Космические циклотронные мазеры

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.