Научно-техническое обоснование Изучение фотоионизационной пылевой плазмы космического эксперимента
advertisement
Научно-техническое обоснование космического эксперимента «Изучение фотоионизационной пылевой плазмы в условиях микрогравитации» (шифр: Пыль-УФ) 1. Сущность исследуемой проблемы Исследования влияния ультрафиолетового излучения на динамику дисперсных сред и процессов в условиях микрогравитации проводились в 1998 г. на борту космической станции «Мир». Аналогичные и принципиально новые исследования планируется выполнить в открытом космосе с использованием корабля «Прогресс». Интерес к этим экспериментам обусловлен тем, что на орбите космических аппаратов уровень квазистационарных микрогравитационных возмущений на несколько порядков (на МКС g = 10-4…10-6 g0) ниже по сравнению с наземными условиями. В этих условиях возможно создание крупномасштабных протяженных пылевых облаков объемом в несколько м3 и на их основе исследование характеристик космической пыли (структурные, динамические, пропускательную способность для электромагнитных волн оптического и радиочастотного спектра), моделируя при этом различные условия формирования пылевых образований на поверхностях планет и их спутников, в верхних слоях атмосферы Земли, а так же вблизи космических летательных аппартов (интенсивное УФ излучение, низкие температуры). Эти исследования будут использоваться в научных целях для понимания процессов, происходящих в пылевых скоплениях в космосе, в верхних слоях планетарных атмосфер и на поверхности космических тел, лишенных атмосферы и т.д. Кроме того проводимые исследования будут иметь практический интерес, касающийся проблемы лунной пыли, которая влияет на оборудование и здоровье людей [1-3] и является серъезным препятствием для будущих миссий по высадке человека на естественный спутник Земли. Космический эксперимент «Пыль-УФ» преследует следующую цель: - получение и изучение плазменно-пылевых образований, индуцированных УФизлучением Солнца (фотоионизационная пылевая плазма) в космическом пространстве; зондирование плазменно-пылевых образований в радиочастотном и оптическом диапазонах; участие студентов и аспирантов в подготовке и проведении КЭ по изучению пылевой плазмы, индуцированной 1 УФ-излучением Солнца, в условиях микрогравитации. С развитием космических исследований выяснилась большая роль пыли и пылевых структур в образовании звезд, планетных систем, планетарных колец, в процессах, протекающих в верхних слоях атмосферы (магнитосфере, ионосфере) и т.д. [4-6]. Одним из механизмов зарядки пылевых частиц в условиях космического пространства при наличии интенсивных потоков ультрафиолетового излучения является фотоэмиссия. При этом макрочастицы с размерами несколько микрон могут приобретать положительный заряд порядка 102-105 заряда электрона [7]. Как известно, в условиях газового разряда низкого давления, вследствие больших величин заряда макрочастиц (порядка 102-105 зарядов электрона), сильная межчастичная корреляция приводит к образованию упорядоченных структур в расположении макроскопических частиц, аналогичных структурам в жидкости или твердом теле [8-14]. В научной части проекта, разрабатываемая для эксперимента аппаратура будет использоваться для моделирования формирования облаков межзвёздной пыли (мелких твёрдых частиц, рассеянных в межзвёздном пространстве) и их зондирования электромагнитным излучением в радиочастотном и оптическом диапазонах. Присутствие в межзвёздной и межпланетной среде межзвездной пыли влияет на характеристики излучения исследуемых небесных тел и сигналов от космических объектов. Пылевые частицы ослабляют излучение, изменяя его спектральный состав и состояние поляризации. В частности, свечение хвостов комет отражательных и диффузных туманностей в той или иной мере обусловлены излучением, рассеянным пылью. Межзвездная пыль влияет на тепловой баланс межзвёздного газа, причём пылевые частицы могут содействовать как нагреву, так и охлаждению межзвёздного газа. Как хладагенту межзвездной пыли отводится существенная роль в современных теориях образования звёзд и планет. Частицы способны приобретать положительный заряд под воздействием интенсивного УФ-излучения, образуя в определенных условиях квазикристаллические структуры. Таким образом, эксперименты с пылевой плазмой, индуцированной УФ-излучением в условиях микрогравитации, позволяют моделировать естесственные процессы образования плазменных кристаллов в космосе, где интенсивность УФ-излучения высока. Кроме того, в условиях микрогравитации может образовываться трехмерный кристалл, не деформированный силой тяжести. В таких исследованиях могут быть лучше поняты характер взаимодействия частиц с учетом их возможного притяжения на больших расстояниях и, как следствие, механизмы и условия формирования плазменного кристалла со свободными границами. Это открывает 2 перспективу исследований в новых областях науки – кристаллофизике кулоновских кристаллов и физике кулоновских жидкостей. 2. Краткая история и состояние исследований в настоящее время За рубежом (США, ФРГ, Франция, Япония и др.) существуют многочисленные группы учёных, интересующихся различными аспектами применения дисперсных плазменно-пылевых систем в научных и прикладных исследованиях в условиях микрогравитации. Так например, американские астронавты, побывавшие на Луне, отмечали, что пыль прилипает к любой поверхности и создаёт большое трение. NASA планирует вернуться на Луну к 2020 году. К этому времени необходимо получить необходимую информацию об электродинамических свойствах среды у поверхности Луны. Для перехода к пониманию процессов, происходящих с космической пылью (в т.ч. лунной) необходимо обеспечить формирование крупномасштабных объемных пылевых облаков, моделируя внешние факторы космического пространства. Поэтому формирование пылевых облаков частиц непосредственно в открытом космосе имеет большие перспективы исследования. Достаточно, сказать, что предлагаемым способом впервые удастся исследовать большие ансамбли пылевых заряженных частиц в вакууме, фактически образующих однокомпонентную плазму. Достичь этой цели в условиях лабораторных установок на Земле на данный момент не представляется возможным, поскольку требуется проводить эксперименты при пониженной гравитации. К настоящему времени, в ОИВТ РАН совместно с ТРИНИТИ выполнены лабораторные эксперименты по фотоэмиссионной зарядке пылевых частиц под действием ультрафиолетового излучения ксеноновой лампы. Определен заряд пылевых частиц из металла с работой выхода 3.3 эВ, который составил около 400-500 элементарных зарядов на микрон радиуса. Проведено численное моделирование поведения плазменно-пылевого облака под действием ультрафиолетового излучения и установлены наиболее вероятные значения среднего радиуса и заряда пылевых частиц. Используемые экспериментальные методы позволяют проводить исследования в совершенно новой области физики – физике сильно неидеальной плазменно-пылевой жидкости. Поскольку УФ-индуцированная пылевая плазма представляется однородной, то это дает возможность исследовать структуру так называемых свободных границ пылевых облаков 3 3. Обоснование необходимости проведения КЭ в условиях космического пространства Основным механизмом зарядки частиц, помещенных в ВЧ- разряд или разряд постоянного тока, являются потоки электронов и ионов. Вследствие более высокой температуры и подвижности электронов заряд частиц является отрицательным. Общей чертой данной группы экспериментов является то, что наблюдаемые упорядоченные структуры не имеют свободной границы, так как удерживаются электрическим полем страты или электродов в поле тяжести земли и соответственно потенциальной ямой образованной полем ВЧ-разряда или плавающим потенциалом стенок газоразрядной колбы в горизонтальном направлении. Исключением являются эксперименты по наблюдению упорядоченных структур положительно заряженных частиц окиси церия в ламинарной струе слабоионизованной термической плазмы [14, 16-17]. Плазма с положительно заряженными частицами также может образовываться за счет эффекта фотоэмиссии при облучении частиц в буферном газе потоком фотонов с энергией, превосходящей работу выхода фотоэлектрона с их поверхности. При определенных условиях (размерах и концентрации частиц, длине волны и интенсивности УФизлучения, работе выхода фотоэлектрона) в такой системе могут возникать кристаллические структуры [10,18]. Характерная величина работы выхода фотоэлектрона для большинства веществ не превышает 6 эВ, поэтому фотоны с энергией 12 эВ могут зарядить частицы, не ионизируя при этом буферный газ такой, как He или Ar. В космическом пространстве среди механизмов приобретения пылью положительного заряда, можно выделить три основных: термо-, фото-, и вторичная эмиссия электронов с поверхности пылевых частиц, которые наряду с зарядкой электронами могут играть значительную роль как в образовании космических пылевых структур, так и в процессах, протекающих в верхних слоях атмосферы. Существование различных механизмов зарядки пыли в космическом пространстве может вызывать агломерацию и рост частиц за счет электрического притяжения пыли с разноименными зарядами [19,20], или приводить к образованию плазменно-пылевых структур при преимущественном вкладе одного из рассматриваемых механизмов зарядки макрочастиц. Исследование таких структур перспективно как с точки зрения фундаментальной науки, так и практических приложений. Первые результаты, полученные на орбитальном комплексе "Мир", показали что в верхних слоях атмосферы при воздействии интенсивного солнечного излучения исследуемые частицы заряжались путем фотоэмиссии и приобретали положительные заряды. В результате расчетов фотоэмиссионной зарядки пылевых частиц по модели, 4 описанной в работе [21], было получено, что наблюдаемые величины заряда будут иметь место при эффективном потоке электронов фотоэмиссии, равном jeff = 3.6651014 см2с1. В этой работе было показано, что в системе полидисперсных пылевых частиц с одинаковой квантовой эффективностью фотоэмиссии имеет место униполярная зарядка частиц и только в случае частиц, имеющих разные эффективности квантового выхода возможна двуполярная зарядка. Полидисперсность в данном случае облегчает появление разноименно заряженных частиц в фотоэмиссионной плазме. Поскольку вариация усредненного по всей поверхности эффективности квантового выхода из-за образования окисловых пленок, из-за загрязнения поверхности возможна в широких пределах [22], поэтому можно утверждать, что наблюдаемое в эксперименте двуполярность зарядки за счет фотоэмиссии вполне объяснима. Следует отметить, что возможность изучения плазменно-пылевых кристаллов со свободными границами наиболее полно может реализоваться лишь в условиях невесомости или микрогравитации [23]. Изучение упорядоченных структур заряженных макрочастиц в процессов формирования условиях микрогравитации позволяет получить новую информацию, которую невозможно получить в лабораторных условиях на Земле. Это обусловлено так же и тем что ультрафиолетовое излучение Солнца и звёзд практически полностью поглощается озоновым слоем нашей атмосферы, поэтому УФ-кванты можно регистрировать только в верхних слоях атмосферы и за ее пределами. Все это послужило основанием для постановки космического эксперимента "Пыль-УФ" с использованием космических аппаратов. 4. Описание КЭ (порядок проведения, принципиальные требования к условиям проведения КЭ, определяющие качество получаемой научной информации, технические особенности НА) Для проведения сеансов экспериментов будет использоваться целевая аппаратура, в которую будут входить блоки и агрегаты, разработанные для проведения экспериментов в открытом пространстве. С помощью аппаратуры в открытом космическом пространстве на удалении 10-500 м от корабля «Прогресс» будет формироваться плазменно-пылевое облако, исследование которого будет проводиться как оптическими методами (видеосъемка, измерение оптической плотности с помощью лидара) так и при помощи радиочастотного излучения (измерение коэффициента ослабления радиосигнала). Для транспортировки на «Прогресс» и вброса дисперсных частиц в забортное пространство будет использоваться транспортно-пусковой контейнер, представляющий собой камеру, 5 которая будет открываться таким образом, чтобы частицы оказывались в зоне воздействия солнечного УФ-излучения. Диагностика пылевого облака будет проводится следующими методами: 1. Радиочастотня диагностика: несколько блоков, сканирующих по частоте в пределах одной октавы (разные блоки – сканирование вблизи разных частот) 2. Оптическая диагностика: зондирование лазерным лучом с помощью лидарной системы, измерение ослабления луча, видеосъемка на камеру (возможно лазерный нож). Видеоинформация о динамическом поведении частиц будет сохраняться на устройство записи. 5. Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями Первый пробный плазменно-пылевой эксперимент на борту орбитальной станции «Мир» был проведен сотрудниками ОИВТ РАН в 1998 году. В настоящее время несомненным мировым лидером в проведении плазменно-пылевых экспериментов в условиях микрогравитации является объединенная российско-германская группа из ОИВТ РАН и Института внеземной физики (ИВФ) общества им. Макса Планка (г. Гархинг, Германия). В период с 2001 по 2005 гг. на борту Международной космической станции (МКС) успешно проводился плазменно-пылевой эксперимент “Плазменный кристаллНефедов” (ПК-Нефедов или ПК-3) в радиочастотном емкостном РЧ(е) разряде. В настоящее время на МКС начались эксперименты на аналогичной, но значительно усовершенствованной установке ПК-3-Плюс. Новый планируемый плазменно-пылевой эксперимент является логическим продолжением предыдущих проектов по исследованию УФ-зарядки плазменно-пылевых структур в условиях микрогравитации, однако в тоже время это принципиально новый эксперимент. Главными его отличительными особенностями являются формирование и диагностика протяженных крупномасштабных облаков пылевых частиц в открытом космосе с целью моделирования динамики пыли в открытом космосе и вблизи поверхности планет и их спутников. 6 6. Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование Области применения результатов КЭ "Пыль-УФ" прикладная: - изучение характеристик космической пыли (структурных, динамических, пропускательной способности для электромагнитных волн оптического и радиочастотного спектра) с целью разработки методов контроля над пылью и пылевыми облаками вблизи поверхности летательных аппаратов и космических тел, лишенных атмосферы (проблема лунной пыли); фундаментальная наука: - физика сильнонеидеальной однокомпонентной пылевой плазмы, физика плазменно-пылевых кулоновских кристаллов и жидкостей, фазовые переходы, кооперативные явления, регулярная и стохастическая динамика; - физическое моделирование поведения космической пыли, облучаемой ультрафиолетовым излучением и высокоэнергетичными частицами. 7. Обоснование технической возможности создания экспериментального оборудования с заданными характеристиками Выполненные расчёты и оценки показывают, что создание научной аппаратуры с характеристиками, требуемыми для реализации КЭ «Пыль-УФ» – технически возможно. Так, при наличии аппаратуры с представленными габаритными параметрами, могут быть обеспечены основные технические характеристики, позволяющие проводить сеансы КЭ в открытом космосе с использованием корабля «Прогресс». Оценки ленгмюровской частоты плазмы с пылевыми частицами, нарабатываемой солнечным УФ-излучением электромагнитного излучения показывают (см. огромное Табл.1, 2). влияние Оценки её на выполнены прохождение для случая «бесстолкновительной» плазмы (т.е. ωp>>νe, где ωp – плазменная частота, νe – частота столкновения электоронов). В этом случае диэлектрическая проницаемость плазмы ε = 1(ωp/ ω)2, ωp= (4πe2ne/me)1/2 = 5.64104 (ne)1/2 c-1 (e – заряд электрона, ne – концентрация электронов, me – масса электрона). При ω<ωp, электромагнитные колебания через плазму проходить не будут (ω – частота колебаний электромагнитного излучения [рад/с], ν – эта же частота эта же частота, выраженная в Герцах). Оценки выполнены для различных концентраций пылевых частиц (nd) и диаметров частиц dd = 1 и 10 мкм: 7 dd = 1 мкм nd, см-3 ne, см-3 ωp, рад/с ν, ГГц 1,00E+04 1,00E+07 1,78E+08 0,03 1,00E+05 1,00E+08 5,64E+08 0,09 1,00E+06 1,00E+09 1,78E+09 0,29 1,00E+07 1,00E+10 5,64E+09 0,92 1,00E+08 1,00E+11 1,78E+10 2,90 nd, см-3 ne, см-3 ωp, рад/с ν, ГГц 1,00E+03 1,00E+07 1,78E+08 0,03 1,00E+04 1,00E+08 5,64E+08 0,09 1,00E+05 1,00E+09 1,78E+09 0,29 1,00E+06 1,00E+10 5,64E+09 0,92 1,00E+07 1,00E+11 1,78E+10 2,90 dd=10 мкм Оценки, сделанные из предположения полного преобразования кулоновской энергии ансамбля заряженных частиц в их кинетическую энергию, дают следующие значения для скорости разлета Vd и времени формирования td облака диаметром 10 м из частиц с размером 10 мкм: Vd ≈ 10.5 см/с (при величине заряда на частице 104e), td ≈ 95.2 с. Для частиц с размером 1 мкм: Vd ≈ 105 см/с (при величине заряда на частице 103e), td ≈ 9.52 с. 8. Характеристики рисков и дискомфорта, связанных с воздействием на экипаж экспериментальных процедур Аппаратура и расходные материалы для проведения КЭ «Пыль-УФ» разрабатываются с учетом обеспечения безопасности на всех этапах их использования – транспортировки, разгрузки, хранения и активного функционирования во время выполнения сеансов КЭ. Сеансы КЭ «Пыль-УФ» должны проводиться в открытом космосе с использованием корабля «Прогресс». Монтаж аппаратуры и подключение её к системе бортового электропитания не требует специальных инструментов и приспособлений. Не предполагается проведения специального оборудования в период хранения на РС МКС 8 технического обслуживания Блоки аппаратуры и расходные материалы не будут содержать токсичные и радиоактивные вещества. Исследуемые модельные материалы будут помещены в герметичные контейнеры. Эти меры должны исключить возможность попадания модельных материалов (твёрдых частиц, жидкостей и дисперсных сред) и газов, заключённых в ампулы, в гермоотсек. Анализ конструкции оборудования по КЭ и схемы проведения сеансов экспериментов на «Прогресс» показывает, что при штатной эксплуатации будет обеспечена высокая степень безопасности экипажа и оборудования МКС и «Прогресс» Литература 1. Y. Liu, D.W. Schnare, B.C. Eimer and L.A. Taylor (2008) Dry separation of respirable lunar dust: lunar aerosol dust toxicity advisory group. Planetary and Space Science, 56, 1517-1523. 2. J. Park, Y. Liu, K.D. Kihm and L.A. Taylor (2008) Characterization of lunar dust for toxicological studies. I: Particle size distribution. Journal of Aerospace Engineering, 21, 266-271. 3. Y. Liu, J. Park, D. W. Schnare, E. Hill and L.A. Taylor (2008) Characterization of lunar dust for toxicological studies. II: Morphology and physical characteristics. Journal of Aerospace Engineering , 21, 272-279. 4. Каплан С.А. Межзвездная среда и происхождение звезд. М.: Знание,1977. 5. Горькавый Н.Н., Фридман А.М., УФН 160, стр. 169, 1990. 6. Melanso F., Havnes O., J.Geophys.Res. 95, p. 5837, 1991. 7. Rosenberg М., Mendis D.A., IEEE Trans. on Plasma Science 23, 177, 1995. 8. Fortov V.E., Nefedov A.P., Torchinsky V.M., Molotkov V.I., Petrov O.F., Samarian A.A., Lipaev A.M. and Khrapak A.G., Physics Letters A 229, рр. 317-322, 1997. 9. Chu J.H. and Lin I., Phys. Rev. Lett. 72, 4009, 1994. 10. Thomas H., Morfill G.E., Demmel V. et al., Phys. Rev. Lett. 73, 652, 1994. 11. Hayashi Y. and Tachibana K., Jpn. J. Appl. Phys. 33, L 804, 1994. 12. Melzer A., Trottenberg T. and Piel A., Phys. Lett. 191, A 301, 1994. 13. Фортов В.Е., Нефедов А.П., Торчинский В.М., Молотков В.И., Храпак А.Г., Петров О.Ф., Волыхин К.Ф. Письма в ЖЭТФ, Т.64. Вып.2. С.86-91, 1996. 14. Нефедов А.П., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Усп. физ. наук. Т.167, №11, С. 1215-1226, 1997. 15. Taylor, L.A., Schmitt, H.H., Carrier, W.D., and Nakagawa, M, 2005, The lunar dust problem: From liability to asset, AIAA, 2510-2518. 16. Fortov V.E., Nefedov A.P., Petrov O.F., Samarian A.A., and Chernyschev A.V. Physical Review E: Rapid Communications. Vol.54, p.2236-2239, 1996. 9 17. Fortov V.E., Nefedov A.P., Petrov O.F., Samarian A.A., and Chernyschev A.V. Emission Properties and Structural Ordering of Strongly Coupled Dust Particles in a Thermal Plasma. Physics Letters A 219, p.89-94, 1996. 18. Фортов В.Е., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Самарян А.А. и Чернышев А.В. Журн. экспер. и теор. физ. Т.111, Вып.2, 1997. 19. Yokota T., Honda K. JQSRT 56, pp.761-768, 1996 20. Cui C., Goree J., IEEE Trans. on Plasma Science 22, № 2, p. 151, 1994. 21. A. V. Filippov, A. F. Pal, A. N. Starostin, Study of photoemission charging of dust particles, Proc. 2nd Int. Conf. on the Phys. of Dusty and Burning Plasmas, 2007, August 26 – 30, Odessa (Ukraine), pp.44-47. 22. А. Соммер. Фотоэмиссионные материалы. Энергия, Москва, 1973. 23. Цытович В.Н. УФН 167, № 1, стр. 57, 1997. 10
