Satellites have observed powerful radio waves (up to 1 GW peaked at 300 kHz) radiating from regions of reduced plasma density about 3200 km above the Earth's surface in the polar magnetosphere. The emission is associated with the observation of horseshoe or 'shell' distributions in the velocity space of the Earthbound flux of electrons, arising from magnetic compression. It has been postulated that this distribution holds the free energy required to explain the radiation emission. To verify this proposition, a series of numerical and experimental simulations of the mechanism scaled to microwave frequencies have been conducted in concert with a theoretical analysis of the growth rate and propagation of the resultant radiation. The numerical simulations were conducted with electron beams of 75 keV and currents of 18 and 34 A gyrating in a magnetic field of 0.18 T, and 85 keV and 18 A in a magnetic field of 0.48 T. The simulations predicted that the radiation would be emitted close to the cyclotron frequency (4.42 and 11.7 GHz) in near cut-off TE modes (TE0,1 and TE0,3/TE2,3, respectively) with efficiencies of 2% and 1.3%. The experimental measurements demonstrated mode content very close to that predicted by the simulations with output powers of 19 kW and 35 kW from electron beams of 75 keV energy and 12 A and 34 A of current, respectively, at 4.42 GHz. Powers of 9.4 kW and 30 kW from 85 keV electron beams of 12 and 30 A were observed at 11.7 GHz. The spectral, polarization and propagation properties of the radiation are similar to those observed in the magnetosphere. A scheme will be outlined for introducing a background plasma into the apparatus, with ωpe < ωce/10 to enhance the comparison with the auroral magnetosphere.
衛星は、極域磁気圏において地球表面から約3200 km上方の、プラズマ密度が低下した領域から放射される強力な電波（300 kHzでピークを持つ最大1 GW）を観測してきた。この放射は、磁気圧縮に起因する地球方向への電子フラックスの速度空間における馬蹄形、すなわち「シェル」型分布の観測と関連している。この分布が、放射を説明するために必要な自由エネルギーを保持しているという仮説が提唱されてきた。この仮説を検証するため、理論的な成長率と結果として生じる放射の伝播の解析と連携して、マイクロ波スケールに縮小した一連の数値シミュレーションおよび実験が実施されてきた。数値シミュレーションは、0.18 Tの磁場中で75 keV、18 Aおよび34 Aの電子ビーム、ならびに0.48 Tの磁場中で85 keV、18 Aの電子ビームを用いて実施された。シミュレーションは、それぞれ2%および1.3%の効率で、カットオフ近傍のTEモード（それぞれTE0,1およびTE0,3/TE2,3）において、サイクロトロン周波数近傍（それぞれ4.42 GHzおよび11.7 GHz）の放射が生じることを予測した。実験による測定では、4.42 GHzにおいて75 keV、12 Aおよび34 Aの電子ビームからそれぞれ19 kWおよび35 kWの出力が得られ、モード構成はシミュレーションの予測と極めて良く一致した。11.7 GHzにおいては、85 keV、12 Aおよび30 Aの電子ビームからそれぞれ9.4 kWおよび30 kWの出力が観測された。放射のスペクトル特性、偏波特性、伝播特性は、磁気圏で観測されるものと類似している。装置内に背景プラズマを導入する方式が概説される予定であり、ωpe < ωce/10 の条件下で、オーロラ磁気圏との比較をより一層高めることを目的とする。