CC BY
50Annual Moscow Workshop «Physics of Nonideal Plasmas» (Moscow, 3-4 December 2002)
Пылевая плазма в условиях микрогравитации: эксперименты на международной космической станции
Фортов В.Е.(1), Петров О.Ф. (1), Молотков В.И. (molotkov@ihed.ras.ru )(1), Крикалев С.К. (1), Липаев А.М. (1), Морфилл Г.(2),Томас Х.(2), Ротермел
Х.(2)
(1) Институт теплофизики экстремальных состояний Российской академии наук (2) Институт внеземной физики общества М. Планка, г. Гархинг, Германия
Исследования пылевой плазмы, представляющей собой низкотемпературную плазму, в которой помимо электронов, ионов и нейтралов присутствуют сильнозаряженные пылевые частицы микронных размеров, вызывают в настоящее время большой интерес в связи с обнаружением ряда новых физических явлений и эффектов. Одним из них является возникновение упорядоченных структур из заряженных пылевых частиц - «плазменная жидкость» или «плазменный кристалл». Формирование этих структур вызвано наличием сильного кулоновского межчастичного взаимодействия.
Выполненные эксперименты показали, что такого рода необычные плазменные образования возникают в разнообразных условиях: в высокочастотных (вч) электрических разрядах и тлеющих разрядах постоянного тока, при горении газообразных и твердых топлив под действием ультрафиолетового излучения и в результате радиоактивного распада. Во всех этих случаях гравитационное поле оказывает сильное лимитирующее влияние на результаты экспериментов. Поэтому сразу же после открытия «плазменного кристалла» ставился вопрос о необходимости проведения исследований в условиях микрогравитации.
В ИТЭС совместно с РКК «Энергия» был выполнен ряд пионерских экспериментов по исследованию пылевой плазмы в условиях микрогравитации на борту орбитальной космической станции «МИР»: получены данные о пылевой плазме, индуцированной ультрафиолетовым излучением Солнца [1], и пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока [2,3].
В Институте внеземной физики (ИВФ) Общества М.Планка (Германия) выполнены эксперименты по исследованию пылевой плазмы вч емкостного разряда в условиях микрогравитации при выполнении параболических полетов (ускорение 10-2 g) и в ходе двух ракетных экспериментов (10-6g в течение 6 минут) [4].
В начале 1998 г. было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента «Плазменный кристалл» на борту Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС) в соответствии с Программой научных исследований Росавиакосмоса.
Аппаратура «Плазменный кристалл-3» состоит из экспериментального блока, размещенного внутри герметичного закрытого контейнера, компьютера «Телесайенс» с видеомагнитофоном ТЕАС, комплекта кабелей и вакуумных шлангов.
Основным элементом аппаратуры является вакуумная плазменная камера которая состоит из двух стальных квадратных плит и стеклянной вставки квадратного сечения. На одной из плит предусмотрен вакуумный порт для подключения вакуумной системы для вакуумирования камеры, для наполнения камеры газом и для поддержания заданного давления. На каждой из плит смонтированы дисковые электроды для создания
радиочастотного разряда. В каждый электрод вмонтировано по устройству для инжекции пылевых частиц в плазму. На электроды подается переменное напряжение высокой частоты (13,56МГц). Величиной напряжения можно управлять в широких пределах и тем самым мощностью, вкладываемой в разряд. В ходе экспериментов напряжения, прикладываемые к ВЧ электродам, составляли от 10 до 50 В.
Для обеспечения предварительного вакуума в установке используется открытый космос. Турбомолекулярный насос обеспечивает высокий вакуум. Регулятор давления служит для установки и поддержания заданного давления в ходе эксперимента внутри вакуумной камеры. Рабочие давления в ходе экспериментов составляли от 122 до 976 мкбар. Давление в камере можно независимо контролировать при помощи баратрона. Запас рабочей среды (аргона) хранится в баллоне емкостью 1л. Баллон во время предстартовой подготовки был заполнен чистым аргоном до давления 2 бар.
Для наблюдения плазменно-пылевых структур в системе установлено две ПЗС камеры с объективами и два полупроводниковых лазера. Поле зрения одной камеры составляет 2.8 x 2.1 см. Поле зрения второй камеры составляет одну треть от поля зрения первой камеры и расположено в левой верхней части ее поля зрения. Лазерный луч сформирован в плоский пучок толщиной 150 мкм, высотой около 25мм. Таким образом, полупроводниковый лазер освещает срез пылевой структуры. Второй лазер смонтирован симметрично первому на случай, если основной лазер выйдет из строя. Вся оптическая система, включая две ПЗС камеры и два полупроводниковых лазера, смонтирована на подвижной плите, которую можно перемещать вдоль оси ПЗС камер при помощи шагового двигателя, освещая, таким образом, различные срезы плазменно-пылевой структуры. Скорость перемещения может составлять 0-5мм/с, полный ход составляет ±25мм относительно центра плазменной камеры. Если скорость сканирования достаточно низкая, а плазменно-пылевая структура стабильна, то можно восстановить трехмерную картину пылевого облака. При проведении эксперимента обычно использовались скорости порядка 0.3-0.5мм/с.
Управление параметрами эксперимента и регистрация видео и цифровой информации, полученной в ходе эксперимента, обеспечивалось компьютером «Телесайенс».
Эксперименты выполнялись космонавтами в соответствии с программой экспериментов, бортовой документацией, радиограммами с Земли и переговорами с постановщиками, находившимся в Центре управления полетами (ЦУП), во время сеансов радиосвязи. Часть экспериментов контролировалась с Земли в режиме реального времени, когда был возможен сброс видеоинформации в ЦУП через бортовую ТВС и наземные измерительные пункты.
Задачами первых двух серий экспериментов по программе «Плазменный кристалл» являлись:
• проведение трех базовых экспериментов при автоматическом варьировании в широких пределах параметров плазмы в экспериментальной камере (концентрация
макрочастиц, давление, мощность вч разряда).
• проведение исследовательских экспериментов на основе данных, полученных в базовых экспериментах, в более узких пределах варьирования параметров и детальным исследованием отдельных эффектов и явлений, выявленных в базовых экспериментах.
3 марта 2001 г. был выполнен первый базовый эксперимент с монодисперсными частицами из меламинформальдегида (р=1,5 ^м3) диаметром 3,4 мкм. Далее проводились эксперименты с
5
Рис.1. Видеоизображение плазменно-
пылевой структуры. Частицы диаметром 6,8 мкм. Размер кадра 28 х 21 мм
монодисперсными частицами из меламинформальдегида диаметром 6,8 мкм и смесью частиц 3,4 мкм и 6,8 мкм
В данной статье коснемся лишь некоторых результатов экспериментов. В настоящее время проводится их детальная обработка и анализ. На рис. 1 представлено видеоизображение вертикального сечения плазменно-пылевой структуры для макрочастиц диаметром 6,8 мкм. Характерной особенностью, присущей всем наблюдавшимся образованиям, является наличие войда- зоны 1, свободной от отрицательно заряженных пылевых частиц, расположенной в центральной части. Размеры войда зависят от вводимой в разряд мощности, давления нейтрального газа и размера макрочастиц. Основными силами,
действующими в области войда являются электростатическая сила, сила ионного увлечения (ионный дрэг) и термофоретическая сила. С увеличением вводимой мощности размеры войда увеличиваются, с увеличением давления наблюдается тенденция возрастания войда. Другой зоной, свободной от пылевых частиц, является зона приэлектродного двойного электрического слоя (2). Напряженность электрического поля в приэлектродном слое максимальна у электрода (3). Начиная с некоторого значения напряженности поля создаются условия для формирования плазменно-пылевой структуры. В условиях микрогравитации пылевые частицы заполняют весь межэлектродный плазменный промежуток, за исключением областей (1) и (2).В лабораторных условиях пылевая компонента заполняет всего лишь несколько слоев вблизи нижнего электрода.
В области (4) вокруг вертикальной оси плазменной камеры наблюдается формирование хорошо упорядоченной плазменно-пылевой структуры -трехмерного плазменного кристалла. В периферийной зоне (5) наблюдаются вихревые движения заряженных частиц, отличающиеся от вихрей в лабораторной пылевой плазме на Земле.
На рис.2 приведены горизонтальные сечения трех нижних слоев в центральной части плазменно-пылевого образования для частиц диаметром 6,8 мкм при давлении аргона 0,36 мм.рт.ст., вводимой мощности 0,13 Вт и эффективном напряжении 22,3 В. Горизонтальные сечения восстановлены из обработки данных сканирования, используя процедуру,
Рис.2. Горизонтальные сечения плазменно-пылевой структуры, восстановленные по результатам сканирования вертикального сечения структуры; а- самый нижний слой, б и в второй и третий слой; межчастичное расстояние - 250 мкм
elongated AB
hexagonal - ABC
hexagonal - AB
' (mm)
Рис.3. Позиции пылевых частиц в трех горизонтальных слоях
изображения получены путем последовательного наложения символов, обозначающих
описанну ю в [5]. Рис. 3 иллюстр ирует позиции частиц в указанны х трех слоях в трех различны х зонах. Представ ленные
частицы в соответствующих слоях на плоскость рисунка (• - обозначает частицы из самого нижнего слоя, *- частицы из следующего слоя, + - из третьего верхнего слоя). Рис.3 демонстрирует существование структур различного типа: левый рисунок свидетельствует о наличии объемно-центрированной решетки (Ьсс), центральный демонстрирует гранецентрированную решетку (fcc) и правый показывает структуру с гексогональной плотной упаковкой (hcp), когда третий верхний слой повторяет самый нижний первый. Следует заметить, что ранее в лабораторных экспериментах на Земле в пылевой плазме вч разряда были обнаружены только (fcc) и (hcp) структуры [5], что не соответствовало расчетам методом молекулярной динамики, согласно которым в случае, когда параметр неидеальности Г, равный отношению потенциальной энергии кулоновского взаимодействия между соседними частицами к их кинетической температуре Т, превышает единицу, существуют (fcc) и (bcc) плазменно-пылевые структуры. Таким образом, в условиях микрогравитации впервые экспериментально подтверждены теоретические расчеты и обнаружено формирование структур как с гранецентрированной (fcc) так и с объемно-центрированной (bœ) решетками.
Литература
1. Фортов В.Е. Нефедов А.П., Ваулина О.С. et al Пылевая плазма, индуцированная солнечным излучением, в условиях микрогравитации на борту орбитальной станции «Мир»// ЖЭТФ. 1998, Т.114, С.2004
2. Fortov V.E., Molotkov V.I., Nefedov A.P. et al Formation of Liquidlike and Crystalline Structures in dusty Plasmas // IEED Transact. on Plasma Science. 2001. V.29.№2. P.210
3. Нефедов А.П., Ваулина О.С. Петров О.Ф. и др. Динамика макрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации // ЖЭТФ (направлена в печать)
4. Morfill G. E., Thomas H.M., Konopka U., et al Condenced Plasmas under Microgravity // Phys. Rev. Lett. 1999. V.83. №8. P.1598
5. Zuzic M., Ivlev A.V., Goree J., et al Three-Dimensional Strongly Coupled Plasma Crystal under Gravity Conditions // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 85, №19. P.4064
