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. ............
