Селектирующие элементы для нового поколения датчиков потоков плазмы

Селектирующие элементы для нового поколения датчиков потоков плазмы

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

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

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

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

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

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

проблем планетной физики и астрофизики.

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

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

Тема номера

Рис. 1.

Принципиальная схема цилиндра Фарадея

Рис. 2.

Датчик с сеточным элементом старого образца

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

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

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

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

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

Рис. 4.

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

Исходные сетки

О

После механических воздействий

После термоциклических воздействий

О

28

2

о

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

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

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

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

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

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

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

Николай Мухуров,

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

Литература

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

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

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

Космос и Беларусь:

история

и современность

Фото Юрия ИВАНОВА

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

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

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