Космически циклотронни мазери
Статия - Математика и статистика
Други статии, свързани с математика и статистика
Космически циклотронни мазери
В. Ю. Трахтенгерц, А. Г. Демехов, Виктор Юриевич Трахтенгерц, доктор на физико-математическите науки, професор, заслужил учен на Руската федерация, ръководител на сектора по физика на магнитосферната и йоносферната плазма в катедрата по астрофизика и физика на космическата плазма на Института по приложна физика RAS (Нижни Новгород).
Андрей Генадиевич Демехов, кандидат на физико-математическите науки, старши изследовател същия сектор.
Мазерите като генератори на кохерентно микровълново електромагнитно излъчване, включително циклотронни резонансни мазери, са добре известни и широко използвани във физически експерименти, нови технологии и медицина. Но приоритетът в тяхното изобретение не е на човека, а на природата: в космическите условия мазерите, например циклотронните, са не по-малко типично явление за планетарните и звездните магнитосфери. Космическите циклотронни мазери, които вече не служат като източник на микро-, а на макро-вълни, изпълняват там най-важната функция, определяйки нивото на нискочестотното електромагнитно излъчване и регулирайки количеството заредени високоенергийни частици в близост -планетарно пространство.
* Думата MASER е съкращение на английския израз микровълново усилване чрез стимулирано излъчване на радиация.
Осцилатори, нива, вълни ...
Работата на мазерите - в общия случай на генераторите и усилвателите на микровълните - се основава на стимулирано електромагнитно излъчване от осцилатори, разпределени в пространството. За разлика от спонтанното излъчване, чийто интензитет е равен на сумата от интензитета на излъчване на отделни независими осцилатори, стимулираното излъчване е кохерентно. Това означава, че вълната, излъчвана от една частица, влияе на излъчването на друга частица по такъв начин, че вълните да са фазово корелирани. Тогава не се добавят интензитетите (квадратите на амплитудите), а амплитудите на вълните от отделните осцилатори и лъчението нараства като лавина поради усилването на ефектите на фазовото съвпадение в полето на кохерентните вълни. Електромагнитното поле обаче не се увеличава в никоя система от осцилатори: необходимо е обръщане на популациите от енергийни нива (на горните енергийни нива трябва да има повече осцилатори, отколкото на долните, в противен случай ще преобладават процесите на абсорбция). Набор от осцилатори с такава инверсия се нарича активно вещество. В квантовите генератори активното вещество са възбудени молекули и атоми; ролята на енергийните нива се играе от дискретен набор от техните допустими енергийни състояния. В класическите мазерни системи, например, в космическите циклотронни мазери, осцилаторите са заредени частици в магнитно поле; спектърът на техните енергии е непрекъснат. Както знаете, заредена частица в равнина, перпендикулярна на посоката на магнитното поле, се движи в кръг с честота на въртене (циклотронна честота или жирочестота) wH = eH/mc (e и m са зарядът и масата на частицата, H е силата на магнитното поле, c е скоростта на Света). Населението на енергийните нива от такива осцилатори се дава от разпределението на частиците по скорости, напречни на посоката на магнитното поле. За функционирането на космическия циклотрон мазер е необходимо доминирането на осцилатори с високи напречни скорости.