Ионосфера. Ионизация. Соотношение между концентрацией свободных электронов и отрицательных ионов. Отражение радиоволн от ионосферы, страница 15

В дальнейшем от метода проб перешли  к технике анализа состава непосредственно в ходе полета ракеты или во время спуска измерительного прибора на парашюте. Здесь основным методом является масс-спектрометрия. Принцип действия масс-спектрометра основан на различиях в поведении ионов с разной массой в магнитном и электрическом полях. Существует множество конструкций масс-спектрометров со статическими и переменными полями. Во всех случаях их работа сводится к пространственному разделению потоков ионов различной массы и последующему анализу полученного пространственного распределения. В качестве примера такого разделения рассмотрим пучок ионов различной массы, но имеющих одинаковую скорость, и движущихся перпендикулярно однородному электрическому полю. Ясно, что в таком поле ионы приобретают ускорение в направлении перпендикулярном основному движению. Однако и ускорение и скорость в данном направлении зависят от массы ионов. Когда более легкие уже  достигнут стенок камеры (детектора), более массивные еще будут продолжать свой путь в первоначальном направлении. Таким образом достигается пространственное разделение пучка ионов по их массе. Конечно, реальные схемы разделения  имеют более сложную конструкцию.

Масс-спектрометры могут быть использованы для анализа ионного состава воздуха, тогда ионизатор выключается. Обычные характеристики чувствительности ракетных масс-спектрометров: 100 ион/см3, 10-  108 нейтр.частиц/см3 .     

Одной из серьезнейших проблем использования масс-спектрометров на спутниках и ракетах является задача сохранения их калибровки. В большинстве случаев для этого используются запаянные стеклянные баллоны с контрольными смесями, которые вскрываются непосредственно перед началом сеанса работы спектрометра. По результатам анализа контрольной смеси судят о качестве калибровки спектрометра и, если нужно, корректируют ее.

Кроме того, как и для любой другой бортовой аппаратуры, на результатах измерений может сказываться скорость движения аппарата, его электрические и магнитные поля, а также газовыделение контейнера, в котором установлена аппаратура.

Измерение концентрации заряженных частиц

Для измерения концентраций заряженных частиц чаще всего используют так называемые ионные ловушки или зонды. Сущность метода состоит в измерении тока ионов на проводник, помещенный в среду. Этот проводник соединяется с корпусом космического аппарата через достаточно большое сопротивление, падение напряжения на котором фиксируется специальной измерительной схемой.

Ток заряженных частиц в верхней атмосфере содержит электронную и ионную компоненты[13]. Соотношение между ними существенно зависит от потенциала  проводника относительно плазмы (или контейнера). Поэтому методика зондовых измерений основывается на получении зависимости тока зонда от его потенциала - так называемой зондовой характеристики. Последующая обработка зондовых характеристик позволяет определить концентрацию заряженных частиц, а также  и ряд других параметров среды

Впоследствии стали широко применяться зонды с дополнительными одной, двумя и даже тремя сетками с регулируемым потенциалом. Это обеспечивает лучшую селекцию частиц по знаку заряда и энергии. Таким образом, развитие зондов, как нетрудно догадаться, шло в направлении сближения их с масс-спектрометрами. Мы коротко рассмотрим устройство ионной ловушки, установленной на третьем искусственном спутнике Земли [35]. В комплект входили две двухэлектродные ловушки, закрепленные на корпусе спутника диаметрально противоположно на штангах длиной  65 см. Каждая ловушка имела сферическую оболочку радиусом 5 см с отверстиями, внутри которой располагался полый сферический коллектор радиусом 1.5 см. Оболочка соединялась с корпусом спутника через небольшое сопротивление, коллектор – через сопротивление  1 МОм. Внутри ловушек создавалось электрическое поле. Для этого к коллектору относительно корпуса спутника прикладывался потенциал –150 В. Поэтому на коллектор полностью собирались положительные ионы плазмы, а электроны с энергией, меньшей 150 эВ, выталкивались из ловушки.

Кроме этого, для изменения потенциала ловушки относительно плазмы на оболочку подавались периодические пилообразные импульсы напряжения с варьируемой от +28 до-14 В амплитудой. Регистрировалось падение напряжения на сопротивлении 1 МОм.