Способ получения облака заряженных частиц
METHOD OF OBTAINING CLOUD OF CHARGED PARTICLES

Изобретение относится к области микроволновой и плазменной техники и может быть использовано для получения пылевых ансамблей левитирующих заряженных частиц со сложным химическим составом и негауссовским распределением по размерам, используемых, в частности, для моделирования потока микрометеоритов и техногенных частиц при имитационных материаловедческих испытаниях.
Известен способ получения заряженных микрочастиц [RU 2551129, С1, Н05Н 5/00, 20.05.2015], согласно которому подают высокое напряжение на бункерный электрод и переменное напряжение резонансной частоты на пьезоизлучатель, что вызывает движение частиц микропорошка в бункерной камере и выброс в полость зарядной камеры, содержащей горизонтальный или вертикальный набор углеродистых нитей, при соприкосновении с острием которых микрочастицы получают заряд и под действием электрического поля покидают зарядную камеру через вертикальные или горизонтальные отверстия, образуя поля заряженных микрочастиц.
Недостатком этого способа является относительно узкая область применения.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения заряженных полевых частиц, [RU 2532688, С1, Н05Н 5/00, 10.11.2014], согласно которому засыпают в бункерную камеру микропорошок через набор игл, при касании которых микрочастицы микропорошка получают заряд и под действием электрического поля, создаваемого положительным потенциалом на зарядном электроде относительно составного внешнего электрода зарядной камеры, вылетают из инжектора, формируя облако заряженных микрочастиц.
Недостатком наиболее близкого по технической сущности к предложенному способа является относительно узкая область применения, поскольку он ограничен получением пучков пылевых микрочастиц малого сечения с фиксированным химическим составом одного типа вещества и с определенным размером и зарядом, поэтому такие пучки обладают узким диапазоном возможных размеров и состава частиц, что усложняет и увеличивает время имитационных материаловедческих испытаний, поскольку возникает необходимость перестройки процесса инжектирования и, при этом, не обеспечивается одновременное воздействие на материалы частицами разного размера и разных типов веществ, что является важным при испытаниях материалов
Задачей, которая решается в изобретении, является создание способа получения облака заряженных частиц в виде пылевых ансамблей левитирующих заряженных частиц со сложным химическим составом и негауссовским распределением по размерам, используемых, в частности, для моделирования потока микрометеоритов и техногенных частиц при имитационных материаловедческих испытаниях, например, при испытаниях космической техники, работающей в аналогичных условиях. Решение этой задачи позволяет повысить точность и эффективность моделирования.
Требуемый технический результат заключается в расширении области применения и расширение арсенала технических средств, обеспечивающих получение облака заряженных частиц в виде пылевых ансамблей левитирующих заряженных частиц со сложным химическим составом и негауссовским распределением по размерам.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, согласно способу, заключающемся в том, что в реактор засыпают порошок из частиц требуемого размера, согласно способу, используют порошок в виде смеси частиц диэлектриков и металлов требуемого размера и размещают смесь в открытом реакторе на плоской горизонтально ориентированной кварцевой подложке, уплотняют смесь частиц диэлектриков и металлов путем наложения на него горизонтально ориентированной уплотняющей кварцевой пластины с последующим ее снятием и генерируют микроволновый импульс, который используют для формирования разряда в атмосфере в месте размещения смеси с инициацией над ней цепной химической реакции.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, порошок в виде смеси частиц диэлектриков и металлов формируют из частиц с размерами 100-200 мкм.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, слой порошка в виде смеси частиц диэлектриков и металлов формируют толщиной в 1 мм.
-3
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, генерируют микроволновый импульс при мощности излучения 200-400 кВт и длительности импульса 1,5-4 10 с.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, разряд в атмосфере в месте размещения смеси формируют с энергией 1-3 кДж.
2
2
3
2
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, используют порошок в виде смеси частиц диэлектриков (% масс) SiO(45,91%)+AlO(23,68%)+TiO(0,58%)+FeO(8,06%)+MgO(6,05%)+СаО(15,71%) и металла в виде магния 0,5%.
2
2
3
2
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, используют порошок в виде смеси частиц диэлектриков (% масс) SiO(45,91%)+AlO(23,68%)+TiO(0,58%)+FeO(8,06%)+MgO(6,05%)+CaO(15,71%) и металла в виде алюминия 1,2%.
Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что, в качестве кварцевой подложки используют кварцевую пластину с толщиной, равной четверти длины волны микроволнового импульса.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема устройства для получения облака заряженных частиц с использованием предложенного способа, где обозначены: 1 - квазиоптический ответвитель, 2 - квазиоптический тракт, 3 - реактор для создания пылевой плазмы;
на фиг. 2 - кварцевая трубка с осажденными образцами после воздействия микроволновым импульсов на смесь;
на фиг. 3 - схема эксперимента, где 4 - плазменный слой, 5 - газовый слой, 6 - кварцевая подложка для уменьшения отражения микроволнового излучения, 7 - кварцевые боковые стенки реактора, 8 - нижняя кварцевая стенка реактора, 9 - смесь частиц диэлектриков и металлов, 10 - уплотняющая кварцевая пластина;
на фиг. 4 - видеокадры эволюции во времени числа частиц реголита в реакторе при импульсном воздействии СВЧ длительностью 2 мс (указано время после окончания СВЧ импульса, выдержка 0.2 мс).
на фиг. 5 - слева микрофотографии осажденного на стенки реактора порошка реголита в двух масштабах: 100 и 10 мкм, справа для фотографии с масштабом 100 мкм представлены распределения частиц по размерам;
на фиг. 6 - химический состав осажденных частиц.
Реализуется предложенный способ получения облака заряженных частиц следующим образом.
-3
Его реализация иллюстрируется примером проведения эксперимента в устройстве фиг. 1. Способ получения облака заряженных частиц основан на микроволновом пробое и развитии цепных плазмохимических процессов в смеси порошков под воздействием СВЧ излучения мощного импульсного гиротрона. Состав смеси порошков соответствовал составу образцов реголита в лунном грунте (пыли, химический состав которой известен для разных областей Луны, и описан, например, в каталогах [К.П. Флоренский, А.Т. Базилевский, О.В. Николаева, Лунный грунт: свойства и аналоги. М. АН СССР. Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского. 1975; и НАСА: https://curator.jsc.nasa.gov/lunar/samplecatalog/]. Импульсное микроволновое излучение, воздействующее на смесь порошков, обладало энергией 1-3 кДж (мощностью СВЧ 200-400кВт) при длительности импульса 1,5-4*10 с. Импульс СВЧ излучения посредством системы медных зеркал, образующих квазиоптический тракт 2, через квазиоптический ответвитель 1 направлялся в специально разработанный плазмохимический реактор 3. Измерение фактической мощности гиротрона осуществляется потоковым калориметром. Измерение поглощенного микроволнового излучения определяется из балансовых СВЧ измерений системой микроволновых детекторов, которые также калибруются при помощи потокового калориметра [Г.В. Укрюков, Д.В. Малахов, Н.Н. Скворцова и др. Инженерная физика. №2. 2017. С. 27-36].
В реактор для создания пылевой плазмы устанавливались кварцевые трубки (цилиндры) высотой до 50 см (фиг. 2). Эксперименты проводились в атмосфере, верхний край цилиндра открыт.В кварцевой трубке после СВЧ пробоя исходного материала и развития плазмохимических процессов возникает поток заряженных частиц. В дальнейшем частицы осаждаются на стенки кварцевой трубки и могут проанализированы по размерам и по химическому составу.
Схема эксперимента приведена на фиг. 3. Смесь 9 исходных порошков размещали на нижней кварцевой подложке 8, образуя слой толщиной ~1 мм. Уплотнение исходной смеси производится с помощью специальной уплотняющей кварцевой пластины 10 до подачи микроволнового излучения. Затем верхняя поверхность слоя смеси порошка открывается. Снизу через кварцевые пластины подается микроволновое излучение. При прохождении импульса микроволнового излучения через смесь 9 порошков возникает разряд, в результате чего значительная часть частиц поднимается, образуя плазменный слой 4 и газовый слой 5. Развитие плазмохимических процессов контролировалось визуально при помощи высокоскоростной Fastec Imaging IN250M512 (стрелка I) и низкоскоростной Activecam AC-D1020 (стрелка II) камер, а также трех оптических спектрометров Ava-Spec (стрелки I,II,III), работающих в диапазоне 250-920 нм.
2
2
3
2
2
3
Эксперименты были проведены в порошках, повторяющий состав разных типов материкового лунного реголита, например, смесь: SiO(45,91)/AlO(23,68)/TiO(0,58)/FeO(8,06)/MgO(6,05)/CaO(15,71). Часть из одного из окислов (половина или десятая часть, например, MgO или AlO) были заменены на соответствующий металл (такое количество сфероидов металла существует в реголите на Луне. Учитывалось также, что в реголите при ударе метеорита может происходить выделение из окислов металла и кислорода. Средний размер частицы в разных пробах лежит в диапазоне 100-200 мкм, распределение соответствует лунному веществу.
В экспериментах при энергии микроволнового импульса гиротрона 1-3 кДж (мощности СВЧ 200-400 кВт) и длительности импульса 1,5-4 мс регистрируется взрывной процесс, вызванный кулоновским расталкиванием заряженных частиц с поверхности реголита в объем реактора. После взрыва смеси развивались цепные реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. Они длятся десятки секунд, в течение которых взвесь пылевых частиц поднимается на десятки сантиметров над поверхностью порошка. Выделяющаяся при этом энергия в сотни раз превышает энергию инициации цепной реакции. На фиг. 4 показана динамика возникновения и левитации облака заряженных частиц над реголитом после выключения гиротрона. Покадровый анализ видеосъемки показывает, как облако из большого числа частиц поднимается в объем реактора над поверхностью реголита, и затем наблюдается в объеме реактора в течение несколько сотен миллисекунд. Частицы от поверхности порошка разлетаются со скоростями порядка нескольких м/с, а максимальное их количество наблюдается через 100-200 мс после выключения СВЧ импульса. Уменьшение наблюдаемого числа частиц в течение этого времени также, как и в спектральных измерениях, частично связано с запылением кварцевой поверхности цилиндра реактора.
Видеокадры эволюции во времени числа частиц реголита в реакторе представлены на фиг. 4, где использовалось импульсное воздействие СВЧ длительностью 2 мс. На фотографиях указано время после окончания СВЧ импульса, выдержка 0.2 мс.
На боковые поверхности реактора над смесью осаждаются сфероиды из реголита с диаметрами от 1 до 1000 мкм. На фиг. 5 показаны осажденные частицы (слева) и распределение частиц по линейным размерам, в которой присутствуют большое число частиц с размером около 1 мм (такое негауссовское распределение характерно для лунной пыли).
Химический анализ осажденных частиц (фиг. 6) показывает сохранение сложного состава, повторяющего состав исходной смеси порошков.
В течение СВЧ импульса из-за процесса кулоновского расталкивания частиц происходит выброс вещества из поверхностного слоя, в веществе над порошком после окончания СВЧ развиваются цепные экзотермические реакции, длительность которых превышает импульс СВЧ. В результате в реакторе на высоту до 50 см поднимается ансамбль из медленно движущихся (от 1 до 100 см/с) отрицательно зараженных частиц различных сферических форм с негауссовским распределением по размерам (средний линейный размер от 200 до 300 мкм, с присутствием большой фракции миллиметровых частиц). Ансамбль левитирующих частиц наблюдается в реакторе в течение секунды.
Таким образом, благодаря усовершенствованиям известного способа достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении области применения и расширение арсенала технических средств, обеспечивающих получение облака заряженных частиц в виде пылевых ансамблей левитирующих заряженных частиц со сложным химическим составом и негауссовским распределением по размерам.