CC BY
24УДК 533.9.07
НАУЧНАЯ АППАРАТУРА «ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ-4» ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ (ПЫЛЕВОЙ) ПЛАЗМЫ НА БОРТУ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ
© 2020 г. Липаев А.М.12, Зобнин А.В.1, Усачев А.Д.1, Молотков В.И.1,
Жуховицкий Д.И.1,2, Наумкин В.Н.1, Петров О.Ф.1,2, Фортов В.Е.1, Пустыльник М.Ю.3,
Носенко В.3, Хагль Т.3, Томас Х.М.3, Тома М.Х.4, Зориг Р.5, Штетнер А.5,
Алямовская В.А.6, Орр А.7, Лавренко Е.Г.8
Юбъединенный институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН) Ул. Ижорская, 13, стр. 2, г. Москва, Российская Федерация, 125412, e-mail: webadmin@ihed.ras.ru
2Московский физико-технический институт (государственный университет) (МФТИ) Институтский пер., 9, г. Долгопрудный, Московская обл., Российская Федерация, 141701,
e-mail: info@mipt.ru
3Институт физики материалов в космосе Немецкого аэрокосмического агентства
D-82234 Весслинг, Германия
4Физический Институт, Йюстас-Либиг-Университет Гиссен Хейнрих-Буф-Ринг 16, 35392 Гиссен, Германия
5АО ОХБ системы Ул. Манфред-Фукс 1, 82234 Весслинг, Германия
6Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
7Европейский центр космических исследований и технологий, Европейское Космическое Агентство Проспект Кеплера 1, 2200 Нордвейк, Нидерланды
8Центральный научно-исследовательский институт машиностроения (ЦНИИмаш) Ул. Пионерская, 4, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: corp@tsniimash.ru
Научная аппаратура «Плазменный кристалл-4» («ПК-4») предназначена для исследования комплексной (пылевой) плазмы в условиях микрогравитации на Международной космической станции и является совместным проектом Европейского космического агентства и Роскосмоса. Научная аппаратура «ПК-4» интегрирована в стойку «Европейских физиологических модулей» в европейском лабораторном модуле Columbus. Управление экспериментом — автоматизированное, программно -интерактивное или ручное (с бортового ноутбука или с удаленного терминала в наземном центре управления). В научной аппаратуре «ПК-4» для создания плазмы используется разряд постоянного тока низкого давления в инертных газах в стеклянной трубке. Для получения комплексной плазмы в разряд инжектируются микрочастицы заданного размера. Две цифровые видеокамеры позволяют наблюдать за индивидуальными микрочастицами внутри трубки в фазовом пространстве, что делает комплексную плазму хорошим модельным объектом для изучения классических явлений в конденсированных средах на кинетическом уровне. Для контроля за состоянием плазмы используется интегрированный спектрометр и еще одна
видеокамера, позволяющая регистрировать собственное излучение плазмы на разных длинах волн. Для исследования свойств комплексной плазмы на нее воздействуют различными способами: электрическими, оптическими, термофоретическими.
Ключевые слова: комплексная плазма, микрочастицы, мягкая материя, воздействие лазером, микрогравитация, измерение вязкости, газовый разряд, диагностика плазмы.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-1-5-22
PLASMAKRISTALL-4 LABORATORY FOR RESEARCH OF COMPLEX (DUSTY) PLASMA ON BOARD OF THE INTERNATIONAL SPACE STATION
Lipaev A.M.12, Zobnin A.V.1, Usachev A.D.1, Molotkov V.I.1, Zhukhovitskii D.I.12, Naumkin V.N.1, Petrov O.F.12, Fortov V.E.1, Pustylnik M.Yu.3, Nosenko V.3, Hagl T.3, Thomas H.M.3, Thoma M.H.4, Seurig R.5, Stettner A.5, Alyamovskaya V.A.6, Orr A.7, Lavrenko E.G.8
1Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences (JIHT RAS) 13 bld. 2 Izhorskaya str., Moscow, 125412, Russian Federation, e-mail: webadmin@ihed.ras.ru
2Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT) 9 Institutsky per., Dolgoprudny, Moscow region, 141701, Russian Federation, e-mail: info@mipt.ru
3Deutsches Zentrum Luft & Raumfahrt DLR, Inst Mat Phys Weltraum D-82234 Wessling, Germany
4I. Physikalisches Institut, Justus-Liebig-Univerität Gießen Heinrich-Buff-Ring 16,35392 Gießen, Germany
5OHB System AG Manfred-Fuchs-Straße 1, 82234 Weßling, Germany
6S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
7European Space Research and Technology Centre, European Space Agency Keplerlaan 1, 2200 Noordwjk, The Netherlands
8Central Research Institute for Machine Building (TsNIIMash) 4 Pionerskaya str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: corp@tsniimash.ru
The scientific equipment «Plasmakristall-4» («PK-4») is designed to study complex (dusty) plasma under microgravity conditions aboard the International Space Station (ISS) and is a joint project of the European Space Agency (ESA) and Roscosmos. Scientific equipment «PK-4» is integrated into «European physiological modules» (EPM) rack, in the European laboratory module Columbus. Experiment control — automated, software-interactive, or manual from an on-board laptop and/or from a terminal in the ground control center. A low-pressure direct current discharge in noble gases in a glass tube is used to create a plasma at scientific equipment «PK-4». Microparticles of a given size are injected into the discharge to obtain a complex plasma. Two digital video cameras allow to trace individual microparticles inside
the tube in phase space, which makes a complex plasma to be a good model for studying classical phenomena in condensed matter at the kinetic level. To monitor the plasma conditions, an integrated spectrometer and another video camera are used allowing to observe emission from the plasma at different wavelengths. To study the reaction of microparticles to external forces, they can be exposed to radiation from a powerful laser, a gas stream, and also to thermophoretic force, i.e., by producing a given temperature gradient.
Key words: complex plasmas, microparticles, soft matter, laser manipulation, microgravity, viscosity measurements, gas discharges, plasma diagnostics.
ЛИПАЕВ Андрей Михайлович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ОИВТ РАН, преподаватель МФТИ, e-mail: lipaev@ihed.ras.ru
LIPAEV Andrey Mikhaylovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Senior research scientist at JIHT RAS, Teacher at MIPT, e-mail: lipaev@ihed.ras.ru
ЗОБНИН Андрей Вячеславович — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ОИВТ РАН, e-mail: zobnin@ihed.ras.ru ZOBNIN Andrey Vyacheslavovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Senior research scientist at JIHT RAS, e-mail: zobnin@ihed.ras.ru
УСАЧЕВ Александр Дмитриевич — кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией ОИВТ РАН, e-mail: usachev@ihed.ras.ru USACHEV Aleksandr Dmitrievich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Head of Laboratory at JIHT RAS, e-mail: usachev@ihed.ras.ru
МОЛОТКОВ Владимир Иванович — кандидат технических наук MOLOTKOV Vladimir Ivanovich — Candidate of Science (Engineering)
ЖУХОВИЦКИЙ Дмитрий Игоревич — доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ОИВТ РАН, профессор МФТИ, e-mail: dmr@ihed.ras.ru ZHUKHOVITSKII Dmitriy Igorevich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Chief research scientist at JIHT RAS, Professor at MIPT, e-mail: dmr@ihed.ras.ru
НАУМКИН Вадим Николаевич — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ОИВТ РАН, e-mail: naumkin@ihed.ras.ru NAUMKIN Vadim Nikolayevich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Senior research scientist at JIHT RAS, e-mail: naumkin@ihed.ras.ru
ПЕТРОВ Олег Федорович — академик РАН, профессор, директор ОИВТ РАН, заведующий кафедрой МФТИ, e-mail: ofpetrov@ihed.ras.ru PETROV Oleg Fedorovich — RAS academician, Professor, Director of JIHT RAS, Head of Department at MIPT, e-mail: ofpetrov@ihed.ras.ru
ФОРТОВ Владимир Евгеньевич — академик РАН, профессор, научный руководитель ОИВТ РАН, e-mail: fortov@ihed.ras.ru
FORTOV Vladimir Evgenievich — RAS academician, Professor, Scientific adviser of JIHT RAS, e-mail: fortov@ihed.ras.ru
ПУСТЫЛЬНИК Михаил Юрьевич — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики материалов в космосе Немецкого аэрокосмического агентства, e-mail: Mikhail.Pustylnik@dlr.de
PUSTYLNIK Mikhail Yur'evich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Research scientist at Deutsches Zentrum Luft & Raumfahrt DLR, Inst Mat Phys Weltraum, e-mail: Mikhail.Pustylnik@dlr.de
НОСЕНКО Владимир — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики материалов в космосе Немецкого аэрокосмического агентства, e-mail: V.Nosenko@dlr.de
NOSENKO Vladimir — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Research scientist at Deutsches Zentrum Luft & Raumfahrt DLR, Inst Mat Phys Weltraum, e-mail: V.Nosenko@dlr.de
ХАГЛЬ Таня — инженер Института физики материалов в космосе Немецкого аэрокосмического агентства, e-mail: Tanja.Hagl@dlr.de HAGL Tanja — Engineer at Deutsches Zentrum Luft & Raumfahrt DLR, Inst Mat Phys Weltraum, e-mail: Tanja.Hagl@dlr.de
ТОМАС Хубертус Мария — доктор философии (физика), руководитель научной группы Института физики материалов в космосе Немецкого аэрокосмического агентства, e-mail: Hubertus.Thomas@dlr.de
THOMAS Hubertus Maria — Doctor of philosophy in physics, Head of research group
at Deutsches Zentrum Luft & Raumfahrt DLR,
Inst Mat Phys Weltraum, e-mail: Hubertus.Thomas@dlr.de
ТОМА Маркус Х. — профессор, руководитель научной группы Физического Института
Йюстас-Либиг-Университета Гиссен,
e-mail: Markus.H.Thoma@exp1.physik.uni-giessen.de
THOMA Markus H. — Professor at I. Physikalisches Institut,
Justus-Liebig-Univerität Gießen, Head of research group,
e-mail: Markus.H.Thoma@exp1.physik.uni-giessen.de
ЗОРИГ Роланд — системный инженер АО ОХБ системы, e-mail: roland.seurig@ohb.de SEURIG Roland — Systems engineer at OHB System AG, e-mail: roland.seurig@ohb.de
ШТЕТНЕР Армин — глава отдела микрогравитации АО ОХБ системы, e-mail: armin.stettner@ohb.de
STETTNER Armin — Head of Microgravity at OHB System AG, e-mail: armin.stettner@ohb.de
АЛЯМОВСКАЯ Вера Анатольевна — ведущий инженер РКК «Энергия», e-mail: vera.alyamovskaya@rsce.ru
ALYAMOVSKAYA Vera Anatol'evna — Leading engineer at RSC Energia, e-mail: vera.alyamovskaya@rsce.ru
ОРР Астрид — доктор философии (физика), координатор по физическим наукам
Европейского центра космических исследований и технологий,
Европейское Космическое Агентство, e-mail: Astrid.Orr@esa.int
ORR Astrid — Doctor of philosophy in physics, Physical sciences coordinator
at European Space Research and Technology Centre, European Space Agency,
e-mail: Astrid.Orr@esa.int
ЛАВРЕНКО Елена Гавриловна — начальник сектора ЦНИИмаш, e-mail: egl@tsniimash.ru
LAVRENKO Elena Gavrilovna — Head of Subdepartment at TsNIIMash, e-mail: egl@tsniimash.ru
Введение
Научная аппаратура «ПК-4» (НА «ПК-4») является очередным этапом исследования комплексной (пылевой) плазмы в условиях микрогравитации на Между-
народной космической станции (МКС) в рамках космического эксперимента (КЭ) «Плазменный кристалл» и является совместным проектом Европейского космического агентства (ЕКА) и Роскосмоса. Экспериментальная программа для НА
«ПК-4» формируется международным советом ученых, состоящим из немецких, российских, французских, шведских, американских и японских представителей. В конце 2014 г. НА «ПК-4» была доставлена на МКС и установлена в стойку «Европейские физиологические модули» (ЕФМ) Европейского лабораторного модуля Columbus МКС, а с июня 2015 г. начато проведение экспериментов.
Комплексной (пылевой) плазмой называется плазма, в которой помимо атомов, молекул, ионов и электронов находятся микрочастицы из вещества в твердом или жидком агрегатном состоянии. Микрочастицы в плазме, благодаря значительной разнице в подвижности ионов и электронов, приобретают высокий электрический заряд (более 103 e), который может меняться как в зависимости от локальных условий в плазме, так и в результате флуктуаций. Такие микрочастицы в плазме, по сути, являются сверхтяжелыми ионами с переменным зарядом и при высокой плотности становятся значимыми участниками процессов в плазме, оказывая существенное влияние на баланс зарядов и другие параметры плазмы.
Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе — они присутствуют в кольцах планет, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках, мезо-сфере, грозовых тучах, они находятся в непосредственной близости от искусственных спутников и космических станций и т. д. Наличие пылевых частиц играет важную роль во многих важных технологических процессах (таких, как плазменное осаждение, производство микросхем, травление, где образование пыли происходит в процессе производства), а также в управляемом термоядерном синтезе (где возможность образования радиоактивной и токсичной пыли при взаимодействии плазмы со стенками является критичным для проектирования установок). Кроме того, плазма с микрочастицами, которые можно наблюдать с помощью современных видеокамер, активно исследуется во многих лабораториях (термин «комплексная плазма» обычно используется для того, чтобы отличить системы, специально созданные для таких исследований, от природной пылевой плазмы). При достаточно высокой плотности подсистема микрочастиц может стать сильно неидеальной, т. е. кинетическая энергия частиц может стать существенно меньше энергии
межчастичного взаимодействия. При этом микрочастицы выстраиваются в упорядоченные структуры. Открытие этого явления в 1994 г. [1-3], названного кристаллизацией пылевой плазмы или плазменными кристаллами, привлекло большой интерес к комплексной плазме. Упорядоченные структуры в комплексной плазме разряда постоянного тока впервые наблюдались в ОИВТ РАН в 1996 г. [4, 5]. Однако, большинство трехмерных упорядоченных структур, получаемых в лабораторных условиях, в результате значительного веса микрочастиц подвержены выраженной анизотропии в направлении гравитационного поля Земли. Во второй половине 1990-х гг. были предприняты попытки проводить эксперименты с комплексной плазмой в параболических полетах на самолетах и геодезических ракетах [6]. Но полноценные эксперименты с комплексной плазмой в условиях микрогравитации стали возможны только на борту космических аппаратов, таких как орбитальный комплекс «Мир» и МКС.
Первые два эксперимента на орбите были проведены на орбитальном комплексе «Мир» на относительно простых российских установках — НА «Плазменный кристалл-1» [7] и «Плазменный кристалл-2» [8] — и продемонстрировали их уникальные возможности в условиях микрогравитации.
Космический эксперимент «Плазменный кристалл» включен в «Программу научно-прикладных исследований на Российском сегменте (РС) МКС» в 1998 г. по заявке ОИВТ РАН. Эксперименты по изучению комплексной плазмы были продолжены на НА «Плазменный кри-сталл-3 Нефедов» («ПК-3 Нефедов») [9] на РС МКС в 2001 г. совместно с Институтом внеземной физики (ИВФ) Общества им. Макса Планка (Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik) при поддержке Немецкого аэрокосмического агентства (ДЛР) и Роскосмоса, а в 2006 г. ее сменил усовершенствованный вариант — НА «Плазменный кристалл-3 Плюс» («ПК-3 Плюс») [10]. В ходе выполнения этих двух проектов в них участвовало 30 космонавтов и астронавтов, а по результатам экспериментов было опубликовано более 100 статей в высокорейтинговых международных журналах. В 2013 г. НА «ПК-3 Плюс» исчерпала свой ресурс и была выведена из эксплуатации. Тренировочная модель НА «ПК-3 Нефедов»
была передана Мемориальному музею космонавтики в г. Москва. Разработка НА нового поколения «ПК-4» велась совместно сотрудниками ОИВТ РАН и ИВФ Общества им. Макса Планка [11-14]. Эксплуатация НА «ПК-4» регулируется межагентским Соглашением между ЕКА и Роскосмосом по проведению совместного КЭ на НА «ПК-4». В отличие от НА «ПК-3 Нефедов» и НА «ПК-3 Плюс», где применялись высокочастотные разряды емкостного типа, в НА «ПК-4» эксперименты проводятся в однородном положительном столбе газового разряда постоянного тока, либо в комбинированном разряде постоянного тока и высокочастотного (ВЧ) разряда индукционного типа, либо только в ВЧ разряде. Большая длина газоразрядной трубки позволяет проводить исследования гидродинамики течения сильно неидеальной плазменно-пылевой жидкости.
Однородность плазмы разряда постоянного тока в НА «ПК-4» была улучшена применением более совершенной вакуумной системы в сравнении с ранними «пионерскими» экспериментами по физике пылевой плазмы в разряде постоянного тока [4, 5, 15]. В стадии разработки
НА «ПК-4» проводилось ее тестирование в ряде лабораторных наземных экспериментов и в девяти параболических кампаниях. Выполнялись измерения зарядов микрочастиц [16, 17]; силы ионного увлечения, действующей на микрочастицы [18, 19]; исследования неньютоновской вязкости [20]; электрореологии [21]; ударных [22] и нелинейных волн [23, 24] в комплексной плазме и особенностей плазменно-пылевых взаимодействий [25].
Перечисленные темы входят в широкий спектр научных задач, стоящих перед ныне действующей в условиях микрогравитации на МКС НА «ПК-4». В настоящей статье будет кратко представлена экспериментальная лаборатория НА «ПК-4» и возможности исследований физики комплексной плазмы на ней.
Состав и размещение НА «ПК-4» на МКС
Научная аппаратура «ПК-4» интегрирована в стандартную стойку полезных нагрузок ЕФМ в европейском лабораторном модуле Columbus (рис. 1). НА «ПК-4» состоит из следующих составных частей:
• экспериментальный блок (ЭБ «ПК-4») (1);
а)
б)
Рис. 1. Стойка полезных нагрузок «Европейские физиологические модули» в лабораторном модуле Columbus МКС (а) и схема расположения составных частей ЛМ НА «ПК-4» внутри стойки (б) : 1 — экспериментальный блок (ЭБ) «ПК-4»; 2 — адаптер ЭБ «ПК-4»; 3 — блок управления и записи информации «ПК-4»; 4 — внешние баллоны с рабочими газами; 5 — дополнительный интерфейс подачи газов и управления напряжением питания; 6 — датчик остаточных ускорений
• адаптер ЭБ «ПК-4» (2), который обеспечивает механическое и электрическое соединения со стойкой ЕФМ, а также соединение с вакуумной системой стойки;
• блок управления и записи информации (БУЗИ «ПК-4») (3);
• три внешних баллона со сжатыми газами (4);
• дополнительный интерфейс подачи газов и управления напряжением питания ЭБ «ПК-4» (5), разработанный и установленный в июле 2018 г. для улучшения характеристик НА «ПК-4» и повышения качества экспериментов.
Стойка ЕФМ обеспечивает НА «ПК-4» электроэнергией, забортным вакуумом и компьютерными интерфейсами, а также охлаждение аппаратуры. Остаточные ускорения измеряет датчик остаточных ускорений (поз. 6 на рис. 1). Датчик размещается на время проведения эксперимента на внешней панели стойки ЕФМ рядом с ЭБ «ПК-4». Для «ПК-4» данные датчика остаточных ускорений записываются с частотой 200 Гц и максимальной амплитудой колебаний ~10-3 g.
Экспериментальный блок «ПК-4»
Основной частью НА «ПК-4» является вакуумная стеклянная газоразрядная трубка (плазменная камера) (поз. 2 на рис. 2; рис. 3), в центральной части которой во время проведения эксперимента создается комплексная плазма. Газоразрядная трубка смонтирована на интегрированной базовой платформе (ИБП).
ИБП представляет собой плиту из алюминиевого сплава (поз. 1 на рис. 2), на обеих сторонах которой расположено все экспериментальное оборудование.
На рис. 3 схематически показаны газоразрядная трубка и элементы диагностики и управления, необходимые для проведения экспериментов. Длина трубки составляет 500 мм, а внутренний диаметр — 30 мм. Центральная часть трубки длиной ~200 мм является рабочей экспериментальной областью, в которой
проводятся эксперименты с комплексной плазмой. На эту область настроены все системы диагностики комплексной плазмы и воздействия на нее, описание которых приведено далее. На концах боковых патрубков (длиной 180 мм каждый) установлены цилиндрические электроды (ИУ-Л — активный и ИУ-Р — пассивный). Разряд постоянного тока зажигается в плазменной камере при пробое промежутка между активным и пассивным электродами. Для этой цели используется биполярный высоковольтный источник питания, обеспечивающий стабилизированный ток в диапазоне ±3,1 мА при максимальном напряжении 2,7 кВ. Регулирование тока осуществляется на активном электроде, а измерение — на пассивном. Высоковольтный источник, как правило, используется в режиме генератора симметричных импульсов, когда полярность заданного значения тока на выходе генератора переключается с заданной частотой и скважностью. Таким образом, можно создавать как традиционный разряд постоянного тока (при скважности 0), так и «разряд с переключением полярности», при котором происходит переключение направления тока разряда с заданными периодом и скважностью.
Рис. 2. Трехмерная модель интегрированной базовой платформы с установленным на ней экспериментальным оборудованием: 1 — базовая платформа; 2 — газоразрядная трубка (плазменная камера); 3 — калейдоскопическая зеркальная система (приподнято); 4 — видеокамера; 5 — вход световода для спектрометра; 6 — спектрометр; 7 — диагностический лазерный луч; 8 — диспенсеры; 9 — луч манипуляционного лазера; 10 — активный электрод; 11 — направляющая для перемещения видеокамер; 12 — световод манипуляционного лазера; 13 — подвижная система зеркал для фокусировки диагностического лазера
Наибольшее значение периода составляет 327,67 мс, а наименьшее практически определяется длительностью переходных процессов в выходных цепях генератора (~0,5 мс). Разряд с переключением полярности служит для удержания облака из микрочастиц в заданной области, а также позволяет контролируемо перемещать его, изменяя скважность переключения. Изменения скважности также позволяют управлять скоростью дрейфа микрочастиц практически при неизменных условиях разряда, так как параметры положительного столба практически не зависят от полярности разряда, а изменяется только направление силы, действующей на микрочастицы. При достаточно малых значениях отношения заряда к массе и коротком периоде переключения разряда (2-10 мс) микрочастица не следует за осциллирующим разрядом и реагирует только на усредненную во времени суммарную силу. При скважности 0,5 разряд является симметричным, и усредненная сила равна нулю.
НУ-А НУ-р
Рис. 3. Схема эксперимента «ПК 4»: ОМ — мани-пуляционный лазер; RF1 и RF2 — подвижный и неподвижный высокочастотные индукторы, соответственно; TM — локальный нагреватель; EM — электроманипуля-ционный электрод; HV-A — вакуумный порт для установки активного электрода постоянного тока, через который напускается рабочий газ; HV-P — вакуумный порт для установки пассивного электрода постоянного тока, через который подключается система регулирования давления и вакуумирования плазменной камеры
В дополнение к разряду постоянного тока в плазменной камере «ПК-4» может генерироваться высокочастотный разряд с помощью индукторов (далее индукционный разряд). В разряде постоянного тока продольная электростатическая сила всегда превалирует над силой ионного увлечения. В противоположность этому случаю, в индукционном разряде вследствие значительно более высокой концентрации плазмы сила ионного увлечения, вызываемая ионами, дрейфующими в амбиполярном поле,
доминирует над электростатической силой. В связи с этим высокочастотный разряд используется в НА «ПК-4» как один из способов управления микрочастицами. В научной аппаратуре «ПК-4» используется двухканальный высокочастотный генератор, подающий напряжение на одну из двух или одновременно на обе высокочастотные катушки. Одна из катушек имеет фиксированное положение на газоразрядной трубке. Вторая катушка может перемещаться в рабочей области. Каждая катушка состоит из одного витка и используется для возбуждения индукционного разряда, частота которого составляет 81,36 МГц при максимальной мощности 5 Вт. Мощность каждого из высокочастотных каналов может независимо модулироваться низкой частотой (до 255 Гц).
Вакуумный порт пассивного (заземленного) электрода подсоединен к системе измерения и регулирования давления и откачному клапану. Откачка производится с помощью турбомолекулярного насоса, который является частью базовой платформы и обеспечивает создание высокого вакуума (для аргона скорость откачки составляет 11,5 л/с, а степень сжатия — 3*107). Плазменная камера имеет объем, равный 650 мл. Сечение трубопроводов к турбомолекулярному насосу и откачно-го клапана составляет 25 мм. Форвакуум плазменной камеры обеспечивается системой трубопроводов и клапанов модуля Columbus, соединенной с забортным вакуумом. Рабочее давление при проведении экспериментов может устанавливаться с помощью регулятора давления в диапазоне 0,1...2,0 мбар. Для заполнения камеры рабочим газом используется регулятор расхода газа, обеспечивающий поток газа в диапазоне 0,2. 10,0 ст. см3/мин с точностью 0,01 ст. см3/мин.
Используются три газа: неон, аргон и смесь аргон-кислород (76:24). Неон и аргон применяются при выполнении экспериментов. Аргон-кислородная смесь используется для плазменно-химического травления микрочастиц, осевших на поверхности плазменной камеры. Эта процедура необходима для оптической прозрачности камеры при ее длительной эксплуатации. В экспериментах возможен выбор одного из газов. Газы содержатся в трех баллонах объемом 1 л при давлении ~ 130 бар, установленных в ЕФМ. Объем газа рассчитан на весь срок службы аппаратуры.
Для введения монодисперсных пылевых микрочастиц в плазменную камеру используются шесть диспенсеров. Диспенсер представляет собой резервуар для хранения микрочастиц, закрытый металлической сеткой с подобранными по размеру микрочастиц ячейками. Диспенсеры заполнены сферическими монодисперсными микрочастицами из меламинформальде-гида и металлическими шариками диаметром 1,0 и 0,6 мм. В качестве материала микрочастиц выбран меламинформаль-дегид, исходя из доступности таких частиц, а также ввиду возможности их плазменно-химического травления в аргон-кислородной плазме. Кроме того, микрочастицы из меламинформальдегида более устойчивы к деградации в газоразрядной плазме благородных газов [26]. Для просеивания микрочастиц через сетку в плазменную камеру используются два разных принципа. В трех диспенсерах (04-06, рис. 3) микрочастицы просеиваются через сетку в плазменную камеру под действием толчков сердечника электромагнита, на котором закреплен резервуар. Эти диспенсеры аналогичны использованным в НА «ПК-3 Плюс» и содержат микрочастицы диаметров: 1,31 ± 0,04; 3,38 ± 0,07 и 6,86 ± 0,12 мкм. В трех других диспенсерах (01-03, рис. 3) определенная порция рабочего газа подается в форсунку, установленную напротив сетки. Микрочастицы увлекаются газовым потоком и просеиваются сквозь сетку. Эти диспенсеры содержат микрочастицы диаметров: 10,41 ± 0,13; 2,64 ± 0,05 и 3,38 ± 0,07 мкм. Диспенсеры 04-06 показали свою работоспособность, а функционирование диспенсеров 01-03 оказалось проблематичным.
Микрочастицы транспортируются в рабочую экспериментальную область — либо в поле разряда постоянного тока, либо с помощью индукционного ВЧ разряда.
После того как микрочастицы попадут в эту область, для их удержания включается разряд с переключением полярности. Возможно также удержание с помощью индукционного ВЧ разряда (определяется задачами конкретного эксперимента).
Наблюдение за пылевыми микрочастицами в НА «ПК-4» осуществляется с помощью лазера подсветки и двух видеокамер РО1 и РО2 (см. рис. 3). В качестве лазера подсветки используется диодный лазер, работающий на длине волны 532 нм при мощности в диапазоне 20...240 мВт, луч которого фокусируется в тонкий «лист» шириной ~18 мм и толщиной (в самой тонкой части) 40 мкм. Две видеокамеры для регистрации рассеянного микрочастицами излучения имеют идентичную оптику и разрешение 1 600*1 200 пикс. Поля зрения обеих камер (рис. 4) перекрываются на длине ~1,36 мм по горизонтали. Суммарное поле зрения двух видеокамер составляет 44*17 мм2. Максимальная скорость съемки камер при полном разрешении составляет 35 кадр/с. Скорость съемки может быть увеличена за счет уменьшения количества пикселей по вертикали. На практике используется разрешение 1 600*480 пикс с максимальной скоростью 70 кадр/с. С помощью X и У подвижных платформ видеокамеры могут перемещаться вдоль и поперек плазменной камеры, покрывая практически весь объем рабочей зоны. Отражательное зеркало диагностического лазера располагается на оси У транспортной платформы. Благодаря этому расстояние между слоем, освещенным диагностическим лазером, и оптикой камеры остается постоянным при движении по оси У. Это позволяет выполнить трехмерную реконструкцию образований микрочастиц, как это делалось в НА «ПК-3 Плюс» [10].
Рис. 4. Видеоизображение пылевого облака из микрочастиц 03,38 мкм в поле зрения обеих видеокамер (размер наблюдаемой области 44x17мм2)
Третья обзорная видеокамера
(640*480 пикс при скорости 25 кадр/с) позволяет наблюдать всю центральную часть трубки в трех спектральных диапазонах: вверху и внизу на 703,2 (А9,2) и 585,2 (А8,2) нм (линии излучения неона), соответственно, а по центру — интегральный видимый спектр излучения (рис. 5). На центральном изображении также видно распределение микрочастиц в рабочей экспериментальной области (рис. 5, б). Это важно при проведении эксперимента в режиме реального времени, а также для интерпретации динамики микрочастиц, наблюдаемой с помощью камер высокого разрешения. В случае разряда в неоне верхнее и нижнее изображения дают диагностическую информацию о фоновой плазме.
Для более детального спектрального анализа на подвижной платформе вместе с камерами наблюдения за микрочастицами установлен приемный световод миниспектрометра с дифракционной решеткой 600 мм-1, входной апертурой 25 мкм и спектральным разрешением 1,5 нм. 2 048-пиксельный линейный сенсор обеспечивает одновременный сбор спектральной информации в диапазоне длин волн 350.1 100 нм. Спектрометр используется для определения интенсивности спектров излучения плазмы, а также для обнаружения наличия примесей.
На стадии разработки аппаратуры «ПК-4» были выполнены зондовые измерения плазмы без микрочастиц в плазменной камере, идентичной камере летной модели [12]. Зонд вводился в рабочую область плазменной камеры и перемещался в продольном и радиальном направлениях. Из измеренных вольтамперных характеристик
ленгмюровского зонда были определены потенциал плазмы ф, концентрация электронов ие и их температура Т' Измерения показали однородное распределение концентрации и температуры электронов по оси разряда, а также линейный рост потенциала плазмы от анода к катоду, что указывает на однородность аксиального электрического поля Е. Результаты расчетов параметров плазмы на основе численной модели разряда, разработанной в ОИВТ РАН [12], демонстрируют хорошее согласие модели с измерениями.
В научной аппаратуре «ПК-4» используются различные методы воздействия на микрочастицы, которые можно разделить на две группы. Первая группа связана с изменением плазменных параметров, когда меняются внешние разрядные характеристики (разрядный ток или мощность), что приводит к соответствующему изменению плазменных сил, воздействующих на микрочастицы. В противоположность первой группе «неплазменные» способы воздействия на микрочастицы используют силы неэлектростатической природы, и воздействие оказывается только на микрочастицы, а влияние на плазму ничтожно мало. Простым примером воздействия такого рода является управление микрочастицами газовым потоком: микрочастицы могут увлекаться в плазменной камере потоком газа. Скорость потока микрочастиц может изменяться потоком газа. Однако главное внимание уделим двум другим способам этого рода: термовоздействию, в котором используется термофоретическая сила [27], и оптическому воздействию, где используется сила светового давления [28].
а)
б)
Рис. 5. Изображения, полученные видеокамерой РОО в трех спектральных диапазонах: а — без пылевых частиц; б — в присутствии нескольких пылевых облаков хорошо видны яркие области на оси трубки в центре изображения
Наиболее важными способами в группе плазменных воздействий являются изменение скважности переключения полярности и использование так называемого электроманипуляционного электрода.
Изменение скважности приводит к изменению величины среднего электрического поля, воздействующего на микрочастицы, которые не реагируют на относительно высокочастотные колебания электрического поля. Это позволяет с большой точностью изменять скорость дрейфа микрочастиц. Изменение среднего электрического поля посредством изменения скважности полярности может использоваться при исследовании электрореологических эффектов в пылевой плазме [21] при воздействии на межчастичный потенциал взаимодействия.
Кольцевой электроманипуляционный электрод установлен коаксиально в правой части рабочей зоны (см. рис. 3). Через этот электрод может пропускаться отрицательный постоянный ток для получения эффекта сжатия движущегося потока заряженных микрочастиц (эффект сопла). При подаче импульсного тока возможно сжатие облака частиц и генерация ударных волн [22].
Сила светового давления является физической основой оптического способа воздействия на микрочастицы в НА «ПК-4». В качестве источника света для этого используется диодный лазер с максимальной выходной мощностью 20 Вт на длине волны 808 нм. Несмотря на большую мощность, лазер практически не оказывает влияния на фоновую плазму, поскольку длина волны лазера не совпадает с какими-либо атомными переходами ни в одном из двух инертных рабочих газов НА «ПК-4». Свет лазера вводится в плазменную камеру через оптоволоконный кабель. Выходная часть кабеля установлена на подвижной платформе. Зеркало направляет свет лазера от оптоволокна в плазменную камеру. На фланце плазменной камеры установлена линза с фокусным расстоянием 30 мм, которая формирует перетяжку с максимумом интенсивности. Перемещая выходную часть оптического кабеля, можно смещать перетяжку вдоль всей рабочей зоны. Рис. 6 демонстрирует эффект воздействия света лазера на облако микрочастиц. Как видно, в облаке возникает поток диаметром ~2 мм, движущийся вдоль оси трубки. Эксперименты с использованием светового
давления позволяют исследовать вязкость плазменно-пылевой жидкости и другие явления в сдвиговых течениях [29-31].
б)
Рис. 6. Видеоизображения облака микрочастиц 03,38 мкм:
а — без внешнего воздействия; б — под воздействием луча манипуляционного лазера при токе накачки 24 А. Размер наблюдаемой области 22*17 мм2
Из соображений безопасности ИБП помещена в герметичный контейнер, заполненный азотом при давлении 800 мбар. Передача данных, ввод питания и фор-вакуумной линии, а также подача газа обеспечиваются через герморазъемы. Одна из стенок контейнера оснащена вентиляторами с обеих сторон и служит теплообменником для отвода тепла от экспериментального оборудования.
Любая утечка вакуумной и/или газовой системы ИБП приведет к изменению давления внутри контейнера. Если произойдет значительное снижение давления, работа НА «ПК-4» должна быть прекращена, так как атмосфера контейнера выполняет роль теплоносителя для ИБП и в то же время — электрического изолятора для цепей постоянного и высокочастотного разрядов.
Система управления, записи и передачи информации НА «ПК-4»
Система НА «ПК-4» обеспечивает:
• управление всеми элементами НА «ПК-4» с помощью программ-скриптов (далее — скрипты) и путем ручного управления с двух независимых терминалов;
• сбор, запись и копирование на сменные носители информации (СНИ) телеметрии, включая данные, получаемые во время проведения экспериментов на НА «ПК-4», в т. ч. видеопотоки с трех видеокамер;
• отображение текущей телеметрии и одного видеопотока на двух независимых терминалах.
Основным элементом этой системы является блок управления и записи информации (БУЗИ «ПК-4», рис. 7). БУЗИ «ПК-4» полностью обеспечивает сбор, запись и копирование на СНИ телеметрии, включая данные, получаемые во время проведения экспериментов на НА «ПК-4», в т. ч. видеопотоки с трех видеокамер. Кроме того, на БУЗИ «ПК-4» запускаются на исполнение скрипты, транслируются телекоманды с удаленных терминалов на соответствующие подсистемы НА «ПК-4» и формируются видеопотоки для передачи на удаленные терминалы.
Управление экспериментами может проводиться с двух терминалов: с наземной консоли и с бортовой консоли из состава стойки ЕФМ. На обоих независимых терминалах используется пользовательский интерфейс. С помощью него оператор может наблюдать и управлять подавляющим большинством (более 100) параметров ИБП и других систем НА «ПК-4», а также запускать на исполнение скрипты на БУЗИ «ПК-4». Скрипты выполнены на языке высокого уровня CSL (C scripting language
скриптовый язык Си) с использованием специально разработанных библиотек подпрограмм для управления ИБП и другими частями НА «ПК-4». Каждый скрипт формирует, помимо постоянно ведущихся лог-файлов, лог-файл, в который записываются все выполненные команды с соответствующими временными метками в текстовом виде. Запись телеметрии в БУЗИ «ПК-4» ведется на системный жесткий диск, а видеопотоки без сжатия записываются на избыточный массив независимых дисков (RAID) из 4 SSD дисков. RAID способен записывать все три видеопотока при максимальном потоке данных с трех видеокамер (PO1, PO2 и обзорной) в течение 90 мин. Запись видео может запускаться и останавливаться по команде. После эксперимента все накопленные данные необходимо скопировать на два съемных жестких диска (объемом 500 ГБ каждый) из состава СНИ с последующей проверкой. СНИ с данными возвращаются на Землю на транспортном корабле «Союз».
Программное обеспечение НА «ПК-4» не имеет возможности анализировать изображение в реальном времени. Только космонавт и оператор на Земле могут управлять ходом эксперимента, основываясь на видеоизображении облака микрочастиц. Бортовой терминал организован на ноутбуке из состава ЕФМ, видеоинформация отображается на дополнительном ноутбуке с разрешением 1 024*768 пикс.
Рис. 7. Блок-схема лаборатории «ПК-4» на борту МКС
Наземный терминал организован в Центре управления полезными нагрузками (САБМОЗ) в г. Тулуза. Для наземного терминала видео передается в формате МРЕС1 (320*240 пикс). Разрешение этого видео слишком низкое для научного анализа, но достаточное для оценки хода эксперимента и принятия решений. К управлению с наземного терминала допускаются только сотрудники САОМОБ, прошедшие соответствующее обучение. Для проведения экспериментов в зал управления САОМОБ допускаются два научных работника, которые могут выдавать рекомендации оператору терминала. В европейском зале поддержки (EMSR) в ЦУП-М (г. Королёв) организован терминал, аналогичный терминалу в CADMOS, но без возможности управления. Научным работникам в европейском зале поддержки предоставлен канал связи для совместного с научными работниками в CADMOS обсуждения и принятия решений. Кроме того, по этому каналу связи можно выдавать рекомендации оператору терминала в CADMOS.
Организация проведения работ на научной аппаратуре «ПК-4»
Организационно проведение КЭ на научной аппаратуре «ПК-4» можно разделить на три основных этапа: подготовка, проведение серии КЭ и анализ результатов. Результаты анализа во многих случаях служат исходными данными для подготовки следующей серии КЭ.
Подготовка КЭ начинается с формирования пакета идей экспериментов. Идеи обсуждаются и апробируются на научных моделях (НМ) «ПК-4». НМ «ПК-4» включает ЭБ «ПК-4», полностью идентичный ЭБ летной модели «ПК-4», но остальная часть НА «ПК-4» выполнена в «наземном исполнении» и не имеет инфраструктуры ЕФМ. По одной НМ «ПК-4» имеется в распоряжении ИФМК ДЛР и ОИВТ РАН. По результатам идей формируется документация на каждый эксперимент, включающая диаграмму эксперимента, таблицу основных параметров и пошаговую процедуру. На основе документации программируются скрипты экспериментов и тестируется на НМ «ПК-4». Тестирование и корректировка экспериментов могут включать несколько итераций с соответствующей корректировкой документации.
Окончательные версии «летных» скриптов передаются в CADMOS, где они проходят окончательную проверку на
«наземной модели», которая интегрирована с наземным экземпляром стойки ЕФМ в CADMOS и поэтому является наиболее точной копией летной модели «ПК-4». После успешной проверки на наземной модели скрипты загружаются на научную аппаратуру «ПК-4» на борту МКС.
Подготовка эксперимента также включает занятия с экипажами на тренировочной модели НА «ПК-4» в Центре астронавтов ЕКА. Она не имеет ИБП и может использоваться только для обучения экипажей МКС для обслуживания НА «ПК-4».
Типичная серия КЭ длится шесть-семь дней, начиная с процедуры инициализации и откачки, занимающей два дня, затем три-четыре дня проводятся сеансы КЭ и копирование данных, а в заключительный день — консервация НА «ПК-4». Продолжительность сеанса КЭ ограничена объемом RAID БУЗИ «ПК-4» и составляет 90 мин видеозаписи. Дневной сеанс КЭ разбивается на три-четыре прогона длительностью ~30 мин каждый. Длительность ограничивается неравномерным нагревом ЭБ «ПК-4», что приводит к существенным искажениям в эксперименте уже при градиенте температуры ~0,1 °С/см. После каждого сеанса КЭ проводится копирование данных и замена СНИ. Кроме того, в соответствии с требованиями экспериментов, в конце сеанса КЭ может проводиться переключение газа, а после заключительного сеанса, при необходимости, проводится плазменно-химическая очистка стенок газоразрядной трубки от микрочастиц и их продуктов.
В научной аппаратуре «ПК-4» предусмотрены три режима проведения КЭ:
• полностью автоматический;
• полуавтоматический — без необходимости быстрой подстройки параметров;
• полуавтоматический — необходима быстрая подстройка параметров (необходимо время реакции <1 с).
В полностью автоматическом режиме процедура эксперимента не зависит от состояния облака микрочастиц, и поэтому скрипт выполняется без какого-либо вмешательства со стороны Земли или экипажа, но в большинстве экспериментов требуются определенные корректировки или проверки состояния микрочастиц (например, положения облака микрочастиц в поле зрения видеокамер) и, следовательно, использование полуавтоматического
режима. В полуавтоматическом режиме скрипт эксперимента выполняется с одной или несколькими паузами. Во время каждой паузы оператору предоставляется возможность выполнить необходимые действия с одного из терминалов, затем оператор передает управление обратно БУЗИ «ПК-4».
Примером, когда необходима быстрая подстройка параметров, является переключение разряда постоянного тока в режим переключения полярности во время захвата микрочастиц. Скорость переноса микрочастиц в разряде постоянного тока составляет ~1 см/с [32]. Следовательно, в течение 10 с микрочастицы пройдут расстояние, сравнимое с длиной рабочей зоны плазменной камеры. Поэтому этот тип захвата микрочастиц всегда выполняется экипажем МКС.
В случаях, когда быстрая реакция во время паузы не требуется, задачи могут выполняться с Земли. Большинство задач не являются критичными по времени.
Некоторые научные результаты
С помощью НА «ПК-4» был открыт новый вид неустойчивости поперечного типа и предложена ее модель [33]; обнаружено удвоение волнового числа за счет рождения дополнительных гребней в самовозбуждающихся волнах при переключении полярности разряда постоянного тока [34]; обнаружено, что параметр Хавнеса оказывает существенное влияние на возбуждение волн сжатия [35]; исследовано влияние структуры микрочастиц на спектры неона [36]; обнаружено, что распределение скоростей микрочастиц в комплексной плазме существенно немаксвелловское и может быть аппроксимировано суперпозицией максвел-ловского ядра при низких энергиях и Каппа-распределением — при высоких, аналогично космической плазме [37]; обнаружено движение микрочастиц, близкое к диффузионному, в комплексной плазме [38]; проведено измерение зарядов микрочастиц в плазме разряда постоянного тока в аргоне и неоне в широком диапазоне давлений и токов разряда [39].
Заключение
Научная аппаратура «Плазменный кристалл-4» — это установка следующего поколения для изучения комплексной
плазмы в условиях микрогравитации на борту МКС, сфокусированная, главным образом, на исследованиях гидродинамических явлений в комплексной плазме. Микрочастицы, используемые для создания комплексной плазмы, представляют собой относительно тяжелые пластиковые сферы микронного размера, поэтому для получения невозмущенной трехмерной комплексной плазмы требуется микрогравитация.
Научным ядром НА «ПК-4» является интегрированная базовая платформа, которая содержит плазменную камеру с электродами и диспенсерами для микрочастиц, системы подачи газа и ваку-умирования, средства генерации и диагностики плазмы, устройства для манипулирования микрочастицами, систему видеонаблюдения за микрочастицами и лазер для освещения. Основными экспериментальными характеристиками НА «ПК-4» являются: (I) удлиненная плазменная камера; (II) универсальный источник питания разряда постоянного тока, позволяющий переключать полярность с частотой 100.500 Гц и изменять рабочий цикл переключения полярности; (III) большой набор возможностей по воздействию на микрочастицы, включая также методы, не возмущающие плазму (например, оптические манипуляции и термическое воздействие), и (IV) диагностика плазмы, представленная системой наблюдения за собственным излучением плазмы и миниспектрометром. Этот набор инструментов делает НА «ПК-4» универсальной установкой для проведения различных экспериментов, начиная от самых простых, таких как, например, измерения заряда микрочастиц [16, 17, 39], до довольно сложных, таких как, например, измерение вязкости комплексной плазмы с использованием сдвигового потока [20].
Научная аппаратура «ПК-4» размещается в модуле Columbus на МКС, в стойке «Европейские физиологические модули». Она, в основном, эксплуатируется с Земли (центр управления CADMOS в Тулузе, Франция) при поддержке экипажа МКС. Научные эксперименты программируются с помощью скриптов с использованием специально разработанных библиотек для «ПК-4». Скрипты включают в себя паузы, в которых оператор может настроить параметры ИБП в соответствии с видеоинформацией с камер «ПК-4». После экспериментального сеанса КЭ видео
и служебные данные копируются на съемные жесткие диски, которые доставляются на Землю для полного научного анализа.
Научная аппаратура «Плазменный кри-сталл-4» была создана, доставлена и эксплуатируется на борту Международной космической станции благодаря поддержке Роскосмоса и Европейского космического агентства. Фото для рис. 1, а предоставлено ГК Роскосмос.
Авторы выражают благодарность космонавтам за проведение экспериментов.
Список литературы
1. Chu J.H., Lin I. Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas // Physical Review Letters. 1994. V. 72. № 25. P. 4009-4012.
2. Thomas H., Morfill G.E., Demmel V., Goree J., Feuerbacher B., Mohlmann D. Plasma crystal — Coulomb crystallization in a dusty plasma // Physical Review Letters. 1994. V. 73. № 5. P. 652-655.
3. Hayashi Y., Tachibana K. Observation of coulomb-crystal formation from carbon particles grown in a methane plasma // Japanese Journal of Applied Physics part 2 - letters. 1994. V. 33. № 6A. P. L804-L806.
4. Fortov V.E., Nefedov A.P., Torchinskii V.M., Molotkov V.I., Khrapak A.G., Petrov O.F., Volykhin K.F. Crystallization of a dusty plasma in the positive column of a glow discharge // JETP Lett. 1996. V. 64. № 2. P. 92-98.
5. Lipaev A.M., Molotkov VI, Nefedov AP, Petrov O.F., Torchinskii V.M., Fortov V.E., Khrapak A.G., Khrapak S.A. Ordered structures in a nonideal dusty glow-discharge plasma // JETP. 1997. V. 85. № 6. P. 1110-1118.
6. Morfill G.E., Thomas H.M., Konopka U., Rothermel H., Zuzic M., Ivlev A., Goree J. Condensed Plasmas under Microgravity // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. № 8. P. 1598-1601.
7. Фортов В.Е., Нефедов А.П., Вау-лина О. С., Липаев А.М., Молотков В.И., Самарян А.А., Никитский В.П., Иванов А.И., Савин С.Ф., Калмыков А.В., Соловьев А.Я., Виноградов П.В. Пылевая плазма, индуцированная солнечным излучением, в условиях микрогравитации: эксперимент на борту орбитальной станции «Мир» // ЖЭТФ. 1998. Т. 114. № 6(12). С. 2004-2021.
8. Nefedov A.P., Vaulina O.S., Petrov O.F., Molotkov V., Torchinskii V.M., Fortov V.E., Chernyshev A.V., Lipaev A.M., Ivanov A.I., Kaleri A.Y., Semenov Y.P., Zaletin S.V. The dynamics of macrop articles in a direct current glow discharge plasma under micro-
gravity conditions // New Journal of Physics.
2003. V. 5. P. 108.
9. Nefedov A.P, Morfill G.E., Fortov V.E, Thomas H.M., Rothermel H., Hagl T, Ivlev A.V., Zuzic M, Klumov B.A., Lipaev A.M., et al. PKE-Nefedov: plasma crystal experiments on the International Space Station // New Journal of Physics. 2005. V. 5. P. 33.
10. Thomas H.M., Morfill G.E, Fortov V.E, Ivlev A.V., Molotkov V.I., Lipaev A.M., Hagl T., Rothermel H., Khrapak S.A., Suetterlin R.K., et al. Complex plasma laboratory PK-3 Plus on the International Space Station // New Journal of Physics. 2008. V. 10. P. 033036.
11. Pustylnik M.Y., Fink M.A., Nosenko V., Antonova T, Hagl T, Thomas H.M., Zobnin A.V., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I. Plasmakristall-4: New complex (dusty) plasma laboratory on board the International Space Station // Review of Scientific Instruments. 2016. V. 87. P. 093505.
12. Fortov V.E., Morfill G.E, Petrov O, Thoma M.H., Usachev A.D., Höfner H, Zobnin A.V., Kretschmer M, Ratynskaya S, Fink M.A., et al. The project «Plasmakristall-4» (PK-4) — a new stage in investigations of dusty plasmas under microgravity conditions: first results and future plans // Plasma Phys. Control. Fusion. 2005. V. 47. P. B537.
13. Fink M.A., Thoma M.H., Morfill G.E. PK-4 Science Activities in Micro-gravity // Microgravity Sci. Technol. 2011. V. 23. P. 169.
14. Thoma M.H., Fink M.A., Höfner H, Kretschmer M., Khrapak S.A., Ratynskaya S., Yaroshenko V.V., Morfill G.E., Petrov O.F., Usachev A.D., Zobnin A.V., Fortov V.E. PK-4: Complex Plasmas PK-4: Complex Plasmas in Space—The Next Generation // IEEE Trans. Plasma Sci. 2007. V. 35. P. 255.
15. Molotkov VI, Petrov O.F, Pustyl'nik MY, Torchinskii V.M., Fortov V.E., Khrapak A.G. Dusty Plasma of a DC Glow Discharge: Methods of Investigation and Characteristic Features of Behavior // High Temperature.
2004. V. 42. P. 827.
16. Ratynskaya S, Khrapak S, Zobnin A., Thoma M.H., Kretschmer M, Usachev A., Yaroshenko V., Quinn R.A., Morfill G.E., Petrov O., Fortov V. Experimental Determination of Dust-Particle Charge in a Discharge Plasma at Elevated Pressures // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 085001.
17. Khrapak S.A., Ratynskaya S, Zobnin A.V., Yaroshenko V.V., Thoma M.H., Kretschmer M, Usachev A.D., Höfner H., Morfill G.E., Petrov O.F., Fortov V.E. Particle
charge in the bulk of gas discharges // Phys. Rev. E. 2005. V. 72. P. 016404.
18. Yaroshenko V., Ratynskaya S, Khrapak S, Thoma M.H., Kretschmer M., Höfner H, Morfill G.E., Zobnin A., Usachev A., Petrov O., Fortov V. Determination of the ion drag force in a complex plasma // Phys. Plasmas. 2005. V. 12. P. 093503.
19. Yaroshenko V., Ratynskaya S, Khrapak S, Thoma M.H., Kretschmer M, Morfill G.E. Measurements of the dust-ion momentum transfer frequency and ion drag force in complex plasmas // Contrib. Plasma Phys. 2005. V. 45. P. 223.
20. Ivlev A.V., Steinberg V., Kompaneets R., Höfner H, Sidorenko I., Morfill G.E. Non-Newtonian Viscosity of Complex-Plasma Fluids//Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 145003.
21. Ivlev A.V., Thoma M.H., Räth C, Joyce G, Morfill G.E. Complex plasmas in external fields: The role of non-Hamiltonian interactions //Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. P. 155001.
22. Usachev A., Zobnin O, Petrov O, Fortov V., Thoma M.H., Höfner H, Fink M, Ivlev A., Morfill G. Externally excited planar dust acoustic shock waves in a strongly coupled dusty plasma under microgravity conditions//NewJ. Phys. 2014. V. 16. P. 053028.
23. Zhdanov S, Heidemann R., Thoma M.H., Sütterlin R.K., Thomas H.M., Höfner H, Tarantik K, Morfill G.E., Usachev A.D., Petrov O.F., Fortov V.E. Dissipative Dark Solitons in DC Complex Plasmas // Eur. Phys. Lett. 2010. V. 89. P. 25001.
24. Fink M.A, Zhdanov S.K., Thoma M.H., Höfner H, Thomas H.M., Morfill G.E. Autowaves in a dc complex plasma confined behind a Laval nozzle // Eur. Phys. Lett. 2013. V. 102. P. 45001.
25. Usachev A.D., Zobnin A.V., Petrov O.F., Fortov V.E., Thoma M.H., Pustylnik M.Y., Fink M.A., Morfill G.E. Elongated dust clouds in a uniform DC positive column of low pressure gas discharge // Plasma Sources Sci. Technol. 2016. V. 25. №. 3. P. 035009.
26. Mitic S, Pustylnik M.Y., Kovac evic E, BerndtJ., Boufendi L, Morfill G.E. Spectroscopic characterization of micro- and nanoparticle suspensions with size dynamics in plasmas // J. Phys. D. 2012. V. 45. P. 335203.
27. Rothermel H, Hagl T, Morfill G.E., Thoma M.H., Thomas H.M. Gravity Compensation in Complex Plasmas by Application of a Temperature Gradient // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. P. 175001.
28. Mitic S, Sütterlin R.K., Ivlev A.V., Thoma M.H., Zhdanov S, Morfill G.E.
Convective Dust Clouds Driven by Thermal Creep in a Complex Plasma // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 235001.
29. Nosenko V., Goree J. Shear Flows and Shear Viscosity in a Two-Dimensional Yukawa System (Dusty Plasma) // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 155004.
30. Nosenko V., Ivlev A.V., Morfill G.E. Anisotropic shear melting and recrystallization of a two-dimensional complex plasma // Phys. Rev. E. 2013. V. 87. P. 043115.
31. Gavrikov A., Shakhova I., Ivanov A., Petrov N, Fortov V. Experimental study of laminar flow in dusty plasma liquid // Phys. Lett. A. 2005. V. 336. P. 378.
32. Khrapak S.A., Thoma M.H., Chaudhuri M, Morfill G.E., Zobnin A.V., Usachev A.D., Petrov O.F., Fortov V.E. Particle flows in a dc discharge in laboratory and microgravity conditions // Phys. Rev. E. 2013. V. 87. P. 063109.
33. Zobnin A.V., Usachev A.D., Lipaev A.M., Petrov O.F., Fortov V.E., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Fink M.A., Thoma M.H., Padalka G.I. Transverse ionization instability of the elongated dust cloud in the gas discharge uniform positive column under microgravity conditions // XXXI International Conference on Equations of State for matter (ELBRUS2016). 2016. V. 774. P. UNSP 012174.
34. Jaiswal S., Pustylnik M.Y., Zhdanov S., Thomas H.M., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Fortov V.E., Thoma M.H., Novitskii O.V. Dust density waves in a dc flowing complex plasma with discharge polarity reversal // Physics of Plasmas. 2018. V. 25. P. 083705. DO110.1063/1.5040417.
35. Yaroshenko V.V., Khrapak S.A., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Jaiswal S, Lipaev A.M., Usachev A.D., Petrov O.F., Fortov V.E. Excitation of low-frequency dust density waves in flowing complex plasmas // Physics of Plasmas. 2019. V. 26. № 5. P. 053702.
36. Usachev A.D., Zobnin A.V., Shonenkov A.V., Lipaev A.M., Molotkov V.I., Petrov O.F., Fortov V.E., Pustyl'nik M.Y., Fink M.A., Thoma M.A., Thomas H.M., Padalka G.I. Influence of dust particles on the neon spectral line intensities at the uniform positive column of dc discharge at the space apparatus «Plasma Kristall-4» // Journal of Physics: Conference Series. 2018. V. 946. P. 012143.
37. Liu B., Goree J., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Fortov V.E., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Petrov O.F., Thoma M.H. Particle velocity distribution
in a three-dimensional dusty plasma under microgravity conditions // AIP Conference Proceedings. 2018. V. 1925. P. 020005.
38. Wei Z, Liu B., Goree J., Pustylnik MY., Thomas H.M., Fortov V.E., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Petrov O.F., Thoma M.H. Diffusive Motion in a 3-D Cluster in PK-4 // IEEE Transactions on Plasma Science. 2019. V. 47. P. 3100-3106.
39. Antonova T., Khrapak S.A., Pustylnik MY., Rubin-Zuzic M., Thomas H.M., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Thoma M.H. Particle charge in PK-4 dc discharge from ground-based and microgravity experiments // Physics of Plasmas. 2019. V. 26. P. 113703. DO110.1063/1.5122861 Статья поступила в редакцию 23.09.2019 г. Окончательный вариант — 29.11.2019 г.
Reference
1. Chu J.H., Lin I. Direct observation of coulomb crystals and liquids in strongly cou-pled rf dusty plasmas. Physical Review Letters, 1994, vol. 72, no. 25, pp. 4009 -4012.
2. Thomas H., Morfill G.E., Demmel V., Goree J., Feuerbacher B., Mohlmann D. Plasma crystal - Coulomb crystallization in a dusty plasma. Physical Review Letters, 1994, vol. 73, no. 5, pp. 652-655.
3. Hayashi Y., Tachibana K. Observation of coulomb-crystal formation from carbon particles grown in a methane plasma. Japanese Journal of Applied Physics part 2 - letters, 1994, vol. 33, no. 6A, pp. L804-L806.
4. Fortov V.E., Nefedov A.P., Torchinskii V.M., Molotkov V.I., Khrapak A.G., Petrov O.F., Volykhin K.F. Crystallization of a dusty plasma in the positive column of a glow discharge. JETP Lett., 1996, vol. 64, no. 2, pp. 92-98.
5. Lipaev A.M., Molotkov V.I., Nefedov A.P., Petrov O.F., Torchinskii V.M., Fortov V.E., Khrapak A.G., Khrapak S.A. Ordered structures in a nonideal dusty glow-discharge plasma. JETP, 1997, vol. 85, no. 6, pp. 1110-1118.
6. Morfill G.E., Thomas H.M., Konopka U., Rothermel H, Zuzic M., Ivlev A., Goree J. Condensed plasmas under microgravity. Phys. Rev. Lett., 1999, vol. 83, no. 8, pp. 1598-1601.
7. Fortov V.E., Nefedov A.P., Vaulina O.S., Lipaev A.M., Molotkov V.I., Samaryan A.A., Nikitskii V.P., Ivanov A.I., Savin S.F., Kalmykov A.V., Solov'ev A.Y., Vinogradov P.V. Pylevaya plazma, indutsirovannaya solnechnym izlucheniem, v usloviyakh mikrogravitatsii: eksperiment na bortu orbital'noi stantsii «Mir» [Dusty plasma induced by solar radiation under microgravitational conditions: An experiment on board the Mir orbiting space station]. ZhETF, 1998, vol. 114, no. 6(12), pp. 2004-2021.
8. Nefedov A.P., Vaulina O.S., Petrov O.F., Molotkov V., Torchinskii V.M., Fortov V.E., Chernyshev A.V., Lipaev A.M., Ivanov A.I., Kaleri AY., Semenov Y.P., Zaletin S.V. The dynamics of macrop article s in a direct current glow discharge plasma under micro-gravity conditions. New Journal of Physics, 2003, vol. 5, p. 108.
9. Nefedov A.P., Morfill G.E., Fortov V.E., Thomas H.M., Rothermel H., Hagl T., Ivlev A.V., Zuzic M., Klumov B.A., Lipaev A.M., et al. PKE-Nefedov: plasma crystal experiments on the International Space Station. New Journal of Physics, 2005, vol. 5, p. 33.
10. Thomas H.M., Morfill G.E., Fortov V.E., Ivlev A.V., Molotkov V.I., Lipaev A.M., Hagl T., Rothermel H, Khrapak S.A., Suetterlin R.K., et al. Complex plasma laboratory PK-3 Plus on the International Space Station. New Journal of Physics, 2008, vol. 10, p. 033036.
11. Pustylnik M.Y., Fink M.A., Nosenko V., Antonova T., Hagl T., Thomas H.M., Zobnin A.V., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I. Plasmakristall-4: New complex (dusty) plasma laboratory on board the International Space Station // Review of scientific instruments, 2016, vol. 87, p. 093505.
12. Fortov V.E., Morfill G.E., Petrov O, Thoma M.H., Usachev A.D., Höfner H., Zobnin A.V., Kretschmer M, Ratynskaya S, Fink M.A., et al. The project 'Plasmakristall-4' (PK-4)—a new stage in investigations of dusty plasmas under microgravity conditions: first results and future plans. Plasma Phys. Control. Fusion, 2005, vol. 47, p. B537.
13. Fink M.A., Thoma M.H., Morfill G.E. PK-4 Science Activities in micro-gravity. Microgravity Sci. Technol., 2011, vol. 23, p. 169.
14. Thoma M.H., Fink M.A., Höfner H., Kretschmer M., Khrapak S.A., Ratynskaya S, Yaroshenko V.V., Morfill G.E., Petrov O.F., Usachev A.D., Zobnin A.V., Fortov V.E. PK-4: Complex Plasmas PK-4: Complex plasmas in space — the next generation. IEEE Trans. Plasma Sci., 2007, vol. 35, p. 255.
15. Molotkov V.I., Petrov O.F., Pustyl'nik M.Y., Torchinskii V.M., Fortov V.E., Khrapak A.G. Dusty plasma of a DC glow discharge: methods of investigation and characteristic features of behavior. High Temperature,
2004, vol. 42, p. 827.
16. Ratynskaya S., Khrapak S, Zobnin A., Thoma M.H., Kretschmer M., Usachev A., Yaroshenko V., Quinn R.A., Morfill G.E., Petrov O., Fortov V. Experimental determination of dust-particle charge in a discharge plasma at elevated pressures. Phys. Rev. Lett., 2004, vol. 93, p. 085001.
17. Khrapak S.A., Ratynskaya S., Zobnin A.V., Yaroshenko V.V., Thoma M.H., Kretschmer M., Usachev A.D., Höfner H., Morfill G.E., Petrov O.F., Fortov V.E. Particle charge in the bulk of gas discharges. Phys. Rev. E, 2005, vol. 72, p. 016404.
18. Yaroshenko V., Ratynskaya S, Khrapak S., Thoma M.H., Kretschmer M, Höfner H., Morfill G.E., Zobnin A., Usachev A., Petrov O., Fortov V. Determination of the ion drag force in a complex plasma. Phys. Plasmas,
2005, vol. 12, p. 093503.
19. Yaroshenko V., Ratynskaya S., Khrapak S., Thoma M.H., Kretschmer M., Morfill G.E. Measurements of the dust-ion momentum transfer frequency and ion drag force in complex plasmas. Contrib. Plasma Phys., 2005, vol. 45, p. 223.
20. Ivlev A.V., Steinberg V., Kompaneets R., Höfner H., Sidorenko I., Morfill G.E. Non-Newtonian viscosity of complex-plasma fluids. Phys. Rev. Lett., 2007, vol. 98, p. 145003.
21. Ivlev A.V., Thoma M.H., Räth C., Joyce G., Morfill G.E. Complex plasmas in external fields: The role of non-Hamiltonian interactions. Phys. Rev. Lett., 2011, vol. 106, p. 155001.
22. Usachev A., Zobnin O, Petrov O, Fortov V., Thoma M.H., Höfner H., Fink M., Ivlev A., Morfill G. Externally excited planar dust acoustic shock waves in a strongly coupled dusty plasma under microgravity conditions. New J. Phys, 2014, vol. 16, p. 053028.
23. Zhdanov S., Heidemann R., Thoma M.H., Sütterlin R.K., Thomas H.M., Höfner H., Tarantik K., Morfill G.E., Usachev A.D., Petrov O.F., Fortov V.E. Dissipative dark solitons in DC Complex Plasmas. Eur. Phys. Lett., 2010, vol. 89, p. 25001.
24. Fink M.A., Zhdanov S.K., Thoma M.H., Höfner H., Thomas H.M., Morfill G.E. Autowaves in a dc complex plasma confined behind a Laval nozzle. Eur. Phys. Lett., 2013, vol. 102, p. 45001.
25. Usachev A.D., Zobnin A.V., Petrov O.F., Fortov V.E., Thoma M.H., Pustylnik M.Y., Fink M.A., Morfill G.E. Elongated dust clouds in a uniform DC positive column of low pressure gas discharge. Plasma Sources Sci. Technol., 2016, vol. 25, no. 3, p. 035009.
26. Mitic S., Pustylnik M.Y., Kovac evic E., Berndt J., Boufendi L., Morfill G.E. Spectroscopic characterization of micro- and nanoparticle suspensions with size dynamics in plasmas. J. Phys. D., 2012, vol. 45, P. 335203.
27. Rothermel H., Hagl T., Morfill G.E., Thoma M.H., Thomas H.M. Gravity compensation in complex plasmas by application of a temperature gradient. Phys. Rev. Lett., 2002, vol. 89, p. 175001.
28. Mitic S., Sütterlin R.K., Ivlev A.V., Thoma M.H., Zhdanov S., Morfill G.E. Convective dust clouds driven by thermal creep in a complex plasma. Phys. Rev. Lett., 2008, vol. 101, p. 235001.
29. Nosenko V., Goree J. Shear flows and shear viscosity in a two-dimensional Yukawa System (Dusty Plasma). Phys. Rev. Lett., 2004, vol. 93, p. 155004.
30. Nosenko V., Ivlev A.V., Morfill G.E. Anisotropic shear melting and recrystallization of a two-dimensional complex plasma. Phys. Rev. E, 2013, vol. 87, p. 043115.
31. Gavrikov A., Shakhova I., Ivanov A., Petrov N., Fortov V. Experimental study of laminar flow in dusty plasma liquid. Phys. Lett. A, 2005, vol. 336, p. 378.
32. Khrapak S.A., Thoma M.H., Chaudhuri M., Morfill G.E., Zobnin A.V., Usachev A.D., Petrov O.F., Fortov V.E. Particle flows in a dc discharge in laboratory and microgravity conditions. Phys. Rev. E, 2013, vol. 87, p. 063109.
33. Zobnin A.V., Usachev A.D., Lipaev A.M., Petrov O.F., Fortov V.E., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Fink M.A., Thoma M.H., Padalka G.I. Transverse ionization instability of the elongated dust cloud in the gas discharge uniform positive column under microgravity conditions // XXXI International Conference On Equations Of State For Matter (Elbrus 2016), 2016, vol. 774, p. UNSP 012174.
34. Jaiswal S., Pustylnik M.Y., Zhdanov S, Thomas H.M., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Fortov V.E., Thoma M.H., Novitskii O.V. Dust density waves in a dc flowing complex plasma with discharge polarity reversal. Physics of Plasmas, 2018, vol. 25, p. 083705.
35. Yaroshenko V.V., Khrapak S.A., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Jaiswal S., Lipaev A.M., Usachev A.D., Petrov O.F., Fortov V.E. Excitation of low-frequency dust density waves in flowing complex plasmas. Physics of Plasmas, 2019, vol. 26, no. 5, p. 053702.
36. Usachev A.D., Zobnin A.V., Shonenkov A.V., Lipaev A.M., Molotkov V.I., Petrov O.F., Fortov V.E., Pustyl'nik M.Y., Fink M.A., Thoma M.A., Thomas H.M., Padalka G.I. Influence of dust particles on the neon spectral line intensities at the uniform positive column of dc discharge at the space apparatus «Plasma Kristall-4». Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 946, p. 012143.
37. Liu B., Goree J., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Fortov V.E., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Petrov O.F., Thoma M.H. Particle velocity distribution in a three-dimensional dusty plasma under microgravity conditions. AIP Conference Proceedings, 2018, vol. 1925, p. 020005.
38. Wei Z., Liu B., Goree J., Pustylnik M.Y., Thomas H.M., Fortov V.E., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Petrov O.F., Thoma M.H. Diffusive motion in a 3-D Cluster in PK-4. IEEE Transactions on Plasma Science, 2019, vol. 47, pp. 3100-3106.
39. Antonova T., Khrapak S.A., Pustylnik M.Y., Rubin-Zuzic M., Thomas H.M., Lipaev A.M., Usachev A.D., Molotkov V.I., Thoma M.H. Particle charge in PK-4 dc discharge from ground-based and microgravity experiments. Physics of Plasmas, 2019, vol. 26, p. 113703, DO110.1063/1.5122861.
