей системы при
инжекции электронного пучка с орбитального космического аппарата вблизи
Луны…
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ГЛАВА 1. Поперечная динамика электронного пучка, инжектируемого
с орбитального космического аппарата в окрестности безатмосферного
небесного тела при наличии ионосферы …………………………………….7
1.1. Основные уравнения динамики электронного пучка в случае плотного
пучка
1.2. Уравнения динамики электронного пучка в ситуации пучка малой
плотности
1.3. Численное моделирование огибающей нерелятивистского электронного
пучка, инжектируемого с орбитального космического аппарата при наличии
лунной ионосферы
1.4. Определение зенитных углов, при которых необходимо учитывать вклад
зондирующего пучка в процесс зарядки освещенной поверхности
планеты
ГЛАВА 2. Определение параметров электрической экранирующей
системы при инжекции электронного пучка с орбитального
космического аппарата
2.1. Постановка задачи по определению компенсирующей экранирующей
системы
2.2. Определение потенциала и радиуса экранирующей системы при
инжекции электронного пучка с орбитального космического аппарата вблизи
Луны…
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
Задачи динамики пучков заряженных частиц в космической плазме уже
несколько десятилетий привлекают внимание зарубежных и отечественных
исследователей. Особый интерес к этим задачам связан главным образом с
проведением экспериментов по зондированию ионосферы и магнитосферы
Земли с помощью пучков заряженных частиц, инжектируемых в
космическую плазму с борта орбитальных космических аппаратов (КА) [1-6].
В последнее время появились новые актуальные приложения задач динамики
пучков заряженных частиц в космической плазме, связанные с созданием
целого комплекса перспективных космических ускорительных систем, таких
как: системы активного дистанционного анализа пород безатмосферных
небесных тел, двигательные системы на пучках ускоренных заряженных
частиц и т.д. [4, 5, 7].
В работе [7] рассмотрена возможность практической реализации метода
активного дистанционного элементного анализа поверхностных пород
безатмосферного небесного тела, основанного на спектрометрии
характеристического рентгеновского излучения (РИ), искусственно
возбуждаемого в поверхностном слое грунта. Для возбуждения
характеристического РИ элементов, входящих в состав поверхностных
пород, предлагается использовать пучок электронов, инжектируемый с борта
КА, совершающего орбитальное движение в окрестности исследуемого
небесного тела (или движущегося по пролетной траектории). Основное
внимание уделено определению необходимых технических требований к
параметрам комплекса аппаратуры, предназначенного для глобального
изучения состава лунных пород с орбиты низкого спутника Луны.
Начало этому направлению исследований положили эксперименты
советских ученых по определению элементного состава лунного вещества по
спектрам естественных рентгеновского и гамма-излучений поверхностных5
пород Луны на автоматических станциях «Луна 10, -11 и -12» [8-10]. В
частности, на основе спектрометрии гамма-излучения лунных пород на
первом искусственном спутнике Луны «Луна-10», впервые было
установлено, что поверхность лунных морей состоит из базальтовых пород
[10]. Аналогичные эксперименты с более чувствительной аппаратурой
проводились на американских космических кораблях «Аполлон-15 и -16»
[11]. В результате были получены крупномасштабные карты элементного
состава более 10% лунной поверхности. Однако, вследствие низкой
интенсивности гамма-излучения, возбуждаемого в лунных породах
высокоэнергетичными частицами космических лучей, точность определения
состава пород, достигаемая гамма-спектральным методом, и его
пространственное разрешение сравнительно невелики. Например, состав
лунных пород по основным породообразующим элементам в экспериментах
на кораблях «Аполлон -15 и -16» удалось установить лишь для больших
участков лунной поверхности с размерами в сотни и тысячи километров [11].
В случае проведения дистанционного анализа поверхностных пород
безатмосферного небесного тела с борта КА, находящегося на орбите и
инжектирующего электронный пучок, основной задачей является
определение необходимых параметров электронного ускорителя, который, с
одной стороны, должен обеспечить достаточную для спектрометрии
интенсивность рентгеновского излучения на орбите КА, а с другой стороны, -
по весу, габаритам и энергопотреблению допускал бы его установку на
орбитальном КА. Кроме того, необходимо исследовать динамику
испускаемого с борта аппарата пучка и его радиус, а также концентрацию
электронов на поверхности небесного тела с учетом влияния фоновой плазмы
в окрестности данного тела. Также представляет интерес вопрос о
возможности изменения поверхностного заряда небесного тела при наличии
приходящего на поверхность тока зондирующего электронного пучка,
фотоэлектронного тока с освещенной поверхности небесного тела и потока
электронной и ионной компонент солнечного ветра в случае, если небесное6
тело подвергается воздействию УФ-излучения Солнца и плазмы солнечного ветра.
Кроме того, при инжекции электронного пучка с борта КА, его
поверхность будет сильно заряжаться. Поэтому представляет особый интерес
определение параметров экранной системы, которая должна окружать КА
для зарядовой нейтрализации борта аппарата [3, 4].
В главе 1 рассмотрена задача о поперечной динамике электронного
пучка, инжектируемого с орбитального КА в окрестности безатмосферного
небесного тела в целях проведения дистанционного рентгеноспектрального
анализа поверхностных пород данного тела. Для случая диагностики лунных
пород решена задача о радиусе и концентрации электронного пучка,
который он достигает на лунной поверхности, при различных значениях энергии и тока пучка.
В главе 2 исследуется задача об определении параметров электрической
экранирующей системы (ЭС) при инжекции электронного пучка с
орбитального космического аппарата. В зависимости от энергии и тока
инжектируемого с орбитального КА электронного пучка рассчитан радиус
сферической ЭС. Кроме того, для фиксированного радиуса экранирующей
системы определена зависимость ее электростатического потенциала от
температуры фоновой плазмы при разных значениях концентрации плазмы.
В заключении приведен краткий обзор представленных результатов
несколько десятилетий привлекают внимание зарубежных и отечественных
исследователей. Особый интерес к этим задачам связан главным образом с
проведением экспериментов по зондированию ионосферы и магнитосферы
Земли с помощью пучков заряженных частиц, инжектируемых в
космическую плазму с борта орбитальных космических аппаратов (КА) [1-6].
В последнее время появились новые актуальные приложения задач динамики
пучков заряженных частиц в космической плазме, связанные с созданием
целого комплекса перспективных космических ускорительных систем, таких
как: системы активного дистанционного анализа пород безатмосферных
небесных тел, двигательные системы на пучках ускоренных заряженных
частиц и т.д. [4, 5, 7].
В работе [7] рассмотрена возможность практической реализации метода
активного дистанционного элементного анализа поверхностных пород
безатмосферного небесного тела, основанного на спектрометрии
характеристического рентгеновского излучения (РИ), искусственно
возбуждаемого в поверхностном слое грунта. Для возбуждения
характеристического РИ элементов, входящих в состав поверхностных
пород, предлагается использовать пучок электронов, инжектируемый с борта
КА, совершающего орбитальное движение в окрестности исследуемого
небесного тела (или движущегося по пролетной траектории). Основное
внимание уделено определению необходимых технических требований к
параметрам комплекса аппаратуры, предназначенного для глобального
изучения состава лунных пород с орбиты низкого спутника Луны.
Начало этому направлению исследований положили эксперименты
советских ученых по определению элементного состава лунного вещества по
спектрам естественных рентгеновского и гамма-излучений поверхностных5
пород Луны на автоматических станциях «Луна 10, -11 и -12» [8-10]. В
частности, на основе спектрометрии гамма-излучения лунных пород на
первом искусственном спутнике Луны «Луна-10», впервые было
установлено, что поверхность лунных морей состоит из базальтовых пород
[10]. Аналогичные эксперименты с более чувствительной аппаратурой
проводились на американских космических кораблях «Аполлон-15 и -16»
[11]. В результате были получены крупномасштабные карты элементного
состава более 10% лунной поверхности. Однако, вследствие низкой
интенсивности гамма-излучения, возбуждаемого в лунных породах
высокоэнергетичными частицами космических лучей, точность определения
состава пород, достигаемая гамма-спектральным методом, и его
пространственное разрешение сравнительно невелики. Например, состав
лунных пород по основным породообразующим элементам в экспериментах
на кораблях «Аполлон -15 и -16» удалось установить лишь для больших
участков лунной поверхности с размерами в сотни и тысячи километров [11].
В случае проведения дистанционного анализа поверхностных пород
безатмосферного небесного тела с борта КА, находящегося на орбите и
инжектирующего электронный пучок, основной задачей является
определение необходимых параметров электронного ускорителя, который, с
одной стороны, должен обеспечить достаточную для спектрометрии
интенсивность рентгеновского излучения на орбите КА, а с другой стороны, -
по весу, габаритам и энергопотреблению допускал бы его установку на
орбитальном КА. Кроме того, необходимо исследовать динамику
испускаемого с борта аппарата пучка и его радиус, а также концентрацию
электронов на поверхности небесного тела с учетом влияния фоновой плазмы
в окрестности данного тела. Также представляет интерес вопрос о
возможности изменения поверхностного заряда небесного тела при наличии
приходящего на поверхность тока зондирующего электронного пучка,
фотоэлектронного тока с освещенной поверхности небесного тела и потока
электронной и ионной компонент солнечного ветра в случае, если небесное6
тело подвергается воздействию УФ-излучения Солнца и плазмы солнечного ветра.
Кроме того, при инжекции электронного пучка с борта КА, его
поверхность будет сильно заряжаться. Поэтому представляет особый интерес
определение параметров экранной системы, которая должна окружать КА
для зарядовой нейтрализации борта аппарата [3, 4].
В главе 1 рассмотрена задача о поперечной динамике электронного
пучка, инжектируемого с орбитального КА в окрестности безатмосферного
небесного тела в целях проведения дистанционного рентгеноспектрального
анализа поверхностных пород данного тела. Для случая диагностики лунных
пород решена задача о радиусе и концентрации электронного пучка,
который он достигает на лунной поверхности, при различных значениях энергии и тока пучка.
В главе 2 исследуется задача об определении параметров электрической
экранирующей системы (ЭС) при инжекции электронного пучка с
орбитального космического аппарата. В зависимости от энергии и тока
инжектируемого с орбитального КА электронного пучка рассчитан радиус
сферической ЭС. Кроме того, для фиксированного радиуса экранирующей
системы определена зависимость ее электростатического потенциала от
температуры фоновой плазмы при разных значениях концентрации плазмы.
В заключении приведен краткий обзор представленных результатов
Выпускная бакалаврская работа посвящена математическому
моделированию параметров электронного пучка, используемого для
дистанционного анализа поверхностных пород безатмосферного небесного
тела, окруженного бесстолкновительной плазмой, а также исследованию
параметров экранной системы, позволяющей компенсировать заряд на
космическом аппарате (КА), инжектирующем зондирующий электронный пучок.
В первой главе дипломной работы рассмотрена задача о поперечной
эволюции электронного пучка, инжектируемого с орбитального КА в
окрестности безатмосферного небесного тела в целях проведения
дистанционного рентгеноспектрального анализа поверхностных пород
данного тела. Для случая диагностики лунных пород решена задача о
радиусе и концентрации электронного пучка, который он достигает на
лунной поверхности, при различных значениях энергии и тока пучка.
В результате численного моделирования показано, что увеличение
полного тока пучка приводит к увеличению его радиуса на лунной
поверхности. Это может быть объяснено тем, что на начальной стадии
расширения пучка дефокусирующее влияние его радиального электрического
поля с ростом тока пучка нарастает. Кроме того, увеличение энергии ЭП
приводит к убыванию указанного радиуса.
С помощью численного анализа показано, что нарастание тока пучка
при энергиях, выше E 100 b кэВ заметно увеличивает «критический»
зенитный угол, ниже которого плотность фотоэлектронного тока с
поверхности Луны, превышает плотность зондирующего пучка. При углах,
больших «критического» угла необходимо учитывать процесс зарядки
поверхности планеты самим электронным пучком.
Во второй главе рассмотрена задача об определении параметров
электрической экранирующей системы (ЭС) при инжекции электронного27
пучка с орбитального космического аппарата. В зависимости от энергии и
тока инжектируемого с орбитального КА электронного пучка рассчитан
радиус сферической ЭС. Кроме того, для фиксированного радиуса
экранирующей системы определена зависимость ее электростатического
потенциала от температуры фоновой плазмы при разных значениях концентрации плазмы
моделированию параметров электронного пучка, используемого для
дистанционного анализа поверхностных пород безатмосферного небесного
тела, окруженного бесстолкновительной плазмой, а также исследованию
параметров экранной системы, позволяющей компенсировать заряд на
космическом аппарате (КА), инжектирующем зондирующий электронный пучок.
В первой главе дипломной работы рассмотрена задача о поперечной
эволюции электронного пучка, инжектируемого с орбитального КА в
окрестности безатмосферного небесного тела в целях проведения
дистанционного рентгеноспектрального анализа поверхностных пород
данного тела. Для случая диагностики лунных пород решена задача о
радиусе и концентрации электронного пучка, который он достигает на
лунной поверхности, при различных значениях энергии и тока пучка.
В результате численного моделирования показано, что увеличение
полного тока пучка приводит к увеличению его радиуса на лунной
поверхности. Это может быть объяснено тем, что на начальной стадии
расширения пучка дефокусирующее влияние его радиального электрического
поля с ростом тока пучка нарастает. Кроме того, увеличение энергии ЭП
приводит к убыванию указанного радиуса.
С помощью численного анализа показано, что нарастание тока пучка
при энергиях, выше E 100 b кэВ заметно увеличивает «критический»
зенитный угол, ниже которого плотность фотоэлектронного тока с
поверхности Луны, превышает плотность зондирующего пучка. При углах,
больших «критического» угла необходимо учитывать процесс зарядки
поверхности планеты самим электронным пучком.
Во второй главе рассмотрена задача об определении параметров
электрической экранирующей системы (ЭС) при инжекции электронного27
пучка с орбитального космического аппарата. В зависимости от энергии и
тока инжектируемого с орбитального КА электронного пучка рассчитан
радиус сферической ЭС. Кроме того, для фиксированного радиуса
экранирующей системы определена зависимость ее электростатического
потенциала от температуры фоновой плазмы при разных значениях концентрации плазмы
Подобные работы
- Математическое моделирование динамики электронного пучка у поверхности тела в бесстолкновительной плазме
Бакалаврская работа, математическое моделирование. Язык работы: Русский. Цена: 3950 р. Год сдачи: 2016 - Математическое моделирование динамики электронного пучка у поверхности тела в бесстолкновительной плазме
Бакалаврская работа, механика. Язык работы: Русский. Цена: 4360 р. Год сдачи: 2016