Антипробкотронная магнитная ловушка для заряженных пылевых частиц в космических экспериментах

В последние десятилетия большое внимание во многих научных центрах мира уделяется исследованию сильно взаимодействующих кулоновских систем [1, 2]. Различные свойства таких систем рассматриваются, например, на международных конференциях Strongly Coupled Coulomb Systems (SCCS) [2, 3], последняя из которых состоялась в Киле (Германия) в 2017 г. В 2005 г. эта конференция проводилась Объединенным институтом высоких температур РАН в Москве [4]. Традиционно объектом многих исследований по этой тематике является пылевая плазма, так как процессы, происходящие в структурах заряженных пылевых макрочастиц в плазме (имеющих микронные размеры), можно наблюдать простыми средствами диагностики [5]. Такие структуры пылевых частиц удерживаются в электростатических ловушках, возникающих в газоразрядной плазме, так как и пылевые частицы, и стенки газоразрядных трубок заряжаются отрицательно вследствие значительно большей подвижности электронов по сравнению с положительными ионами.

В наших работах [6–10] предложен альтернативный способ создания ловушек для заряженных пылевых частиц. Дело в том, что в газоразрядной плазме заряд на пылевых частицах не является фиксированной величиной, а зависит от локальных параметров плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Помимо этого, заряд на макрочастицах может быть частично экранирован ионами плазмы. В свою очередь, заряд на частицах влияет как на межчастичное взаимодействие, так и на левитацию частиц в электрических ловушках, образующихся в стратах разряда постоянного тока или в при-электродном слое ВЧ-разряда. Таким образом, изменяя межчастичное взаимодействие, т. е. условия формирования самой структуры, мы меняем и условия ее левитации, ее пространственное положение. Чтобы развязать эти характеристики, следует реализовать ловушку, удерживающую частицы не электростатическими силами.

Для удержания пылевых структур и экспериментального изучения сильно-взаимодействующих кулоновских систем может быть использована левитация диамагнитных тел в неоднородном стационарном магнитном поле. Согласно теореме Ирншоу [11], заряженное тело не может находиться в состоянии устойчивого равновесия в электростатическом поле. Это утверждение распространяется на парамагнитные и ферромагнитные тела, которые втягиваются в область более сильного поля, а статических магнитных полей с локальными максимумами не существует. В то же время диамагнитные тела выталкиваются из области сильного магнитного поля в область слабого, и экспериментально возможно создание конфигурации магнитного поля B, имеющего локальный минимум, так называемую «магнитную яму».

В магнитном поле на макрочастицу действует эффективная сила [11]

F = (χ m /2)∇( B ²), (1)

где m — масса частицы; χ — удельная магнитная восприимчивость ее вещества (для парамагнетиков χ > 0, для диамагнетиков χ < 0). Приближенно можно считать, что частица находится во внешнем потенциальном поле U ( r ) = –(χ m /2) B ²( r ). В области локального минимума магнитного поля обеспечивается устойчивая левитация диамагнитных тел. В то же время в условиях гравитации можно использовать магнитные поля, не имеющие локального минимума. В этом случае сила (1) будет уравновешиваться силой тяжести. Если в зоне устойчивой левитации находится несколько одноименно заряженных частиц, силы кулоновского отталкивания между ними уравновешиваются силами (1).

Первые эксперименты с магнитной ловушкой в наземных условиях

Первые эксперименты с магнитной ловушкой были проведены в наземной лаборатории [7, 8]. Основным элементом экспериментальной установки являлся электромагнит постоянного тока. Потенциальная «яма» для диамагнитных частиц создавалась в промежутке шириной 2 мм между полюсами электромагнита с наконечниками специальной конфигурации. Создаваемое между этими наконечниками магнитное поле препятствовало выходу частиц из ловушки вниз и в горизонтальном направлении. Гравитационное поле удерживало их от вылета вверх. Применялись графитовые частицы, так как графит обладает максимальной удельной магнитной восприимчивостью. Как известно, графит имеет слоистую структуру, и его свойства вдоль и поперек слоев могут сильно различаться, в некоторых случаях — на порядки величины [10]. В то же время, для поликристаллической структуры они принимают некоторые средние значения. В частности, для поли-кристаллического графита в среднем χ = –(2,3…3) . 10–6 см3/г. Но для малых частиц, с которыми проводился эксперимент, анизотропия свойств может проявляться и сказываться на значении, среднем по ансамблю частиц. Для частиц размером 100…400 мкм, применявшихся в наших наземных и космических экспериментах, значение χ оказывалось несколько более высоким по абсолютной величине: χ = –(4…5) . 10–6 см3/г. Зарядка частиц производилась электрическим вольфрамовым зондом, вводимым в область левитации частиц. Между зондом и полюсами электромагнита подавалось напряжение 30…45 В. При напряжении, меньшем 30 В, силы электрического отталкивания были недостаточны для противодействия силам межмолекулярного сцепления и разделения слипшихся частиц, а при напряжении, большем 45 В, частицы графита не удерживались магнитным полем и покидали зону левитации.

В экспериментах с лабораторной установкой удалось создать кластеры, состоящие всего из нескольких частиц (менее 10). Но главное — была показана принципиальная возможность создания магнитных ловушек для диамагнитных частиц. Кроме того, в отличие от плазменнопылевых кристаллов, описанная методика формирования устойчивых пространственных структур, состоящих из заряженных диамагнитных частиц, позволяет проводить эксперименты как в неионизованном газе, так и в вакууме. При этом реализуется действительно кулоновское взаимодействие между частицами, а не юкавское, как в пылевой плазме, так как отсутствует экранирование зарядов. Но для создания и изучения больших по размерам (объемом несколько десятков кубических сантиметров) устойчивых трехмерных структур — кулоновских кристаллов и кулоновских жидкостей, содержащих десятки тысяч диамагнитных частиц, — в наземных условиях необходимы электромагниты, создающие поля с магнитной индукцией более 10 Tл и градиентами ~10 Tл/см. В то же время, в условиях невесомости для формирования протяженных структур заряженных диамагнитных частиц достаточны поля с магнитной индукцией ~0,1 Тл и градиентами ~0,1 Тл/см [6].

Антипробкотронная магнитная ловушка в условиях микрогравитации

Для изучения протяженных кулоновских структур макрочастиц в условиях микрогравитации на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) был проведен космический эксперимент «Кулоновский кристалл» (КУК). В установке КУК ловушка для диамагнитных частиц создавалась анти-пробкотронным магнитным полем между двумя электромагнитами, расположенными на одной оси. Ток в соленоидах циркулировал в противоположных направлениях, создавая между ними «магнитную яму». В зазоре между соленоидами размещался один из сменных контейнеров, в центре которого находилась стеклянная ампула, содержащая калиброванные графитовые частицы размером 100, 200, 300 или 400 мкм. Подсветка осуществлялась плоской электролюминесцентной пластиной и узким плоским лазерным пучком — «лазерным ножом». Здесь же в контейнере размещались видеокамеры для записи эксперимента. Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1, фотографии сменных контейнеров — на рис. 2.

Ампула представляет собой стеклянный цилиндр диаметром 50 и высотой 32 мм, заполненный аргоном при атмосферном давлении. Для зарядки пылевых частиц в центре ампулы помещен проволочный электрод ∅200 мкм. Внешний электрод расположен полукругом у стенки ампулы и занимает половину ее периметра. Вторая половина стенки ампулы используется для видеосъемки и лазерной подсветки. Частицы графита в исходном состоянии находились на стенках ампулы, а перед началом эксперимента после встряхивания заполняли ее объем. Включение электромагнитов приводило к вытеснению частиц в центральную область вблизи точки с нулевым магнитным полем, где при контакте с центральным электродом под потенциалом частицы получали электрический заряд. При подаче потенциала на центральный электрод до включения магнитного поля процесс зарядки частиц происходил плавно, в результате формировался кулоновский ансамбль в форме сплющенного эллипсоида вращения с отношением полуосей, близким к теоретическому значению 0,3 для однородно заряженного эллипсоида [9, 10]. Знак потенциала на центральном электроде и, соответственно, заряда частиц мог быть как положительным, так и отрицательным.

Рис. 1. Схема антипробкотронной экспериментальной установки на борту РС МКС: 1 — стеклянная ампула с центральным электродом вдоль оси и внешним электродом около цилиндрической стенки; 2 — пространство между соленоидами, занятое сменным контейнером; 3 — обмотки соленоидов; 4 — сердечники соленоидов; 5, 6 — боковой и концевые магнитопроводы

Примечание. Стрелки показывают направление токов в катушках соленоидов.

В первых экспериментах на РС МКС [9, 10] стеклянные ампулы содержали ~2 000 частиц графита, потенциал на центральном электроде поднимался до 24 В. Оценки заряда на частицах размером 400 мкм дали q ≈ 4 ^. 10⁴ e ( e — элементарный заряд), на частицах размером 200 мкм — q ≈ 2 ^. 10⁴ e . Формирование кулоновского кластера показано на рис. 3.

В одном из экспериментов исследовался отклик кулоновского кластера на внешнее возмущение, создаваемое изменением тока в катушках электромагнита. При изменении тока в одной из катушек «магнитная яма» смещалась в сторону того электромагнита, где ток меньше, а все частицы получали динамический импульс в том же направлении. При выравнивании токов через некоторое время «магнитная яма» возвращалась в прежнее положение. Полученный импульс возбуждал осцилляции ансамбля частиц как целого вдоль оси ампулы. Осцилляции затухали вследствие трения о буферный газ в течение нескольких периодов колебания. По результатам наблюдений за динамикой кластера можно получить информацию о его свойствах, например, определить удельную магнитную восприимчивость. Для частиц размером 200 мкм было найдено χ = –4 . 10–6 см3/г.

а)

б)

Рис. 2. Сменные контейнеры с экспериментальной ампулой в центре и системой диагностики: а — с двумя видеокамерами и подсветкой плоской электролюминесцентной пластиной; б — с одной видеокамерой, подсветкой электролюминесцентной пластиной и «лазерным ножом»

а)

б)

в)

Рис. 3. Формирование структуры кулоновского кластера частицами графита размером 300 мкм при включении антипробкотронного магнитного поля: а — момент включения поля; б — через 5 с; в — через 10 с

В последующих экспериментах [12, 13] было увеличено количество частиц графита в ампулах до 3 . 104, а потенциал на центральном электроде поднимался до 150 В.

Если при включении магнитного поля потенциал на центральном электроде был нулевым, то в «магнитной яме» формировался кластер из незаряженных частиц в форме эллипсоида вращения с отношением полуосей, близким к теоретическому значению 1/2 [9, 10]. При подаче на центральный электрод потенциала 150 В в результате зарядки пылевых частиц происходил их интенсивный разлет к стенкам ампулы: вначале внешних частиц кластера, а затем и внутренних — по мере того, как они оказывались на поверхности. Процесс разлета продолжался до полного распада кластера за время ~10 с. Скорость разлета частиц была ~1–5 см/с и уменьшалась по мере распада кластера. На рис. 4 представлена последовательность видеокадров, демонстрирующих разрушение кластера. Такой эффект разрушения кластера, начиная с внешних слоев, можно объяснить тем, что при отсутствии электрического поля между электродами незаряженные частицы графита могут соприкасаться, создавая электрический контакт. При включении электрического поля заряд «перетекал» от центрального электрода на частицы, расположенные на внешней оболочке кластера. Если их заряд оказывался достаточно большим, и силы электростатического отталкивания от кластера и центрального электрода превышали удерживающие силы магнитного поля и межмолекулярного сцепления между контактирующими частицами, они покидали кластер, разлетаясь к стенкам ампулы. После разлета внешнего слоя заряжался следующий слой, который также разлетался, что в конечном итоге приводило к полному разрушению кластера.

Интересный эффект обнаружен при включении плоской электролюминесцентной пластины, расположенной в нижней части экспериментальной ампулы [12]. При включении пластины над ее поверхностью возникает потенциал ~2 В, а при смещении «магнитной ямы» (в результате изменения токов в обкладках электромагнита) из центральной части ампулы в периферийную область рядом с электролюминесцентной пластиной из кластера вытягиваются нитевидные цепочки частиц (рис. 5). Находясь в неоднородном электрическом поле, проводящие частицы графита поляризуются и формируют линейную структуру, которая также может иметь ответвления. Данные цепочки формируют устойчивые образования, и пространственное изменение положения «магнитной ямы» (при изменении токов в соленоидах) не приводит к разрушению образовавшихся цепочек.

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Рис. 4. Кадры видеосъемки, демонстрирующие разлет кластера из 3∙10⁴ частиц размером 200 мкм после подачи потенциала 150 В на центральный электрод: а — момент подачи потенциала; б — через 1 с; в — 2 с; г — 3 с; д — 7 с; е — 11 с

Рис. 5. Формирование цепочечных структур графитовыми частицами размером 300 мкм

В последующем эксперименте [13] потенциал на центральном электроде в ампуле поднимался не сразу до 150 В, а за четыре шага — по 37,5 В каждый с временным интервалом между ними ~15 с. Это позволило более детально изучить процесс разрушения кластера и выявить его внутреннюю структуру. На первых шагах повышения потенциала от кластера отрываются только нитевидные комплексы, подобные показанным на рис. 5. С повышением потенциала процесс интенсифицируется. А интенсивный разлет отдельных частиц происходит только на последнем этапе при макси- мальном потенциале 150 В. На основании всего комплекса наблюдений можно сделать вывод о структуре кластера. Частицы графита занимают ~10% объема кластера, внутри которого они объединены в цепочки, преимущественная ориентация которых — от оси симметрии к поверхности.

Планируемый эксперимент на РС МКС

В настоящее время идет подготовка к проведению нового эксперимента на РС МКС — «Кулон–магнит». Его целью является изучение эволюции открытых диссипативных структур кулоновских макрочастиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации. Будут изучаться процессы самоорганизации в открытых диссипативных структурах кулоновских макрочастиц в газовой атмосфере и жидкости в антипробко-тронном магнитном поле.

В отличие от вышерассмотренных экспериментов, магнитное поле будет создаваться постоянными магнитами, что исключает необходимость подвода энергии для электромагнитов и, следовательно, нагрев оборудования. Изменение индукции магнитного поля будет осуществляться изменением расстояния между магнитами. При этом возможно достижение значительно более сильных полей, чем с электромагнитами. В рабочей зоне магнитное поле будет регулироваться в пределах 600…6 000 Гс, что почти на порядок величины превышает поля, достижимые в предыдущих экспериментах с использованием электромагнитов. Это даст возможность экспериментального исследования структур диамагнитных частиц не только графита, но и других веществ с меньшей удельной магнитной восприимчивостью (например, стекло, медь, пластики и т. д.). Также предполагается изучение коллоидных систем с дисперсными диамагнитными материалами в жидкости в магнитном поле. Результаты экспериментов могут найти применение в бескон-тейнерных технологиях получения новых материалов в условиях микрогравитации.

Регистрацию динамики макрочастиц в ампуле магнитного блока предлагается осуществлять с помощью телекамер, встроенных в сменные контейнеры. Оператор Российского сегмента Международной космической станции будет наблюдать за процессами, происходящими внутри экспериментальных ампул, по дисплею.

В новой аппаратуре размеры рабочей зоны внутри магнитного блока составят 5–6 см по высоте и 15–20 см в диаметре. Магнитный блок с указанными техническими характеристиками позволит проводить сеансы экспериментов по изучению левитации и динамике диамагнитных тел в рабочей зоне объемом ~102 см3. На Земле невозможно создание такой большой зоны устойчивой левитации. Масса установки составит не более 18 кг.

Космический эксперимент «Кулон–магнит» представляет интерес как в научном, так и в образовательно-демонстрационном плане. Образовательная составляющая эксперимента доступна школьникам и студентам вузов.

Сеансы эксперимента «Кулон–магнит» сможет выполнять один член экипажа РС МКС, но, возможно, потребуется привлечение второго космонавта для проведения видеосъемки первого, рассказывающего об эксперименте и оборудовании.

В рамках космического эксперимента будут исследованы следующие актуальные вопросы современной физики:

• •    динамика ансамблей активных моно-дисперсных и полидисперсных макрочастиц в магнитном поле в условиях микрогравитации;

• •    фазовые переходы в открытых диссипативных кулоновских структурах в магнитных полях;

• •    динамика дефектов и дислокаций в кулоновских структурах заряженных макрочастиц;

• •    эволюция структур активных макрочастиц при кинетическом разогреве пылевых макрочастиц лазерным излучением;

• •    сравнение экспериментальных данных, полученных на МКС, с результатами теоретических моделей динамики сред в неоднородных магнитных полях в условиях микрогравитации.

Заключение

Проведен обзор результатов работ авторов по исследованию свойств кулоновских сильновзаимодействующих систем в магнитных ловушках с диамагнитными (графитовыми) частицами. В первых экспериментах, выполненных в наземных условиях, была показана принципиальная возможность таких исследований, но при этом удалось сформировать структуры, состоящие всего из нескольких частиц. Дальнейшие эксперименты проводились в условиях микрогравитации на МКС. Здесь удалось создать и исследовать структуры, состоящие из тысяч частиц, и изучить их структуру и динамические свойства. В настоящее время планируется новый эксперимент на МКС с новой, более совершенной экспериментальной установкой. Сформулированы задачи, которые предполагается решить.