Формирование устойчивых кулоновских структур заряженными диамагнитными частицами в неоднородном магнитном поле тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Па правах рукописи

СЛВИТ1 Сергей Федорович

ФОРМИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВЫХ КУЛОНОВСКИХ СТРУКТУР ЗАРЯЖЕННЫМИ ДИАМАГНИТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность: 01.04.08 физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени 5 ДЕК 2013

кандидата физико-математических паук

Москва-2013

005541616

005541616

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур РАН

Научный руководитель: заместитель директора ОИВТ РАН,

член-коррсспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Петров О.Ф.

Официальные оппоненты: г.п.е. ОИВТ РАН,

доктор физико-математических паук, профессор Храпак А.Г.;

в.н.с. ГНЦ РФ ТРИИИТИ,

доктор физико-математических наук,

Паль А.Ф.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт динамики геосфер РАН.

Защита состоится 013 г. в ¿¿ч. ¿?£>мш1. па заседании

диссертационного совета ^Д 002.410.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур РАН по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Отзывы па автореферат просьба присылать по адресу: 125412, Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, ОИВТ РАН.

Автореферат разослан /ГРЯб^Я 2013 г.

И.о. Ученого секретаря диссертационного совета Д 002.110.02 доктор физико-математических наук / В.П. Голуб

© Федеральное государственное бюджетное учреждение пауки Объединенный институт высоких температур РАН, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Устойчивые кулоновские классические (неквантовые) структуры представляют собой ансамбли частиц, несущих заряды одного знака, испытывающих взаимное кулоновское отталкивание и удерживаемых в ограниченном объёме в стационарном состоянии. Пространственную устойчивость таких систем может обеспечить внешнее силовое ноле, препятствующее разлетаниго частиц. Небольшое число частиц ансамбля (N < 10") образует кулоповский кластер, ансамбль из большого числа частиц может образовать регулярную пространственную структуру - кулоповский кристалл. Интерес к устойчивым кулоновским системам связан с разработкой теории однозарядной плазмы [1], а также изучением фазовых переходов в сильнонеидеалыюй плазме 12-4].

Одной из основных проблем экспериментального изучения устойчивых кулоновских систем является обеспечение левитации заряженных частиц. В представленной работе обоснован метод экспериментального изучения устойчивых систем из заряженных частиц, удерживаемых неоднородным стационарным магнитным полем. Показано, что таким методом можно удерживать в состоянии левитации, заряженные диамагнитные частицы. Устойчивые структуры из заряженных частиц могут быть сформированы как в вакууме, так и в неионизовапном газе. В обоих случаях парный потенциал мсжчастичного взаимодействия является кулоновским.

Описана разработанная и изготовленная автором экспериментальная установка, с помощью которой в лабораторных условиях получены устойчивые кулоновские кластеры из заряженных частиц графита размером 150 - 300 мкм. Удержание частиц в состоянии левитации осуществлялось неоднородным магнитным полем Втах~2-Ю4 Гс, |3/?/бг|~105 Ге/см, создаваемым в межполюсном пространстве электромагнита постоянного тока. В работе проводится анализ структуры и динамики частиц в наблюдаемых кластерах. Предложенный метод удержания заряженных частиц в состоянии устойчивой левитации можно использовать как в наземных условиях, так и в условиях невесомости.

Для изучения устойчивых кулоновских систем макрочастиц в условиях микрогравитации на Российском сегменте Международной космической станции (PC МКС) в рамках космического эксперимента «Кулоповский кристалл» была разработана и изготовлена научная аппаратура «КУК». Проведён анализ данных полученных в этом эксперименте.

Цель диссертационной работы

[Целью диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование структурных и динамических характеристик кулоновских ансамблей образованных заряженными диамагнитными макрочастицами в неоднородном стационарном магнитном поле.

Положения, выносимые иа защиту

1. Экспериментальная установка для изучения структуры и динамики устойчивых кулононских кластеров, образованных заряженными частицами графита в неоднородном магнитном иоле в наземных условиях.

2. Расчет формы равновесного кулоновского кластера из заряженных диамагнитных частиц в антипробкотронном магнитном поле.

3. Результаты исследования устойчивых кулоиовских кластеров, образованных заряженными частицами графита, размером 150...300 мкм в неоднородном магнитном поле с Втах~2-Ю'1 Гс и \дВ/дх\~\й5 Гс/см.

4. Экспериментальная установка для изучения структуры и динамики устойчивых кулоиовских систем, образованных заряженными частицами графита в условиях микрогравитации на РС МКС.

5. Результаты изучения динамики образования протяженных устойчивых кулоиовских кластеров.

Научная новизна результатов исследования

1. Автором предложен и теоретически обоснован метод формирования устойчивых кулоиовских структур из заряженных диамагнитных частиц в неоднородных магнитных полях.

2. Разработана и изготовлена экспериментальная установка, включающая электромагнит с жёлобковыми полюсами, с помощью которой в лабораторных условиях впервые получены устойчивые кулоновскис кластеры из заряженных частиц графита левитирующих в неоднородном магнитном поле.

3. ГГроведсн анализ возможности исследования устойчивых кулоиовских структур из заряженных макрочастиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации.

4. Проведен расчет геометрических характеристик формы, принимаемой равновесным кулоновским кластером из заряженных диамагнитных частиц в антипробкотронном магнитном ноле.

5. Впервые в наземных условиях получены устойчивые кулоновскис кластеры, образованные заряженными частицами графита, размером 150...300 мкм в неоднородном магнитном иоле с Втах~2-\йл Гс и |дй/Эг|~105 Гс/см, получены экспериментальные данные о динамике частиц в кластерах.

6. Впервые получены устойчивые кулоновскис кластеры, образованные заряженными частицами графита, размером 100...400 мкм в неоднородном магнитном поле с Я„,а.~1,2-103 Гс и \дВ/дт\~4 10? Гс/см, в условиях микрогравитации.

Научная и практическая значимость работы

Автором предложен и практически реализован новый метод бесконтактного

удержания ансамбля заряженных макрочастиц в ограниченном объёме

посредством неоднородного стационарного магнитного поля. Это позволяет

экспериментально изучать свойства и характеристики устойчивых систем — кулоновских кластеров, кристаллов и жидкостей, образованных дисперсными макрочастицами, как в газовой среде, так и в вакууме.

Впервые в наземных условиях экспериментально изучен процесс формирования кулоновских кластеров частицами графита в атмосфере воздуха при нормальном давлении и комнатной температуре.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование условий, при которых заряженные диамагнитные макрочастицы формируют устойчивые структуры в магнитных ловушках в условиях земной гравитации и в невесомости.

Автором предложена схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения сильнопеидеалытых кулоновских систем дисперсных макрочастиц в условиях микрогравитации. Это предложение практически реализовано в научной аппаратуре «КУК» космического эксперимента «Кулоновский кристалл», функционирующей на борту Российского сегмента Международной космической станции с ноября 2010 г.

Предложенный метод может применяться в научных экспериментальных исследованиях, в технических и технологических процессах, при которых необходимо обеспечить длительную левитацию и манипулирование диамагнитными твёрдыми, жидкими и дисперсными средами, т. е. их бесконтактное удержание и перемещение в вакууме или в газовой среде в ограниченном объёме.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на 5 и б Международных конференциях «Рост монокристаллов и тепломассоперенос» (Обнинск, 2003 и 2005), па II Российской конференции по космическому материаловедению (Калуга, 2003), на Российском симпозиуме «Космическое материаловедение — 2007» (Калуга, 2007), па юбилейной научной конференции посвященной 50-летшо ОИВТ РАН (Москва, 21 октября 2010г.), на конференциях XXIV Int. Conf. Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter. Elbrus - 2009., VI Int. Conf. "Plasma Physics and Plasma Technology", Minsk, September 28 - October 2, 2009., XXV Int. Conf. liquations of State for Matter. Elbrus, 2010., 37th EPS Conference on Plasma Physics, Dublin, Ireland, 21-25 June 2010., 3nd Int. Conf. Phys. Dusty and Burning Plasmas, Odessa, 2010., VI Всероссийская конференция «Физическая электроника, (23-26 сентября 2010 г.)., па Научно-координационной Сессии «Исследования исидеальпой плазмы» (01-02 декабря 2010 г.) Президиума РАН, Москва, XXI Iiurophysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (Viana do Castelo, Portugal. 2012), 14th International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas (Rostock, Germany, 2012), 63rd International Astronautical Congress (Naples, Italy, 2012), на семинарах в ИТЭС ОИВТ РАМ, ИПМех РАМ и ГНЦ РФ

ТРИНИТИ. Статья о результатах изучения кулоповских кластеров в условиях земной гравитации была выбрана по критериям новизны, научной точности и широкого интереса редакцией международного журнала «Physica Scripta» для опубликования в обзоре избранных статей «Highlights of2012».

Публикации

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 22 научных работах, включая 7 статей в рецензируемых научных журналах. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 117 наименований. Содержание работы изложено на 104 страницах текста, включая 37 рисунков и I таблицу.

Личный вклад автора

Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является основным. Автор принимал активное участие в постановке научных задач; предложил метод формирования и изучения ансамблей заряженных макрочастиц в ограниченном объёме посредством неоднородного стационарного магнитного поля, разработал и создал экспериментальную установку, проводил экспериментальные исследования. Автором была выполнена обработка и проведен анализ полученных экспериментальных данных. На основании результатов исследования и их анализа сформулированы и обоснованы выводы и заключения, вошедшие в диссертацию.

Благодарности

Автор признателен научному руководителю Петрову О.Ф. за постановку задач и постоянное внимание к работе. Особую благодарность автор выражает Дьячкову Л.Г. за полезные обсуждения, советы и поддержку в ходе работы над диссертацией. На начальном этапе работу по созданию лабораторной установки и проведение наземных экспериментов энергично поддержал покойный Нефёдов A.II. В создании аппаратуры «КУК» и реализации космического эксперимента «Кулоновский кристалл» на PC МКС существенную поддержку оказали сотрудники РКК «Энергия» Марков A.B. и Чурило И.В.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования сильнопеидеальных устойчивых кулоповских систем частиц, поставлена цель теоретической и экспериментальной работы, кратко изложен метод достижения цели.

Первая глава носит обзорный характер. Приведено описание экспериментальных установок, предназначенных для изучения поведения плазмы, заряженных и нейтральных частиц в электромагнитных ловушках. Описаны результаты теоретических работ посвященных изучению силытонеидеальных кулоповских систем.

Раздел 1.1 является обзором по экспериментальным методам изучения дву- и одномерных кулоповских систем в электромагнитных ловушках. Кратко изложены результаты экспериментальных исследований двумерных кулоповских систем макрочастиц Дж. Дж. Томсоном и двумерных ансамблей электронов над поверхностью жидкого гелия. Описаны способы получения и исследования одномерных устойчивых систем ионов.

В разделе 1.2 приведено описание электромагнитных ловушек, используемых для удержания плазмы и ансамблей заряженных частиц в устойчивом состоянии. Описаны принципы функционирования ловушек Пеннинга и Пауля [5]. Анализируется метод лазерного удержания микро и макрочастиц для изучения кулоповских систем.

В разделе 1.3 теоретически рассмотрены вопросы динамического поведения, как единичной частицы, так и ансамбля заряженных частиц в параболической потенциальной бездиссипативной ловушке. Приведены выражения для частот колебаний единичной частицы в такой ловушке. Определено среднее межчастичное расстояние в равновесном ансамбле многих частиц, несущих одинаковые заряды, в потенциальной ловушке, а также частота плазменных колебаний в ансамбле.

В разделе 1.4 рассмотрены основные силы определяющие динамику частиц в электромагнитных ловушках, а также структуру равновесных образований из заряженных частиц в ловушках. Приведено выражение определяющее силу действующую на парамагнитную или диамагнитную макрочастицу в неоднородном магнитном поле [б]. Диамагнитная частица во внешнем магнитном иоле приобретает магнитный момент М, направленный против магнитного поля. В результате взаимодействия этого наведённого момента с внешним магнитным полем, частица выталкивается из области сильного поля в область слабого поля с силой:

Гн = (хш/2)§гас1(й2), (1)

где х — удельная магнитная восприимчивость вещества, для диамагнетиков / < О, т — масса частицы.

Сила этого вида является главной в обеспечении устойчивой левитации нейтральных и заряженных диамагнитных макрочастиц в электромагните пашей наземной лабораторной установки и в электромагните аппаратуры «КУК» на РС МКС.

В разделе 1.5 приведен обзор теоретических и экспериментальных работ но изучению равновесных статических кулоповских кластеров и кристаллов в электромагнитных ловушках.

Раздел 1.6 посвящен обзору теоретических и экспериментальных работ по изучению динамики ансамблей заряженных частиц в электромагнитных ловушках [1, 5].

В разделе 1.7 приведены аргументы в пользу применения ловушек со статическими неоднородными стационарными магнитными полями [6, 7, 8] для экспериментального изучения структуры и динамики левитирующих ансамблей заряженных частиц. Рассмотрены условия, при которых заряженные частицы образуют кулоповские кластеры и кристаллы в магнитных ловушках.

В разделе 1.8 сформулированы выводы к первой главе работы.

Вторая глава посвящена рассмотрению вопросов удержания диамагнитных заряженных частиц в статических магнитных полях различной конфигурации.

В разделе 2.1 представлена модель, описывающая удержание частиц в антинробкотропном магнитном поле (рис. 1). Поле такого вида может быть создано постоянными магнитами или токами, циркулирующими в противоположных направлениях в кольцевых проводниках, размещенных на одной оси.

В(г)

Рис. 1. Лнтипробкотропное магнитное поле В(г), («касп»)

Рис. 2. Ход силовых линий поля F(r). действующего па диамагнитную частицу в антипробкотронной ловушке

В точке О, равноудалённой от полюсов и находящейся на оси системы, индукция магнитного поля равна нулю. Вблизи точки О компоненты магнитного поля В(г) можно представить в виде разложения но степеням координат не выше третьей степени:

B.f.x.y.zj кх;

By(x,y,z) = Icy; (2)

B,(x,y,z) = -2kz,

где k - коэффициент, зависящий от величины намагниченности и размеров магнитов, а также от расстояния между ними; div В = 0 и rot В = 0.

Магнитное поле В(г) симметрично относительно поворотов вокруг оси z и отражения относительно плоскости (х,у). Силовые линии этого магнитного поля описываются гиперболами порядка -1/2:

z ■■ р (x' лгу1)'' p ~ - со ± +00J, и поэтому оно называется гиперболическим.

Соответствующие компоненты силы, действующей па небольшую частицу, помещенную в магнитное поле, выражаются в виде: Fx(x,y,z) ¿m/fx;

Fy(x,y,z) = хткУ: (3)

F::(x,y,z) z- 4x>nk"z,

выполняются равенства div F = бхтк' и rot F = 0, т.е. поле силы F является потенциальным:

F = - grad(xm/c/2) (- xJ - / - 4z*) = - grad Um; (4)

UBH--(Xmk-/2)(x2 + y2 + 4z2). (5)

Поле сил, действующих па диамагнитную частицу в аптипробкотроппой ловушке изображено на рис. 2. Антипробкотронную ловушку можно использовать для обеспечения левитации макрочастиц в условиях земной гравитации и в условиях невесомости.

В разделе 2.2 анализируется возможность использования конфигурации магнитного поля «бейсбол» [9| для удержания диамагнитных частиц. Магнитное поле типа «бейсбол» можно получить с помощью токового контура подобного полоске па теннисном мячике. Данная конфигурация интересна тем, что с её помощью можно создать сферически симметричное удерживающее силовое поле.

В разделе 2.3 подробно изложены результаты теоретического рассмотрения левитации диамагнитных частиц в магнитном поле высокой интенсивности S„,iIV~2-10'1 Гс и с сильной неоднородностью |Э/?/Зг|~105 Гс/см в рабочей зоне, генерируемом между жёлобковыми полюсами. В таком поле можно обеспечить устойчивую левитацию, как отдельной диамагнитной частицы, так и ансамбля заряженных частиц в условиях земной гравитации. Проведён анализ условия существования зоны устойчивой левитации макрочастиц между жёлобковыми полюсами магнитной системы (рис. 3). Выполненный анализ показал, что существует зона устойчивости в межнолюсном пространстве электромагнита. Данная система с жёлобковыми полюсами использовалась при проведении наземных лабораторных экспериментов по изучению кулоновских кластеров.

Рис. 3. Конфигурация магнитного поля в пространстве между полюсами N и в в плоскости (х,7.). Ось (0,у) -перпендикулярна плоскости (х.7.)

В разделе 2.4 дан общий обзор магнитных свойств химических элементов и их соединений. Указаны атомы и ионы обладающие диамагнитными свойствами.

Указаны материалы с высокими диамагнитными характеристиками, удобными для использования в экспериментах ио магнитной левитации. В разделе 2.5 сформулированы выводы ко второй главе работы.

Третья глава посвящена описанию установок предназначенных для проведения экспериментальных исследований по формированию устойчивых кулоновских кластеров, состоящих из макрочастиц графита в неоднородном магнитном поле в наземных лабораторных условиях и в условиях микрогравитации.

В разделе 3.1 представлена схема наземной лабораторной экспериментальной установки и приведены её технические характеристики. Экспериментальная установка (рис. 4) включает электромагнит постоянного тока, средства ввода

а) б)

Рис. 4. Внешний вид лабораторного электромагнита (а), схема наземной экспериментальной установки (б): 1 - обмотка электромагнита; 2-4 - нижний, боковые и верхние магнитопроводы; 5 - полюсные наконечники — концентраторы магнитного потока; б — зонд для зарядки частиц; 7 вброс частиц; 8 ПЗС камера; 9 область левитации; 10 подсветка

графитовых макрочастиц в межполюсное пространство электромагнита, зонд для зарядки частиц графита, лампу подсветки, ПЗС-камеру с объективом и видеорекордер. Нижний, боковые и верхние магнитопроводы имеют форму цилиндров диаметром 40 тт. Верхние магнитопроводы сопряжены с усеченными конусами полюсных наконечников - концентраторами магнитного потока. В верхней части полюсных наконечников со стороны малых оснований усечённых конусов диаметром 20 мм сделаны цилиндрические проточки диаметром 20 мм, а верхние кромки торцевых поверхностей наконечников скруглены. Такая форма полюсных наконечников электромагнита позволяет создать такую конфигурацию магнитного поля в межполюсном пространстве, которая обеспечивает устойчивую левитацию диамагнитных частиц. Верхние магнитопроводы могут перемещаться относительно боковых для регулировки зазора между полюсами. Магнитное поле в зазоре регулируется изменением тока в катушке обмотки, содержащей 1200 витков.

В разделе 3.2 рассмотрена возможность экспериментального изучения устойчивых кулоновских структур в условиях микрогравитации. Указаны преимущества проведения исследований в условиях невесомости по сравнению с наземными исследованиями. В условиях микрогравитации на борту космических аппаратов g ~ (10 10 4)ёо в поле Г с можно создать относительно

большую Ц, ~ (20.. .30) мм зону устойчивой левитации.

и.

■и

1 X шШ Ш/ Ш/ У'//.' ч у/// ШШ У

§ ^ { -Т 8

;

; ч

х I ^

\ X |рШ Ш//Ш щщ V/

-щшж

60 мм \ \ \ -~-

50 им 4-—---:-►

Рис. 5. Схема электромагнита для проведения экспериментов в условиях микрогравитации: I, 2 — катушки обмотки электромагнита; 3, 4 полюсы; 5, 6 -торцевые магиитопроводы; 7 - боковой магпитонровод: 8 рабочая зона

электромагнита

1'нс. 6. Антипробкотроштое магнитное ноле («каетт») в рабочей зоне электромагнита. 1, 2 — катушки обмотки электромагнита; 3, 4 полюсы. Длина отрезков пропорциональна величине магнитного поля

Неоднородное поле в этом случае можно создать с помощью простого электромагнита. Зона устойчивой левитации этого электромагнита, при работе с макрочастицами графита располагается между полюсами. Размер зопы по оси х ~ 60 мм, по оси х ~ 40 мм. Приведено описание научной аппаратуры «КУК», указаны её технические характеристики. При выборе схемы бортового магнита, предпочтение было отдано панцирной схеме компоновки электромагнита постоянного тока с двумя сооспо расположенными обмоточными катушками (рис. 5).

Панцирная схема магнита позволяет сократить магнитное сопротивление цепи и направить практически весь генерируемый током в катушках магнитный поток в рабочую зону, расположенную внутри магнита между катушками и полюсами (рис. 6).

В разделе 3.3 сформулированы выводы к третьей главе работы.

Четвёртая глава посвящена описанию экспериментов по формированию устойчивых кулоповских кластеров, состоящих из макрочастиц графита в неоднородном магнитном поле. Б наземных экспериментах индукция магнитных полей достигала 2104 Гс, в космических экспериментах магнитные поля не превышали 1,2-10'' Гс.

В разделе 4.1 рассматриваются наземные эксперименты по формированию устойчивых кулоповских кластеров из заряженных диамагнитных частиц в магнитной ловушке. На рис. 7 представлены видеоизображения левитирующих в условиях земной гравитации кулоповских кластеров из частиц графита размером 200 мкм. Эксперименты проводились в атмосфере воздуха при комнатной температуре, поэтому имелся простой доступ в межполюспое пространство для ввода частиц, их зарядки, подсветки и видеорегистрации. Зарядка левитирующих частиц производилась при помощи электрического вольфрамового зонда в виде иглы, вводимого в область левитации частиц. Между зондом и полюсами электромагнита подавалось напряжение до 45 В. Частицы в экспериментах получали как положительный, так и отрицательный электрический заряд. В обоих случаях заряд на частицах сохранялся в течении десятков минут без заметного уменьшения.

а) б) в)

Рис. 7. Типичные видеоизображения левитирующих кулоповских кластеров из трёх (а), (б) и четырёх (в) частиц графита 0 ~ 2.00 мкм. Расстояние между полюсами электромагнита 2 мм. (Фото автора)

На рис. 8 показаны профили потенциальной удерживающей ямы электромагнита (сформированной гравитационным и магнитным полем) для одной частицы графита вдоль оси г и нескольких значений Ви:

ГГ(л) ¡7(0,0, г) т& Щ^^—^—хтр. (6)

1 (Л +г )

С увеличением магнитного поля потенциальный барьер в направлении оси г растет, но уменьшается барьер в направлении оси х, положение вершины которого X/, показано штриховыми линиями. При В0- 1.25 'Гл этот барьер намного выше г/„ но уже при Ба = 1.35 Гл он становится значительно ниже г/„ а при В0 = 1.45 Тл практически исчезает и яма превращается в седловидную конфигурацию.

Положение точки устойчивой левитации г0 в зависимости от В0 (максимальной индукции между полюсами), для графитовой частицы при трех значениях зазора 2/ между полюсными наконечниками и радиусе закругления их верхних кромок /-

^ 2 мм показано па рис. 9 сплошными кривыми. Нижняя штриховая ветвь этих кривых показывает положение вершины потенциального барьера г,,. Расстояние между г0 и г,, приближенно дает полуширину потенциальной ямы в вертикальном направлении. Для малого кластера из нескольких частиц точка г0 соответствует положению его центра масс. Расчетные значения г0 примерно совпадают с данными экспериментов, частицы левитируют па уровне верхних закругленных кромок полюсных наконечников. Мри увеличении зазора между наконечниками для устойчивой левитации частиц, как следует из результатов расчета, требуется повышение магнитного поля и, следовательно, тока в обмотке электромагнита, что и наблюдалось в эксперименте. При фиксированном зазоре уменьшение тока в обмотке (и соответственно магнитного поля) должно приводить к снижению левитирующих частиц, а если ноле становилось меньше нижнего предела, то - к исчезновению потенциальной ямы и падению частиц вниз.

Если поле (и ток в обмотке) увеличивается, частицы должны подниматься и в конечном итоге при переходе полем верхнего предела, яма трансформируется в седловидную конфигурацию - частицы покидают зону устойчивой левитации. Все это согласуется с данными, полученными в экспериментах.

3,6 3,4 _ 3,2

7.

| 3,0 2,8 2,6

/

/ у \ /// ■

\ /// у//

---^1.35 Тл __

/

__125 Тл

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

г

1'нс. 8. Профиль потенциальной ямы вдоль оси :. при зазоре между полюсами 2/ = 2 мм и трех значений В» - 1.25, 1.35 и 1.45 "Гл. Штриховыми линиями покачано положение вершины потенциального барьера в направлении оси х

3.0 2.5 2,0

1Г В

Ь

0,5 0,0

21-2 мм

21 — 3 мм

С

\

1.2 1,3 1,4 1.5 1,6 1,7

в„(Тл)

Рис. 9. Зависимость положения точки устойчивой левитации частиц Гц (сплошные кривые) и вершины потенциального барьера г/, (штриховые кривые) от магнитного поля при /?« - 10 мм, г = 2 мм и трех значениях зазора между полюсными наконечниками 2,/ = 2, 3 и 4 мм

В разделе 4.2 описаны экспериментальные исследования по формированию устойчивых кулоповских кластеров, состоящих из макрочастиц графита в условиях микрогравитации на РС МКС. Проведено сравнение экспериментальных данных о форме ансамблей макрочастиц в ловушке с результатами теоретического анализа. Теоретически исследован вопрос о форме приобретаемой обычной диамагнитной жидкостью и кулоповским кристаллом в антипробкотронной магнитной ловушке. Капля обычной диамагнитной жидкости

(или агломерат из многих диамагнитных макрочастиц) при помещении в аптипробкотроннута магнитную ловушку в условиях микрогравитации примет форму осесимметричпого сплюснутого эллипсоида вращения (если пренебречь силой поверхностного натяжения). Поверхность капли расположится па уровне постоянного квадрата магнитного поля В2 = const, при этом естественно силовые линии поля F должны быть перпендикулярны к касательным плоскостям па поверхности капли. Этому условию удовлетворяет эллипсоид вращения сплюснутый по оси г с соотношением полуосей щ/аХ(У)=1/2, как изображено на рис. 10. Задача о форме равновесной капли кулоповской жидкости в параболической потенциальной яме автором решена аналитически. Форма капли кулоповской жидкости определяется условием компенсации силы, действующей со стороны внешнего удерживающего поля коллективной силой кулоновского воздействия со стороны остальных заряженных частиц капли. Численный анализ проведённый автором показывает, что в равномерно заряженном эллипсоиде вращения при соотношении полуосей cJa ~ 0,2934 напряженность поля по оси г возрастает в четыре раза сильнее, чем по осям х или у. Из этого можно сделать вывод о том, что капля кулоповской жидкости (домена кулоновского кристалла), из монодисперсных диамагнитных частиц несущих равные электрические заряды в апипробкотронном магнитном поле примет форму сплюснутого по оси z эллипсоида вращения с соотношением полуосей c/a - c/b ~ 0,2934. Сечение такого эллипсоида вертикальной плоскостью представлено па рис. 1 1. В ходе анализа результатов сеансов эксперимента эти предсказания нашли опытное подтверждение. Так агломераты го незаряженных макрочастиц графита образовывали конфигурации в форме сплюснутых эллипсоидов вращения, ira рис. 12 изображен агломерат с длиной главного малого диаметра 2с ~ 7 мм и длиной главного большого диаметра 2а ~ 14 мм, соответственно с/а ~ 0,5.

1 2ак

2ад

Рис. 10. Форма капли диамагнитной Рис. 11. Форма капли кулоповской жидкости в аптипробкотропной магнитной жидкости в аптипробкотронпой магнитной ловушке Сд/а„ = 0,5 ловушке ск/ак = 0,2934

Кластеры го многих заряженных макрочастиц образовывали конфигурации также в форме сплюснутых эллипсоидов вращения, на рис. 13 изображен кластер с длиной главного малого диаметра 2ск = 3,3 мм и длиной главного большого диаметра 2ак ~ 12 мм, соответственно ск/ак = 0,28.

Экспериментальные данные о форме диамагнитных агломератов из незаряженных макрочастиц и кластеров из многих заряженных макрочастиц в

аптипробкотронпой магнитной ловушке находятся в хорошем согласии с данными теоретического рассмотрения.

Рис. 12. Агломерат незаряженных частиц графита размером 400мкм в аптипробкотронпой магнитной ловушке с/а ~ 0,5

Рпс. 13. Кулоновский кластер из заряженных частиц графита размером 300 мкм в антнпробкотронной магнитной ловушке ск/ак ~ 0,28

В разделе 4.3 сформулированы выводы к четвёртой главе.

В заключении приведены основные результаты работы:

1. Проведён сравнительный анализ различных способов обеспечения устойчивой левитации заряженных и нейтральных частиц в электромагнитных полях. Указаны преимущества изучения устойчивых кулоновских систем в стационарных потенциальных ловушках но сравнению с динамическими ловушками. Выполненный анализ показал перспективность использования стационарного неоднородного магнитного поля для удержания заряженных макрочастиц и изучения характеристик и свойств кулоновских кластеров, кристаллов и жидкостей.

2. Теоретически исследованы конфигурации магнитного поля, обеспечивающие устойчивую левитацию диамагнитных частиц, как в условиях нормальной земной гравитации, так и в условиях микрогравитации. Получены выражения для концентрации частиц, постоянной решетки и основной частоты колебаний кулоновского кристалла сформированного в магнитной ловушке, в зависимости от заряда, массы и магнитной восприимчивости материала макрочастиц, а также от параметров магнитной ловушки. Предложены конструктивные решения для разработки электромагнитов, предназначенных для изучения кулоновских кластеров и кристаллов в наземных условиях и на Международной космической станции.

3. Разработан и изготовлен электромагнит с желобковыми полюсами с Втах~2-104 Гс и |5б/Эг|~10' Гс/см, для проведения экспериментальных исследований устойчивых кулоновских кластеров в наземных условиях. Проведены экспериментальные исследования по формированию устойчивых кулоновских кластеров из заряженных частиц графита размером от 150 до 300 мкм в

межполюсном пространстве электромагнита. Определены конфигурации кластеров, межчастичные расстояния и частоты колебаний кластеров.

4. Аналитическими методами определена форма обычной диамагнитной жидкости и кулоновской жидкости в антипробкотронной ловушке. Выполненный анализ показал, что диамагнитная жидкость в антипробкотронной ловушке должна принять форму сплюснутого эллипсоида вращения с отношением меньшей полуоси к большей равным Vi. Кулоновский кластер из заряженных диамагнитных частиц в антипробкотронной ловушке должен принять форму сплюснутого эллипсоида вращения с отношением меньшей полуоси к большей приблизительно равным 0,2934.

5. Впервые теоретически и экспериментально изучены кулоновские кластеры, сформированные заряженными диамагнитными частицами в стационарном неоднородном магнитном ноле как в наземных условиях, так и в условиях микрогравитации.

Цитированная литература

1. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Якубов ИТ. Физика неидеальной плазмы. М.: Физматлит, 2004.

2. Эбелинг В., Крефт В., Кремп Д. Теория связанных состояний и ионизационного равновесия в плазме и твердом теле. М.: Мир, 1979.

3. Фортов В.Е. //УФН. 2009. Том 179. С. 653.

4. Цытович В.II. //УФН. 1997. Том 167. С. 57.

5. Wuerker R. F., Shelton П., and Langmuir R. V. II J. Appl. Phys. 1959. V. 30. P. 342.

6. 'Гамм H.Ii. Основы теории электричества. М.: Паука, 1966.

7. Braunbek W. // Z. Phys. 1939. Bd. 112. P. 753.

8. Berry M. V., Gaim A.K. // Eur. J. Phys. 1997. V. 18. P. 307.

9. Кадомцев Б. F. Коллективные явления в плазме. М.: Паука, 1976.

Основные публикации по материалам диссертации

1. Фортов В.Е., Нефедов А.П., Ваупгша О.С., Липаев A.M., Молотков В.И., Самарян A.A., Никитский В.П., Иванов А.И., Савин С.Ф., Калмыков A.B., Соловьев А.Я., Виноградов П.В. Пылевая плазма, индуцированная солнечным излучением в условиях микрогравитации: эксперимент па борту орбитальной станции «Мир» // ЖЭТФ. 1998. Т. 114. С. 2004-2021.

2. Савин С.Ф., Марков A.B., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Электромагнит для проведения экспериментов на борту PC МКС // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования., том 6, с. 53-55, (2004)

3. Savin S.F., D'yachkov L.G., Vasiliev М.М., Petrov O.F. and Fortov V.E. Clasters of charged diamagnetic particles levitating in nonuniform magnetic field // IiPL, Vol. 88. P. 64002pl-64002p6, (2009)

4. Савин С.Ф., Дьячков JI.F., Васильев M.M., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Формирование кулоновских кластеров заряженными диамагнитными

макрочастицами в неоднородном магнитном ноле // Письма в ЖГФ, том 35, вып. 24, стр. 42-51,(2009)

5. Савин С.Ф., Дьячков Л.Г., Мясников М.И., Петров О.Ф., Васильев ММ, Фортов В.Е„ Калери А.Ю., Еорисенко А.И., Морфшл Г.Е. Кулоновский ансамбль заряженных диамагнитных макрочастиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации // Письма в ЖЭТФ. 2011. т. 94. вып. 7. с. 548-552.

6. Savin S.F., D'yachkov L.G., Myasnikov M.I., Petrov O.F., Fortov V.E. The formation of Coulomb clusters in a magnetic trap // Phys. Scr. 2012. V. 85. p. 035403 (1-11).

7. Petrov O.F., Myasnikov M.I., D'yachkov L.G., Vasiliev M.M., Fortov V.E., Savin S.F., Kaleri A.Yu., Borisenko A.I., and Morfill G.E., Coulomb clusters of dust particles in a cusp magnetic trap under microgravity conditions // Phys. Rev. H. 2012. V. 86. p. 036404,

Савин Сергей Федорович

ФОРМИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВЫХ КУЛОПОВСКИХ СТРУКТУР ЗАРЯЖЕННЫМИ ДИАМАГНИТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Автореферат

Подписано в печать 18.11.13

Печать офсетная

Тираж 100 экз.____

Уч. — изд.л. 1.1 Заказ № 248

Формат 60x84/16 Усл.-печ.л. 0.95 Бесплатно

ОИВТ РАН. 125412, Москва, Ижорская ул., д. 13, стр. 2

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК (ОИВТ РАН)

и /„ езот/.

2-Т £-и I ТЛ, 7

На правах рукописи УДК 533.9

САВИН Сергей Федорович

ФОРМИРОВАНИЕ УСТОЙЧИВЫХ КУЛОНОВСКИХ СТРУКТУР ЗАРЯЖЕННЫМИ ДИАМАГНИТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Специальность: 01.04.08 - физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н., профессор, Петров О.Ф.

Москва-2013

Содержание

Введение....................................................................................4

Глава 1. Плазма, заряженные и нейтральные частицы в электромагнитных ловушках................................................... 15

1.1. Электромагнитные ловушки для исследования дву- и одномерных ансамблей заряженных частиц.................................................... 15

1.1.1. Магнитная ловушка Дж. Дж. Томсона................................... 16

1.1.2. Ловушка для электронов над поверхностью жидкого гелия........ 18

1.1.3. Исследования одномерных кулоновских кристаллов................. 19

1.2. Электромагнитные ловушки...................................................... 20

1.2.1. Электродинамические ловушки Пауля.................................. 20

1.2.2. Лазерное удержание.........................................................23

1.2.3. Электростатическая ловушка..............................................25

1.3. Поведение частиц в потенциальных ловушках................................25

1.4. Силы, действующие на частицы в электромагнитных ловушках......... 27

1.5. Кулоновские кластеры и кристаллы в электромагнитных ловушках..... 31

1.6. Динамика ансамбля заряженных частиц в электромагнитных ловушках.............................................................................. 35

1.7. Устойчивая левитация частиц в статическом магнитном поле............ 36

1.8. Выводы к Главе 1.................................................................... 39

Глава 2. Удержание заряженных частиц в статических магнитных полях........................................................................................ 40

2.1. Удержание частиц в антипробкотронном магнитном поле................ 40

2.2. Удержание частиц в магнитном поле конфигурации «бейсбол»......... 43

2.3. Левитация диамагнитных макрочастиц в магнитном поле электромагнита с жёлобообразными полюсами.............................. 46

2.4. Магнитные характеристики материалов.......................................50

2.9. Выводы к Главе 2................................................................... 54

Глава 3. Аппаратура для экспериментального изучения кулоновских кластеров и кристаллов из заряженных диамагнитных частиц

удерживаемых в неоднородных магнитных полях............................ 56

3.1. Экспериментальная установка для проведения лабораторных

экспериментов в условиях земной гравитации............................... 56

3.2 Аппаратура для изучения левитирующих диамагнитных макрочастиц

в условиях микрогравитации..................................................... 61

3.3. 3.3. Выводы к Главе 3.............................................................. 70

Глава 4. Эксперименты по формированию устойчивых кулоновских кластеров заряженными частицами графита в неоднородном магнитном поле...................................................... 71

4.1. Эксперименты на наземной установке..........................................71

4.2. Эксперименты «Кулоновский кристалл» на Международной космической станции............................................................... 86

4.3. Выводы к Главе 4.................................................................. 91

Заключение......................................................................... 93

Основные публикации по теме диссертации.............................. 95

Список литературы.............................................................. 99

Введение

Актуальность темы

Интерес к физике неидеальной плазмы сильно возрос в последнее время и это направление исследований интенсивно развивается. Слабоионизованная газовая плазма всегда является идеальной. Изучение неидеальной плазмы сопряжено со значительными техническими трудностями. Изучение динамической системы заряженных макрочастиц с чисто кулоновским взаимодействием между собой и находящихся в потенциальной яме может прояснить многие аспекты поведения неидеальной плазмы. В экспериментальных исследованиях чаще всего потенциальная яма для заряженных частиц формируется с помощью электрических и магнитных полей - различного рода электромагнитных ловушек.

В наших исследованиях мы для изучения динамики ансамблей заряженных макрочастиц впервые применили ловушки с неоднородным стационарным магнитным полем.

Устойчивые кулоновские классические (неквантовые) структуры представляют собой ансамбли частиц, несущих заряды одного знака, испытывающих взаимное кулоновское отталкивание и удерживаемых в ограниченном объёме в стационарном состоянии. Пространственную устойчивость таких систем может обеспечить как однородный компенсирующий заряд среды, в которой находятся заряженные частицы ансамбля, так и внешнее поле, препятствующее разлетанию частиц.

л

Небольшое число частиц ансамбля (К < 10 ) образует кулоновский кластер, ансамбль из большого числа частиц (Ы > 10") может образовать регулярную пространственную структуру - кулоновский кристалл. Интерес к устойчивым

кулоновским системам связан с разработкой теории однозарядной плазмы [1], а также изучением фазовых переходов в сильнонеидеальной плазме [2-4].

Первые экспериментальные и теоретические работы по изучению кулоновских кластеров были выполнены в начале 20 века под руководством Дж. Дж. Томсона [5,6], а начало теоретическому изучению свойств кулоновских кристаллов, образуемых электронами (кристаллы Вигнера), было положено работами [7-10]. Анализ динамики электронов в модели атома Томсона, выполненный Релеем [11], позволил выявить одно из характерных свойств плазмы - коллективные движения. Позднее это явление плазменных колебаний было экспериментально открыто и исследовано И. Тонксом и И. Лэнгмюром [12].

Изучение кулоновских кластеров и кристаллов тесно связано с изучением однозарядной плазмы (nonneutral plasma). Эта модель удобна для проведения теоретических и численных расчетов термодинамических и статистических свойств плазмы, также она удобна для изучения эффектов, связанных с неидеальностыо плазмы, в частности фазовых переходов в плазме. В неидеальной плазме важно учитывать эффекты межчастичного взаимодействия. Количественной мерой неидеальности плазмы у, принято считать отношение средней потенциальной энергии кулоновского взаимодействия частиц Екул к средней кинетической или тепловой энергии частиц Ет

у = Eky/ET= Z2/rkBT, где Z - заряд частицы, г - среднее расстояние между частицами, Т - температура плазмы, кв - постоянная Больцмана.

Плазма с параметром неидеальности у > 1 считается неидеальной.

Сильнонеидеальная плазма обладает многими экзотическими свойствами. Так, например, в белых карликах электронная компонента плазмы высокой плотности может находиться в вырожденном состоянии, а ядерная компонента

в невырожденном, сильнонеидеальном состоянии [13-23]. Такая плазма может перейти в состояние, при котором ядра образуют упорядоченную кристаллическую структуру с минимальной потенциальной энергией -объёмноцентрированную кубическую решетку. Процессы кристаллизации ядер плазмы в белых карликах происходят при плотностях 104 г/см3 < р < 109 г/см3 и температурах Т < 108 К. Переход ядерной компоненты в кристаллическое состояние сопровождается выделением энергии кристаллизации ~ квТ, учёт этого обстоятельства важен при построении моделей эволюции белых карликов. Теоретические оценки [20-27] показывают, что кристаллизация ядерной компоненты плазмы на однородном фоне электронного газа происходит при параметрах неидеальности у -155... 173.

Эффекты, обусловленные сильной неидеальностыо удобно исследовать в пылевой плазме [28-30]. Возможность перехода пылевой компоненты в неравновесной газоразрядной плазме в регулярную пространственную кристаллическую структуру теоретически обоснована в [31].

В отличие от чисто электрон-ионной газовой плазмы, в пылевой плазме благодаря высокому заряду пылевых частиц потенциальная энергия взаимодействия макрочастиц может значительно превосходить их кинетическую энергию. Поэтому пылевая компонента плазмы может выстроиться в регулярную пространственную структуру - кристаллическую решётку. Пылевые кристаллы были обнаружены в плазме ёмкостного высокочастотного разряда [32-36] и в плазме тлеющего разряда постоянного тока [37-39]. Упорядоченные пылевые структуры также обнаружены в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме [40, 41].

Дисперсные частицы в газоразрядной плазме можно наблюдать невооружённым глазом или используя относительно простые технические средства. Это позволяет экспериментально исследовать на кинетическом

б

уровне процессы образования пылевого кристалла из пылевой жидкости, низкочастотные колебания и процессы переноса пылевой компоненты плазмы. Исследования пылевой плазмы продолжаются в наше время [42-44]. В частности изучается зарядка дисперсных частиц при различных параметрах плазмы, силовое взаимодействие между макрочастицами, динамические процессы при распространении линейных и нелинейных волн, процессы диссипации колебаний и другие аспекты динамики. Исследование пылевой плазмы представляет интерес как с точки зрения фундаментальной науки, включающей физику твёрдого и жидкого состояния, динамику фазовых переходов и нелинейных явлений, так и с точки зрения прикладных приложений - нанотехнология, плазменные технологии, получение новых материалов и др.

Наряду с исследованием неидеальной плазмы, особую важность в последние годы приобретает исследование кулоновских кластеров из ионов и электронов в электромагнитных ловушках [45-55]. Областью применения объёмных и линейных кластеров из ионов в электромагнитных ловушках может стать их использование в квантовых компьютерах [56, 57].

Микрочастицы, удерживаемые в электромагнитных ловушках в настоящее время представляются чрезвычайно удобными объектами для проведения спектроскопических измерений высокой точности, создания сверхточных стандартов частоты, времени и других экспериментов в области фундаментальной физики и химии [49].

Согласно теореме Ирншоу [58, 59] в чисто электростатическом поле невозможно обеспечить устойчивую левитацию как одного, так и нескольких заряженных тел в свободном пространстве. Поэтому все ловушки применяемые до настоящего времени для удержания заряженных частиц были электродинамическими.

В экспериментах с ловушкой Пауля [51] были получены кулоновские кластеры из заряженных металлических макрочастиц.

Одной из основных проблем экспериментального изучения устойчивых кулоновских систем является обеспечение свободной левитации заряженных макрочастиц. В представленной работе обоснован метод экспериментального изучения устойчивых систем из заряженных макрочастиц, удерживаемых неоднородным стационарным магнитным полем. Теоретически и экспериментально показано, что таким методом можно удерживать в состоянии левитации ансамбли заряженных диамагнитных частиц.

Устойчивые структуры из левитирующих заряженных частиц могут быть сформированы как в вакууме, так и в неионизованном газе при атмосферном или высоком давлении (до нескольких сотен атмосфер). Это обстоятельство является благоприятным для использования указанного метода в научных исследованиях, технических и технологических приложениях. Следует отметить, что при этом парный потенциал межчастичного взаимодействия с большой точностью можно считать кулоновским, в отличие от макрочастиц находящихся в плазме, где заряды в значительной степени экранированы [17].

Наряду с электростатическим методом удержания материалов в состоянии левитации [60], при проведении технологических операций, например плавлении, рассматриваемый метод чисто магнитного удержания диамагнитных материалов также можно использовать в наземных и космических условиях в технических и технологических устройствах.

Перспективным представляется использование магнитного удержания макрочастиц для целей метрологической диагностики малых количеств материалов. Современными средствами можно легко наблюдать движение макрочастиц размером ~ 1 мкм и массой ~ 10'12 г в магнитной ловушке в вакууме. Зная характеристики магнитного поля в ловушке, определив частоты колебаний макрочастицы можно легко вычислить удельную магнитную

восприимчивость материала частицы. Удерживая мелкие частицы в состоянии левитации можно определять механические, термодинамические, спектральные и электрические характеристики собственно свободной частицы, не возмущенной материалом подложки на которой частица лежит.

Магнитное удержание можно использовать в научных исследованиях и технологических приложениях также для деликатного манипулирования отдельными диамагнитными атомами, ионами, молекулами, наночастицами и биологическими объектами - вирусами и бактериями. В отличии от метода использующего лазерное удержание [61], микро и макрочастицы не будут подвергаться воздействию потоков оптического излучения высокой

£\ О

интенсивности ~ 10 Вт/см , во многих случаях влияние на удерживаемую частицу высокоэнергетических оптических лучевых потоков является нежелательным обстоятельством, например, в случае исследования биологических и органических объектов.

Эксперименты, по удержанию в состоянии устойчивой левитации в гравитационном поле Земли единичных диамагнитных тел в неоднородном стационарном магнитном поле проводились и ранее, например [62-64]. В экспериментах А. Гейма и др. в Лаборатории сильных магнитных полей г. Неймегена (Нидерланды) использовался электромагнит системы Биттера, с максимальным магнитным полем 1,6 105 Гс и энергопотреблением 4 МВт. Диаметр зоны устойчивой левитации составлял ~ 15 мм.

В диссертации описана экспериментальная установка [65] разработанная и изготовленная автором, с помощью которой в лабораторных наземных условиях получены устойчивые кулоновские кластеры из заряженных частиц графита размером 150 - 300 мкм. Удержание частиц в состоянии левитации осуществлялось неоднородным магнитным полем Втах ~ 2-104 Гс, \дВ/дг\ ~ 105 Гс/см, создаваемым в межполюсном пространстве электромагнита постоянного тока. Расстояние между желобковыми полюсами электромагнита

составляет 2 мм, зона устойчивой левитации диаметром ~ 1,5 мм располагается между верхними кромками полюсов. Энергопотребление электромагнита < 20 Вт. В работе проводится анализ структуры и динамики частиц в наблюдаемых кластерах. Предложенный метод удержания заряженных частиц в состоянии устойчивой левитации можно использовать как в наземных условиях, так и в условиях невесомости [66]. Эксперименты с наземной установкой автор выполнил в ОИВТ РАН.

Для изучения устойчивых кулоновских систем макрочастиц в условиях микрогравитации на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) в рамках космического эксперимента «Кулоновский кристалл» была разработана и изготовлена научная аппаратура «КУК». Конструкция экспериментального блока аппаратуры описана в [66] и представляет собой трёхмерную квадрупольную магнитную ловушку.

Выполнен анализ данных, полученных в этом эксперименте. Научная аппаратура «КУК» включает блок питания и управления, а также блок электромагнита. Электромагнит панцирного типа аппаратуры включает в себя две соосно расположенные обмоточные катушки и систему магнитопроводов. При подаче в катушки постоянных токов, циркулирующих в противоположных направлениях, в рабочей зоне электромагнита создаётся

о

антипробкотронное магнитное поле. Главные параметры поля - Втах~ 1,2-10

л

Гс, \дВ/д*\ ~ 4 10 Гс/см. Энергопотребление электромагнита аппаратуры «КУК» < 200 Вт. Благодаря низкому уровню микрогравитации на борту РС МКС £ ~ 10"4 ... 10"5 go размеры рабочей зоны «космического» левитатора, значительно больше рабочих зон «земных» магнитных левитаторов и составляет 0 = 14,7 см, Ь = 6 см. Размер зоны устойчивой левитации диамагнитных частиц в электромагните составляет 0 = 5 см, Ь = 4 см.

Модельные материалы - дисперсные частицы графита размером от 100 до 400 мкм помещены в герметичные прозрачные ампулы наполненные аргоном

при атмосферном давлении. В ампулах также размещены металлические электроды - один осевой, диаметром 200 мкм, другой по цилиндрической части внутренней поверхности ампулы. Электроды служат для зарядки дисперсных частиц и изучения влияния электрического поля на динамику частиц. На электроды может подаваться постоянное напряжение величиной 6, 12, 18 и 24 В. Сменный контейнер аппаратуры, включающий ампулу с модельным материалом, светодиод для подсветки дисперсных частиц и две компактные телекамеры с разрешением 0,2 Мпкс, регистрирующие движение частиц размещается в рабочей зоне электромагнита. Видеоинформация о движении дисперсных частиц графита в ампулах во время проведения сеансов эксперимента на PC МКС регистрировалась с помощью двух бортовых камкордеров на видеокассеты, которые доставлялись на Землю в спускаемых аппаратах кос