ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 6, с. 53-56
УДК 538.3:621,318
ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА БОРТУ РС МКС
© 2004 г. С. Ф. Савин1, А. В. Марков1, О. Ф. Петров2, В. Е Фортов2
Ракетно-космическая корпорация "ЭНЕРГИЯ" им. СП. Королева, Королев, Россия 2Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН, Москва, Россия Поступила в редакцию 29.08.2003 г.
Изложены основные конструктивные особенности и описаны режимы работы электромагнита, разрабатываемого для проведения экспериментов по физике пылевой плазмы в условиях микрогравитации на борту Российского сегмента Международной космической станции (РС МКС). Показано, что в магнитном поле с локальным минимумом магнитной индукции ("магнитная яма") заряженные монодисперсные диамагнитные макрочастицы образуют кулоновский кристалл. Описаны способы зарядки макрочастиц в экспериментальных ампулах. Электромагнит можно будет использовать для проведения экспериментов по физике сыпучих сред и жидкостей в неоднородных магнитных полях, а также для выполнения демонстрационных (образовательных) экспериментов по физике магнитного поля в условиях космического полета.
В РКК "Энергия" и ИТЭС ОИВТ РАН разрабатывается научная аппаратура, предназначенная для проведения исследований по физике пылевой плазмы, а также динамики твердых тел, жидкостей и сыпучих сред в неоднородных магнитных полях в условиях микрогравитации на борту РС МКС.
Большой круг астрофизических проблем связан с космической пылью и ее взаимодействием с потоками светового излучения, межзвездной плазмы и галактического магнитного поля. Как впервые было отмечено Г. Альвеном [1], в межзвездной среде плотность энергии магнитного поля имеет тот же порядок, что и плотность других видов энергии, например, кинетической энергии ионизированных облаков межзвездного газа. Поэтому представляет интерес физическое моделирование поведения плазмы с пылевой компонентой в магнитном поле. Бортовой электромагнит позволит в условиях микрогравитации моделировать некоторые космические плазменно-пылевые явления и проводить изучение пылевых структур - куло-новских кристаллов и жидкостей.
В постоянных магнитных полях невозможна устойчивая левитация ферромагнитных и парамагнитных тел, но устойчивая левитация диамагнитных тел и сред возможна. Трудность в проведении экспериментов по устойчивой левитации диамагнитных тел в постоянных магнитных полях в наземных условиях связана с тем, что удельная магнитная восприимчивость диамагнитных материалов крайне низка, % ~ 10-6 см3/г. Для обеспечения устойчивой левитации диамагнитных частиц в области с линейными размерами порядка
нескольких сантиметров в условиях земной гравитации требуются неоднородные магнитные поля в диапазоне 10-20 Тл с градиентами порядка ~10 Тл/см. Генерирование магнитных полей с такими характеристиками в объеме даже нескольких кубических сантиметров связано с большими техническими трудностями [2].
На борту космических аппаратов уровень квазистационарных микрогравитационных возмущений по сравнению с наземными условиями уменьшается на несколько порядков (на МКС g = 10-4-10-6^0). Поэтому даже слабые магнитные поля могут оказывать сильные воздействия на динамику твердых, жидких, мелкодисперсных сред и даже на поведение отдельных атомов, охлажденных до ультранизких температур. Эти воздействия можно использовать как в чисто научных исследованиях, так и в технологических процессах. В результате на борту космических аппаратов оказываются осуществимыми эксперименты, которые в наземных условиях провести трудно или невозможно.
Согласно теореме Ирншоу [3], заряженное тело не может находиться в состоянии устойчивого равновесия в электростатическом поле в области, где отсутствуют распределенные заряды, тем более невозможно сформировать устойчивую регулярную структуру из многих заряженных частиц в статическом электрическом поле.
Устойчивое равновесие заряженных частиц можно обеспечить в области, содержащей распределенный ("размазанный") заряд. Одним из первых примеров устойчивой системы зарядов является модель атома Томсона, которая предполагает, что точечные электроны размещены в
некоторой области, несущей распределенный положительный заряд. В кристалле Вигнера [4-6] устойчивость ансамбля электронов обеспечивает также распределенный положительно заряженный фон ("желе").
В отличие от случая электростатического поля в статическом магнитном поле возможна устойчивая левитация заряженных частиц. В [7] было показано в общем виде, что в статическом магнитном поле невозможна устойчивая левитация парамагнитных и ферромагнитных тел. Это обусловлено тем, что парамагнитные и ферромагнитные тела втягиваются в области с большим магнитным полем, но поля, имеющие локальные максимумы напряженности статического магнитного поля, в свободном пространстве не существуют. В то же время диамагнитные тела выталкиваются из области с большим магнитным полем в область с меньшим полем [8], и легко создать поле, имеющее локальный минимум напряженности магнитного поля в свободном пространстве - так называемые "магнитные ямы" [9].
В квазиоднородном магнитном поле В (г) на частицу действует сила [1]:
Г = (хт/2^гаё(В)2, (1)
где X - удельная магнитная восприимчивость вещества (для парамагнетиков X > 0, для диамагне-тиков X < 0), т - масса частицы.
Мы предполагаем, что для рассматриваемой частицы величина X изотропна и пренебрегаем вкладом наведенного магнитного момента в частице на магнитное поле (|хр| ^ 1), это верно для большинства парамагнитных (1ХпрР1 ~ 10-2-10-6) и диамагнитных (1хдмр1 ~ 10-5-10-7) веществ. Исключением являются сверхпроводники, которые можно рассматривать в некоторых случаях как диамагнетики с 1хсвр1 ~ 10-1 (р - плотность вещества частицы).
Если пренебречь влиянием силы гравитации, то в области локального минимума напряженности магнитного поля обеспечивается устойчивая левитация диамагнитных частиц.
Простейшим примером "магнитной ямы" является конфигурация "антипробкотрон" - магнитное поле, которое создается в пространстве между двумя разнесенными параллельными кольцевыми проводниками, равные токи в которых циркулируют в противоположных направлениях.
Выберем ортогональную систему координат (х, у, z) с началом в точке О, лежащей на равном расстоянии от кольцевых проводников на их общей оси; ось z направлена вдоль общей оси колец, оси х и у взаимно перпендикулярны и перпендикулярны оси z.
В точке О индукция магнитного поля равна нулю. Вблизи точки О компоненты магнитного поля В можно представить в виде:
Вх(х, у, z) = кх, Ву(х, у, z) = ку, Вг(х, у, z) = -2kz,
где к - коэффициент, зависящий от величины тока / в кольцах, диаметра колец и расстояния между ними. Легко проверить, что ёгу В = 0 и го! В = 0. Силовые линии магнитного поля (2) описываются гиперболами порядка -1/2.
Соответствующие компоненты силы, действующей на небольшую частицу, помещенную в магнитное поле (2), можно представить в виде:
¥х(х, у, z) = Xтк2х, ¥у(х, у, z) = Xтк2у,
2 (3)
Fz(х, у, z) = 4хтк z,
откуда находим: ШуГ = 6хтк2 и гс^Г = 0, т.е. поле силы Г является потенциальным; Г = §гаё(хтк2/2)(х2 + + у2 + 4z2).
Поле силы Г симметрично относительно поворотов вокруг оси z и зеркального отражения относительно плоскости (х, у). Силовые линии поля Г описываются параболами четвертого порядка.
Небольшое тело из парамагнитного вещества, помещенное в магнитное поле (2) в точку О, будет находиться в неустойчивом равновесии, а диамагнитное тело - в устойчивом равновесии.
Если диамагнитное тело сместить на небольшое расстояние от точки О в плоскости (х, у) и предоставить свободно двигаться, то оно начнет совершать гармонические колебания с частотой: ах(у) = к(-х)-1/2; соответственно вдоль оси z диамагнитное тело будет совершать колебания с удвоенной частотой: юг = 2к(-х)-1/2.
В отличие от поведения одной частицы в поле сил, линейно зависящих от смещений, динамическое поведение уже двух небольших заряженных диамагнитных частиц, испытывающих кулонов-ское взаимодействие в силовом поле "магнитной ямы", не имеет аналитических решений. Однако можно легко определить некоторые статические и динамические характеристики распределения этих частиц, предположив, что частиц в "магнитной яме" много, N > 1, и что частицы являются монодисперсными, несут один и тот же заряд расстояние между частицами й много больше размеров одной частицы 2г и магнитное поле В слабо меняется на расстояниях порядка среднего расстояния между частицами й (квазиоднородность).
Из условия баланса сил взаимного отталкивания заряженных частиц и силы магнитного поля, удерживающего диамагитные частицы от разле-тания, можно найти концентрацию частиц - п, об-
ЭЛЕКТРОМАГНИТ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
55
разующих равновесную пространственную конфигурацию вблизи дна "магнитной ямы":
п = (3|х|т/8л2<?2)к2.
В состоянии равновесия частицы образуют регулярную пространственную структуру с минимальной потенциальной энергией - кулоновский кристалл с объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК) и периодом а = (2/п)1/2.
Внешняя форма кулоновского кристалла, образованного заряженными диамагнитными частицами в антипробкотронном магнитном поле, определяется из условий баланса сил взаимного кулоновского отталкивания частиц и поля сил (3), удерживающих частицы в ловушке. Численное моделирование показало, что ансамбль частиц принимает форму сплюснутого по оси z эллипсоида вращения с соотношением полуосей ах : ау : аг = = 1 : 1 : 0.29.
Исследовательский блок разрабатываемой аппаратуры представляет собой электромагнит панцирного типа цилиндрической формы с рабочей зоной объемом ~102 см3. Магнитное поле в рабочей зоне электромагнита создается с помощью двух катушек обмотки, системы полюсов и магнитопроводов. В рабочем состоянии ток в катушках обмотки циркулирует в противоположных направлениях, в результате чего в центральной части электромагнита образуется магнитное поле "антипробкотронного" типа (2). Расстояние между центральными полюсами электромагнита 5 с
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.