Селектирующие элементы для нового поколения датчиков потоков плазмы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Селектирующие элементы для нового поколения датчиков потоков плазмы

Резюме. Мониторинг состояния космического пространства, прогноз магнитных бурь важны как для обеспечения устойчивой работы приборов радиосвязи и навигации, так и для предупреждения негативных последствий воздействия на человека. В статье представлены разработанные белорусскими специалистами селектирующие элементы в виде прецизионных сеток различной конфигурации с элементами крепления, изготовленные в едином технологическом цикле из наноструктурированных материалов, предназначенные для использования в новом поколении датчиков потоков низко- и высокоэнергетической плазмы, входящих в состав приборов для проведения плазменных измерений в окрестности Земли и в межпланетном пространстве.

Ключевые слова: датчик потоков плазмы, цилиндр Фарадея, селектирующий элемент, наноструктурированные материалы, космический аппарат, мониторинг космического пространства.

Долговременный мониторинг параметров ионосферы, некоторых областей магнитосферы и межпланетного пространства имеет большое значение. Эта информация важна для радиосвязи и навигации, для прогноза космической погоды (магнитных бурь), для исследования солнечно-земных связей. Изучение процессов космической и метеорологической погоды предполагает непрерывные наблюдения с применением чувствительной к воздействию электромагнитных полей и плазмы аппаратуры и систем длительного использования на космических аппаратах.

В программу работ Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН) по исследованию свойств плазмы в Солнечной системе традиционно входит изучение солнечного ветра. Он представляет собой поток плазмы (то есть ионов и электронов), испускаемый верхней короной Солнца постоянно, во все стороны и на орбите Земли имеющий очень высокую скорость - в среднем около 400 км/с. Измерения выполняются на космических аппаратах, выходящих за пределы магнитосферы Земли (например, на высокоапогейных спутниках), и имеют две основные цели:

■ мониторирование состояния межпланетной среды на орбите Земли, в частности для изучения и предсказания «космической погоды»;

■ исследование турбулентности бесстолкновительной «горячей» плазмы, что весьма важно для решения теоретических

проблем планетной физики и астрофизики.

Во многих таких экспериментах в качестве датчиков потока космической плазмы используются цилиндры Фарадея (рис. 1). Это устройства для определения полного электрического заряда и интенсивности пучка частиц, названные в честь английского физика Майкла Фарадея. Представляют собой металлический стакан с открытым входным окном, содержащий металлический коллектор для регистрации тока заряженных частиц, входящих через это окно, набор диафрагм, формирующих угловую диаграмму датчика, и набор сеток, с помощью которых проводится селекция заряженных частиц по знаку заряда и по величине их энергии. Эти сетки, или селектирующие элементы, являются существенной составляющей приборов [1, 2].

Использование цилиндров Фарадея в качестве датчиков потока космической плазмы широко распространено в мировой практике. С их помощью наиболее достоверно определяется плотность солнечного ветра. Они применяются на американских космических аппаратах WIND и Voyager-1, 2. Лучший из зарубежных аналогов - прибор IAP на французском спутнике «Demiter». Разработанные в СССР датчики потоков плазмы содержали чувствительные элементы в виде селектирующих микроструктур и изготавливались

Тема номера

Рис. 1.

Принципиальная схема цилиндра Фарадея

Рис. 2.

Датчик с сеточным элементом старого образца

Рис. 3. Прототип экспериментального образца 4-коллекторного датчика потока ионов

вручную из тонкой проволоки с помощью микросварки каждой ячейки и контурных колец. Точность выполнения, проблема неплоскостности в составе датчика (рис. 2) и стоимость изготовления не соответствуют современному уровню технологий и не отвечают возросшим требованиям.

Разрабатываемый лабораторией микроэлектроники, механики и сенсорики ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника» НАН Беларуси

совместно с ИКИ РАН в рамках программы Союзного государства «Мониторинг-СГ» экспериментальный образец датчика потока космической плазмы представляет собой цилиндр Фарадея [3], внутри которого специальным образом установлен набор селектирующих элементов и коллектор (рис. 3).

Комплект селектирующих элементов в виде прецизионных сеточных структур с различными площадями полотна и диаметрами колец по периметру для крепления к цилиндру выполнен в едином технологическом цикле из наноструктурирован-ных материалов и предназначен для использования в конструкции нового поколения датчиков потоков низко- и высокоэнергетической плазмы, входящих в состав приборов для проведения плазменных измерений в окрестности Земли и в межпланетном пространстве (в частности, прибора типа БМСВ - быстрого монитора солнечного ветра, разрабатываемого в ИКИ РАН).

Рис. 4.

Селектирующие элементы различных диаметров в исходном состоянии, после микросварки оправы, механических и термоциклических воздействий

Исходные сетки

О

После механических воздействий

После термоциклических воздействий

О

28

2

о

Экспериментальные образцы служат для проверки конструк-торско-технологических решений по обеспечению технических требований к селектирующим элементам (величины прозрачности, однородности и целостности структуры, отклонения от плоскостности, надежности крепления контактов, теплового режима, стойкости к вибрационным и ударным воздействиям и т.д.) и, как следствие, возможности их использования в реальном космическом эксперименте. Параметры разработанных конструкций: точность выполнения витков сеток - не хуже 0,5 мкм, диаметры сеток - 34, 47, 73 мм, прозрачность - выше 90%, минимальная масса - не более 50 мг.

Блок датчиков прибора будет состоять из датчиков ионного потока, ионного спектра, дрейф-метра. В каждом из них будет использовано по 4-5 прецизионных сеточных структур.

Предварительные комплексные испытания экспериментальных образцов селектирующих элементов на механические (вибростенд при амплитуде ускорений 2 g и частоте в диапазоне от 2 до 30 Гц по трем взаимно перпендикулярным осям в течение 30 минут по каждой оси) и термоциклические (трехкратный цикл нагрев - охлаждение от -80 до +200 °С) воздействия продемонстрировали неизменность геометрических параметров (рис. 4). На основании проведенных испытаний определены оптимальные размеры чувствительных элементов сетки с диаметрами рабочего поля 34 и 47 мм.

Построенные на базе разработанных прототипов селектирующих элементов датчики потока космической плазмы будут использованы для проведения на новом научном и техническом уровне измерений параметров «космической погоды» в околоземном, окололунном пространствах и в межпланетной среде

в рамках разрабатываемых ИКИ РАН проектов «Странник», «Лу-на-Ресурс-1», «ИнтерГелио-Зонд».

В планах Института космических исследований РАН - изучение межпланетной плазмы и плазмы в окрестности различных планет, в том числе с применением датчиков - интегральных цилиндров Фарадея, аналогичных используемым в приборах типа БМСВ. Среди перспективных проектов - эксперименты на спутнике Луны, долговременный полет в сторону Юпитера, полет космического аппарата в сравнительно близкую окрестность Солнца (до расстояний, в 10 раз меньших 1 А.Е.). Параллельно предполагается исследование плазмы в близкой окрестности Венеры, Европы (спутника Юпитера), Луны. Эксперименты планируется проводить с использованием блока датчиков, основу которых будут составлять селектирующие элементы в виде прецизионных сеток различных конфигураций с высокой степенью прозрачности (более 90%), изготовленных из наноструктури-рованных материалов в едином оптимизированном технологическом цикле, что обеспечивает надежность работы аппаратуры в условиях космоса. СИ

See: http://innosfera.by/ 2016/04/selects_elements

Николай Мухуров,

завлабораторией микроэлектроники, механики и сенсорики ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника» НАН Беларуси, доктор технических наук, профессор

Литература

1. Застенкер Т.Н. Быстрые измерения параметров солнечного ветра с помощью прибора БМСВ / Т.Н. Застенкер, Я. Шафранкова, З. Немечек [и др.] // Космические исследования. 2013. Т. 51, №2. С. 88-99.

2. Застенкер Т.Н. Быстрые вариации величины и направления потока ионов солнечного ветра/Т.Н. Застенкер, В.В. Храпченков, И.В. Колоскова [и др.] // Космические исследования. 2015. Т. 53, №1. С. 63-74.

3. Москалев В.А., Шестаков В.Т. Контроль и измерение параметров пучков заряженных частиц.- М., 1973.

Космос и Беларусь:

история

и современность

Фото Юрия ИВАНОВА

Создать и содержать космическую инфраструктуру - космодромы, специальные наземные и мобильные морские станции слежения, центры связи и многое другое, включая систему подготовки специалистов, - по силам только «богатым», индустриально развитым державам. Но в эпоху глобализации данной тематикой в той или иной степени занимаются сотни государств. Беларусь с недавнего времени также вошла в «космический клуб». О том, что позволило нашей стране стать его полноправным членом, рассказывает заместитель директора по науке и перспективному маркетингу научно-технического центра «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл», член-корреспондент НАН Беларуси, лауреат Государственной премии Республики Беларусь Анатолий БЕЛОУС.

Прежде чем говорить о космической тематике, о месте Беларуси в этой наукоемкой отрасли, о перспективах ее развития, необходимо сделать краткий экскурс в историю вопроса, поскольку она весьма поучительна и некоторые тенденции ее развития можно экстраполировать и на другие отечественные наукоемкие сферы. Началось все в те времена, когда СССР включился в «гонку» с США в деле освоения космоса. Тогда на первом месте были не научные интересы, а задачи, направленные на обеспечение национальной безопасности в условиях «холодной войны». И прежде всего - создание так называемого «ядерного щита» СССР, или «оружия сдерживания».

Фактическим же вхождением нашей республики в космическую тематику, на мой взгляд, явилось совещание у секретаря ЦК КПСС Д.Ф. Устинова, впоследствии Министра обороны СССР, по вопросу разработки специальной полупроводниковой элементной базы для бортовых систем управления ракетно-космической техникой. Дело в том, что обычные транзисторы и микросхемы нельзя было использовать в главном элементе ракет и спутников в силу их низкой надежности и невозможности работы в условиях открытого космического пространства и поражающих факторов ядерного взрыва. Такой