Космический эксперимент Кулоновский кристалл. Исследование плазмы в условиях микрогравитации

 

КЭ «Кулоновский крис...
КЭ «Кулоновский кристалл»

 

Репортаж проводит космонавт Серова Елена.

Сегодня мы проводим очередной сеанс эксперимента «Кулоновский кристалл», в котором изучается поведение заряженных частиц в магнитной ловушке. Эксперимент уникален, его можно провести только на борту международной станции. В земных условиях он невыполним. Поэтому нам, космонавтам, доверили такую ответственную задачу по проведению этого эксперимента. Перед проведением мне необходимо собрать схему из блоков аппаратуры: блока электромагнита, видеокамеры и блок питания и управления. Что я и сделала.
В ходе эксперимента, согласно радиограмме от специалистов, я буду управлять токами и напряжениями согласно заданному регламенту. Позвольте вам показать электромагнитную ловушку, как она выглядит. Они (блоки аппаратуры) приходят к нам вот в таких вот сумках, называемых «укладками сменных контейнеров», и выглядят они вот так (показывает магнитную ловушку).
Наша магнитная ловушка - вот она. Я ее уже установила. Для каждого эксперимента у нас предполагается свой контейнер. Сегодня мы используем сменный контейнер №10. Здесь же имеется видеоканал, по которому я буду отслеживать, каким образом проходит эксперимент, что происходит внутри данного блока электромагнита благодаря этой вот видеокамере. Так сказать, будет отслеживаться вживую процесс эксперимента, будут записываться данные, которые придут на Землю, и специалисты своими глазами смогут посмотреть, что же происходило в ходе эксперимента, когда я изменяла токи и напряжения.
Ну, я предлагаю приступить к данному эксперименту. Сейчас буду включать аппаратуру, и проводить эксперимент. Подключаем сеть... Вот перед нами появилась картинка. Это изображение будут видеть ученые на Земле. В ходе эксперимента внутри магнита картинка меняется, и я ее отслеживаю - контролирую ток, который протекает через катушки магнитов 1 и 2, фиксирую его, делая запись его значений. Вот именно эти значения я буду докладывать нашим специалистам. Сейчас в этих катушках происходит перемещение заряженных частиц. Это мы можем увидеть на экране видеокамеры. Очень жаль, что нельзя прямо сейчас вам дать посмотреть то, что здесь происходило. Но мне кажется, что было что-то уникальное и необыкновенное.
Итак, мы с вами провели эксперимент. Вот на этом листочке у меня информация для наших ученых, на видеокамеру записаны процессы, которые здесь проходили в данном блоке магнитов. И сегодня, буквально минут через 5, я отправлю всю эту информацию.
А сейчас я буду отключать нашу аппаратуру, как мы делаем всегда, выполняя заключительные операции по эксперименту. Отключаем магниты, камеру выключаем. Все. На этом наш эксперимент завершен.

 

Эксперимент подготовлен совместно специалистами Объединённого института высоких температур Российской академии наук (www.jiht.ru) и Ракетно-космической корпорации «Энергия» (www.energia.ru).
В этом эксперименте проводится изучение динамики дисперсных (пылевых) заряженных частиц графита, левитирующих в неоднородном магнитном поле.

Левитация (парение) – это удержание частиц в подвешенном состоянии без контакта со стенками контейнера.

В эксперименте «Кулоновский кристалл» на МКС впервые продемонстрирована возможность формирования в магнитной ловушке в условиях невесомости (микрогравитации) устойчивых пространственно-упорядоченных структур из нескольких тысяч заряженных частиц.

Кулоновским или плазменным кристаллом называют систему, в которой частицы под воздействием сильного электростатического поля выстраиваются в пространстве определённым образом. Образуется упорядоченная структура, где частицы располагаются по узлам, как атомы в кристаллической решётке.
Частицы в плазме взаимодействуют с силой, которая описывается законом Кулона. На покоящийся электрический заряд постоянное магнитное поле не действует. Если же электрический заряд перемещается в магнитном поле, он испытывает действие силы, описываемой законом Кулона: «Сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме направлена вдоль прямой, соединяющей эти заряды, пропорциональна их величинам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Она является силой притяжения, если знаки зарядов разные, и силой отталкивания, если эти знаки одинаковы».

Плазма - частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Плазменный кластер - объединение нескольких однородных элементов - ионов. Поэтому плазменные кластеры называют кулоновскими и относят их к кулоновским системам.

Магнитные ловушки - конфигурации магнитного поля, способные длительное время удерживать заряженные частицы или плазму в ограниченном объёме.

Зарядка частиц осуществляется при помощи зонда (электрод). В результате практически все частицы оказываются заряженными, а кулоновское отталкивание между заряженными частицами приводит к формированию кластера частиц в виде сплюснутого эллипсоида вращения.
В научной аппаратуре «КУК» (КУлоновский Кристалл) удержание частиц графита осуществляется в «магнитной яме» - области с минимумом магнитного поля.
Аппаратура позволяет генерировать в рабочей зоне электромагнита антипробкотронное магнитное поле. Для генерации антипробкотронного поля нужно устройство, в котором имеются две соосные катушки, расположенные по двум сторонам от центра магнитной ловушки (Рис.1). Такое устройство позволяет решить проблему «скатывания» частиц к краям с наименьшими показателями энергетической напряжённости.

 Рис.1

Рис.1 Схема экспериментальной установки, создающей «антипробкотронное» магнитное поле:
1, 2 – катушки электромагнита; 3, 4 – сердечники катушек; 5, 6, 7 – корпус электромагнита, служащий магнитопроводом; 8 - рабочая зона электромагнита.

«Магнитная яма» создается в рабочей зоне электромагнита между двумя катушками, токи в которых циркулируют в противоположных направлениях. Корпус электромагнита и всей установки является магнитопроводом, соединяющим сердечники катушек. Он имеет цилиндрическую форму диаметром 15 и высотой 18 см. Расстояние между сердечниками 6 см, их диаметр 5 см. При пропускании тока по катушкам в рабочей зоне создается «магнитная яма» необходимого нам антипробкотронного типа. Интенсивность магнитного поля в ловушке регулируется изменением тока в катушках. Электромагнит в ходе эксперимента потребляет до 200 Вт, нужно отметить, что наземный электромагнит с такой же большой зоной устойчивой левитации потреблял бы в десятки тысяч раз больше электроэнергии и был бы гораздо сложнее.
При проведении сеансов эксперимента в рабочей зоне электромагнита помещается сменный контейнер. Внутри сменного контейнера находится стеклянная ампула (Рис.2) с модельным материалом – дисперсными частицами графита. Графит (диамагнетик) выбран из тех соображений, что у него наивысший коэффициент диамагнитной восприимчивости по сравнению с другими материалами. Поэтому легче обеспечить его левитацию в магнитном поле.

Рис.2

Рис.2. Экспериментальная ампула с модельным материалом 

Диамагне́тики - вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля, в отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны.

Экспериментальные ампулы заполнены аргоном, диаметр ампул – 50 мм, высота – 40 мм. Корпус сменного контейнера изготовлен из алюминиевого сплава, поэтому он не искажает магнитного поля в рабочей зоне. Для наблюдения за движением частиц графита в ампуле используется компактная ПЗС-камера (Рис.3). Ампула подсвечивается светодиодом.

Рис.3

Рис.3. Вид сменного контейнера со снятой крышкой с одной ПЗС камерой.
1 – экспериментальная ампула, 2 – ПЗС камера, 3 – щелевой лазер

Для зарядки частиц графита в ампуле размещены специальные электрические зонды (электроды). В настоящее время на МКС имеется четыре сменных контейнера с частицами графита размером от 100 до 400 мкм.
При проведении эксперимента частицы в ампуле испытывают силовое воздействие со стороны магнитного и электрического полей. При подаче потенциала на центральный электрод зонда частицы заряжаются при столкновении с ним. Включение электромагнита приводит к вытеснению частиц графита в область дна «магнитной ямы» (точки с нулевым магнитным полем) и формированию заряженными частицами кулоновского кластера – облака в форме эллипсоида вращения

Рис.4

Рис.4. Конфигурация кулоновского кластера частиц графита размером 400 мкм в «антипробкотронной» магнитной ловушке.

Для регулирования тока в катушках электромагнита, включения видеокамер и светодиодов в сменных контейнерах, а также для регулирования электрического напряжения на зонде используется блок питания и управления. Блок питания и управления во время эксперимента подключен к бортовой розетке.
В ходе проведения сеанса эксперимента мы можем наблюдать за процессами, происходящими в ампуле с помощью дисплея камкордера (Рис.5). С помощью камкордера записывается вся видеоинформация по эксперименту, которая передается для изучения российским учёным.

Рис. 5

Рис. 5. Камкордер SONY HVR-Z1J

 

 

 

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

 

Международная космическая станция Автоматические космические системы Роскосмос РКК Энергия "Морской старт" и "Наземный старт" "Морской старт" и "Наземный старт"