прибор для регистрации хаотического движения ферромикрочастиц в вакууме в состоянии невесомости

Формула изобретения

Прибор для регистрации хаотического движения ферромикрочастиц в вакууме в состоянии невесомости, отличающийся тем, что оптически прозрачная вакуумная ампула с ферромикрочастицами в ней помещена в оптический резонатор газового лазера, например СО₂ -лазера, с «глухими» отражателями, блок высокочастотной накачки активного вещества лазера соединен с первым выходом генератора опорного напряжения, оптически прозрачная вакуумная ампула снаружи снабжена электромагнитной системой, обмотка которой переключается либо к намагничивающему источнику постоянного тока, либо к размагничивающему источнику переменного тока с экспоненциально спадающей амплитудой, указанная вакуумная ампула оптически связана с малошумящим фотоприемным устройством, выход которого через узкополосный усилитель соединен с синхронным детектором, второй вход которого подключен ко второму выходу генератора опорного напряжения, а выход синхронного детектора связан с индикатором принимаемого малошумящим фотоприемным устройством рассеянного ферромикрочастицами лазерного излучения, причем ферромикрочастицы выполнены с технологически минимально возможным диаметром - порядка долей микрона, а весь прибор установлен на борту космического аппарата в условиях движения последнего по инерции на стационарной орбите.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области оптического приборостроения и позволяет исследовать движение микрочастиц, в частности ферромагнитных микрочастиц, в вакууме и находящихся в состоянии невесомости, когда на эти микрочастицы не действуют внешние гравитационные силы.

Открытое в 1827 г. Р.Броуном и описанное в 1905-06 гг. А.Эйнштейном и М.Смолуховским хаотическое тепловое движение микрочастиц твердого вещества в жидкостях в рамках современной физики объясняется неуравновешенным действием на такие микрочастицы внешних сил, создаваемых тепловым движением молекул жидкости. Однако такое же тепловое колебательное хаотическое движение молекул в самих микрочастицах при неуравновешенности их импульсов (и моментов импульсов) действия на кристаллическую решетку микрочастиц способно привести последние в движение. Обнаружить такое движение микрочастиц возможно в вакууме и в состоянии невесомости, например, помещением группы микрочастиц в вакуумную ампулу, размещенную внутри космического аппарата, движущегося по инерции на стационарной орбите.

Аналогов соответствующих приборов для обнаружения броуновского (хаотического) движения микрочастиц твердого вещества в вакууме, находящихся в состоянии невесомости, не имеется по данным опубликованных работ.

Целью изобретения является регистрация броуновского движения микрочастиц, в частности ферромагнитных, в вакууме, находящихся в состоянии невесомости.

Указанная цель достигается в приборе для регистрации броуновского движения ферромикрочастиц в вакууме в состоянии невесомости, отличающемся тем, что оптически прозрачная вакуумная ампула с ферромикрочастицами в ней помещена в оптический резонатор газового лазера, например СО₂-лазера, с «глухими» отражателями, блок высокочастотной накачки активного вещества лазера соединен с первым выходом генератора опорного напряжения, оптически прозрачная вакуумная ампула снаружи снабжена электромагнитной системой, обмотка которой переключается либо к намагничивающему источнику постоянного тока, либо к размагничивающему источнику переменного тока с экспоненциально спадающей амплитудой, указанная вакуумная ампула оптически связана с малошумящим фотоприемным устройством, выход которого через узкополосный усилитель соединен с синхронным детектором, второй вход которого подключен ко второму выходу генератора опорного напряжения, а выход синхронного детектора связан с индикатором принимаемого малошумящим фотоприемным устройством рассеянного ферромикрочастицами лазерного излучения, причем ферромикрочастицы выполнены с технологически минимально возможным диаметром - порядка долей микрона, а весь прибор установлен на борту космического аппарата в условиях движения последнего по инерции на стационарной орбите.

Достижение поставленной цели объясняется действием внутри ферромикрочастиц импульсов и моментов импульсов со стороны хаотически колеблющихся в тепловом поле молекул на кристаллическую решетку этих ферромикрочастиц, а их магнитные свойства позволяют реализовать сбор ферромикрочастиц на стенках вакуумной ампулы вблизи полюсов электромагнитной системы при подаче на ее обмотку постоянного тока или размагничивание ферромикрочастиц от источника переменного тока с экспоненциально спадающей амплитудой, при котором ферромикрочастицы вновь приходят в броуновское движение в вакууме и в состоянии невесомости под действием внутренних сил, распространяясь постепенно по всему вакуумному объему ампулы, и при этом лазерное излучение, проходящее в этой ампуле в прямом и противоположном направлениях с одинаковой интенсивностью вследствие применения в резонаторе лазера «глухих» отражателей, вызывает его рассеяние на ферромикрочастицах, регистрируемое малошумящим фотоприемным устройством, оптически связанным с прозрачной вакуумной ампулой, а повышение чувствительности при регистрации индикатором рассеянного лазерного излучения достигается благодаря использованию в электрической схеме обработки информации синхронного детектора при амплитудной модуляции в блоке высокочастотной накачки активного вещества лазера с частотой генератора опорного напряжения, подключенного также ко второму входу синхронного детектора. Указанное переключение режимов работы электромагнитной системы позволяет проводить на борту космического аппарата многократные исследования поведения ферромикрочастиц, переводя их в исходное состояние, в частности определять скорость установления квазистационарного состояния в распределении ферромикрочастиц в объеме вакуумной ампулы. При этом вакуумные ампулы с ферромикрочастицами разных диаметров могут выполняться съемными, что позволяет оценивать постоянные времени установления указанных квазистационарных состояний в функции диаметра используемых в экспериментах ферромикрочастиц.

Заявляемое техническое решение понятно из представленного чертежа.

Заявляемый прибор содержит газовый лазер 1 с двумя «глухими» отражателями 2 и 3 его резонатора и кюветой с активным веществом 4, например СО₂-лазер, с блоком высокочастотной накачки 5, модулируемой по амплитуде сигналом с первого выхода генератора опорного напряжения 6, и с помещенной в его резонатор прозрачной для лазерного излучения вакуумной ампулой 7 с введенным в нее порошком из ферромикрочастиц 8 сверхмалого диаметра, например существенно меньшего длины волны лазерного излучения. Снаружи указанной вакуумной ампулы размещена электромагнитная система 9 с магнитными полюсами 10 и 11, размещенными по одну сторону вакуумной ампулы, и обмоткой 12, подключаемой коммутатором 13 либо к источнику постоянного тока 14, либо к источнику переменного тока 15 с экспоненциально спадающей амплитудой для размагничивания ферромикрочастиц. Для регистрации рассеяния лазерного излучения на ферромикрочастицах использовано оптически связанное с вакуумной ампулой малошумящее фотоприемное устройство (ФПУ) 16, например, на основе тройного соединения КРТ (кадмий-ртуть-теллур), охлаждаемого жидким азотом, выход которого через узкополосный усилитель 17 электрически связан с первым входом синхронного детектора 18, второй вход которого соединен со вторым выходом генератора опорного напряжения 6, а выход синхронного детектора связан с индикатором 19 интенсивности рассеянного излучения. Весь прибор размещен на борту космического аппарата 20.

Рассмотрим действие заявляемого устройства.

В исходном состоянии ферромикрочастицы 8 собираются внутри вакуумной ампулы у ее стенки со стороны полюсов 10 и 11 электромагнитной системы 9, когда ее обмотка 12 подключена коммутатором 13 к источнику постоянного тока 14. При этом в вакуумной колбе никакого рассеяния проходящего в ней лазерного излучения не происходит, и индикатор 19 его не регистрирует. После переключения коммутатором 13 обмотки 12 к источнику переменного тока 15 с экспоненциально спадающей амплитудой с требуемой постоянной времени происходит полное размагничивание ферромикрочастиц 8 и последние внутри вакуумной ампулы 7 приходят в броуновское движение, распространяясь постепенно по всему объему ампулы, в результате чего возникает эффект рассеяния лазерного излучения на ферромикрочастицах, интенсивность которого регистрируется индикатором 19. Повышению чувствительности прибора способствует применение малошумящего ФПУ 16, узкополосного усилителя 17 и синхронного детектора 18 при условии амплитудной модуляции излучения лазера блоком высокочастотной накачки 5, связанным с кюветой с активным веществом 4, от генератора опорного напряжения 6. Важно отметить, что для исключения влияния давления лазерного излучения на движение ферромикрочастиц 8 внутри вакуумной ампулы оба отражателя резонатора 2 и 3 лазера 1 используются «глухими», то есть имеют практически одинаковое 100% отражение (без пропускания, то есть не так, как это имеет место в обычных лазерах), что выравнивает плотности потоков в прямом и обратном направлениях, то есть компенсирует пондеромоторные силы в ферромикрочастицах от падающего на них с противоположных направлений лазерного излучения. Частичное поглощение электромагнитной энергии ферромикрочастицами приводит к их разогреву, что повышает эффективность броуновского движения.

Для исключения потерь плоскополяризованного излучения лазера его кювета с активным веществом 4 и вакуумная ампула 7 снабжены окнами (например, из пластин селенида цинка), расположенными под углами Брюстера. Кроме того, вакуумная ампула 7 также выполняется из прозрачного для лазерного излучения материала.

Вакуумная ампула может выполняться съемной из конструкции лазера 1, что в условиях космического эксперимента позволяет использовать разные ампулы с ферромикрочастицами разных диаметров, заранее приготовленные в земных лабораторных условиях. Использование электромагнитной системы 9 в режимах сбора ферромикрочастиц на стенке вакуумной ампулы 7 вблизи полюсов 10 и 11 (при подаче на обмотку 12 постоянного тока) и размагничивания ферромикрочастиц переменным магнитным полем с падающей до нуля амплитудой (при подключении обмотки 12 к источнику переменного тока 15) обеспечивает возможность многократно воспроизводить эксперименты при исследовании броуновского движения микрочастиц разных диаметров в вакууме и в состоянии невесомости, накапливать статистическую информацию об этом движении и делать обоснованные выводы по полученной информации.

Можно показать, что гравитационные силы ферромикрочастиц между собой на много порядков слабее сил, движущих микрочастицы в вакуумном пространстве, поэтому размагниченные ферромикрочастицы в своем хаотическом движении будут распределяться по объему вакуумной ампулы беспрепятственно, оказывая на стенки ампулы в квазистационарном режиме такого пространственного распределения одинаковое давление, как по закону Паскаля для жидкостей и газов. Соприкосновение (точнее - соударение) ферромикрочастиц со стенками вакуумной ампулы позволяет осуществить обменные тепловые процессы - передачу тепловой энергии разогретых лазерным излучением ферромикрочастиц на стенки вакуумной ампулы, которая при этом будет нагреваться. Это обстоятельство также является фактором, доказывающим броуновское движение микрочастиц в вакууме.

Указанные эксперименты могут быть осуществлены при участии специалистов Института космических исследований совместно с поддержкой Центра управления космическими полетами. Результаты таких исследований позволят уточнить эйнштейновскую концепцию о природе броуновского движения микрочастиц, дадут новый импульс в развитие физической науки о веществе и его закономерностях, откроют перспективы для создания в будущем энергетических устройств прямого преобразования тепловой энергии в механическую с оптимально высокими коэффициентами полезного действия.