pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-4-305-313pimi-340Research ArticleСредства измеренийMeasuring instrumentsКОНСТРУКЦИЯ ДАТЧИКОВ ПОТОКОВ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ НА ОСНОВЕ ЦИЛИНДРА ФАРАДЕЯTHE DESIGN OF THE SOLAR WIND ION FLUX SENSORS BASED ON THE FARADAY CUPМухуровН. И.MukhurovN. I.

Address for correspondence: Mukhurov N.I. – SSPA «Optics, Optoelectronics and Laser Technology», Nezavisimosty Ave., 68-1, Minsk 220072, Belarus    e-mail: n.mukhurov@dragon.bas-net.by

n.mukhurov@dragon.bas-net.byГасенковаИ. В.GasenkovaI. V.АндруховичИ. М.AndruhovichI. M.

Адрес для переписки: Мухуров Н.И. – ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника», пр-т Независимости, 68-1, г. Минск 220072,     e-mail: n.mukhurov@dragon.bas-net.by

ЗастенкерГ. Н.ZastenkerG. M.БородковаН. Л.BorodkovaN. I.КостенкоВ. И.KostenkoV. I.КаримовБ. Т.KarimovB. T.

M. Gorky str., 33, Tarusa 249101, Kaluga region

ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника»БеларусьState Scientific and Production Association «Optics, Optoelectronics and Laser Technology»BelarusИнститут космических исследований Российской академии наукРоссияSpace Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут космических исследований Российской академии наукРоссияSpecial Design Bureau for Space Instruments Engineering of the Space Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian FederationСКБ космического приборостроения Института космических исследований Российской академии наукРоссияSpecial Design Bureau for Space Instruments Engineering of the Space Research Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation20171512201784305313Copyright © Мухуров Н.И., Гасенкова И.В., Андрухович И.М., Застенкер Г.Н., Бородкова Н.Л., Костенко В.И., Каримов Б.Т., 20172017Мухуров Н.И., Гасенкова И.В., Андрухович И.М., Застенкер Г.Н., Бородкова Н.Л., Костенко В.И., Каримов Б.Т.Mukhurov N.I., Gasenkova I.V., Andruhovich I.M., Zastenker G.M., Borodkova N.I., Kostenko V.I., Karimov B.T.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/340

Важными задачами современных космических исследований являются изучение и непрерывные наблюдения процессов космической и метеорологической «погоды». Одним из электронных приборов для проведения таких исследований является датчик плазмы на основе цилиндра Фарадея. Цель работы состояла в разработке конструктивного варианта цилиндра Фарадея с прецизионными чувствительными (селектирующими) элементами в виде металлических сеточных микроструктур и четырехсекторным коллектором, не имеющего аналогов в мировой технике.

Для формирования сеточных никелевых микроструктур разработан процесс создания с помощью фотолитографии матрицы из нанопористого анодного оксида алюминия как прецизионной формы (шаблона) для осаждения наноструктурированных металлических слоев. Разработаны методы проведения тестовых испытаний на механические (вибрационные) и термоциклические воздействия, соответствующие требованиям к космическим приборам.

Сеточные микроструктуры сформированы в едином технологическом цикле с кольцами-держателями по периметру сетки, с квадратным 20 × 20 мкм2 сечением полотна и ячейками размером 1 × 1 мм2. Прозрачность каждой из сеток при нормальном падении света составила более 90 %. Габаритные размеры держателей и сеточных микроструктур: внутренние диаметры (34, 47, 60) ± 0,1 мм, внешние диаметры колец (42, 55, 68) ± 0,1 мм соответственно. Масса одной сетки составила менее 50 мг.

Результаты испытаний продемонстрировали работоспособность разработанных сеточных микроструктур при многократных термоциклических воздействиях от –50 до +150 °С и вибрационных и статических перегрузках, характерных при космических полетах. В составе приборов для проведения плазменных измерений в окрестности Земли и в межпланетном пространстве будут использованы шесть датчиков с различной угловой ориентацией. Это обеспечит возможность фиксирования ионов космической плазмы в телесном угле около 180°.

Important tasks of modern space research are the study and continuous observations of the processes of cosmic and meteorological «weather». One of the electronic devices for carrying out such researches is a plasma sensor based on Faraday cup. The purpose of the work was to develop a constructive variant of the Faraday cup with precision sensitive (selective) elements in the form of metal grid microstructures and a four-sector collector, which has no analogues in the world technology.

For the formation of grid nickel microstructures, a process has been developed for creating a matrix of nanoporous anodic aluminum oxide by photolithography as a precision shape (template) for depositing nanostructured metal layers. Methods for conducting testing for mechanical (vibrational) and thermocyclic impact that satisfies the requirements for space instruments have been developed.

The grid microstructures are formed in a unified technological cycle with the production of ring-holders along the perimeter of the grid, with a square 20 × 20 μm2 section of the web and square cells with a size of 1 × 1 mm2. The transparency of each of the grids was more than 90 % for the normal incidence of light. Dimensions of holders and grid microstructures: internal diameters (34, 47, 60) ± 0.1 mm, external diameters of rings (42, 55, 68) ± 0.1 mm, respectively. The weight of one grid was less than 50 mg.

The test results demonstrated the operability of the developed grid microstructures with multiple thermocyclic actions from –50 to +150 °C and vibrational and static overloads specific for space flights. Instruments for plasma measurements in the near of the Earth and in the interplanetary space will comprise six sensors with different angular orientations. This will make it possible to detect ions of cosmic plasma in a solid angle of about 180°.

датчик потоков космической плазмыцилиндр Фарадеяпрецизионные чувствительные (селектирующие) элементычетырехсекторный коллекторширокоугловой приборsolar wind ion flux sensorFaraday cupprecisions sensitive (selective) elementsfour-sector collectorwide-angle deviceReferencesФундаментальные космические исследования: в 2 кн. Кн. 2. Солнечная система / под науч. ред. д-ра техн. наук, проф. Г. Г. Райкунова. – М. : Физматлит, 2014. – 456 с.Fundamental’nye kosmicheskie issledovaniya [Fundamental cosmic research]. In 2 books. Book 2. Solnechnaya sistema [Solar system]. Under the scientifi editorship of Dr. Sc., Prof. G.G. Raikunov. Мoscow, Fizmatlit Publ., 2014, 456 p. ISBN 978-5-9221-1559-9 (in Russian).Basics of the Solar Wind (CambridgeAtmospheric and Space Science Series). – Cambridge University Press, 2007. – 478 p.Basics of the Solar Wind (CambridgeAtmospheric and Space Science Series). Cambridge University Press, 2007, 478 p.Kasper, J.C. Solar wind ion and electron distribution functions and the transition from fluid to kinetic behavior / J.C. Kasper. – Harvard-Smithsonian center for astrophysics. GYPW01, Isaac Newton Institute, 2010. – 46 p.Kasper J.C. Solar wind ion and electron distribution functions and the transition from fl to kinetic behavior. Harvard-Smithsonian center for astrophysics. GYPW01, Isaac Newton Institute, 2010, 46 p.Shopov, Y. Cycles of the Solar Wind Flux at the Front of the Earth’s Magnetosphere / Y. Shopov, D. Stoykova // AIP Conf. Proc. – 2011. – Vol. 1356. – Р. 192. doi: 10.1063/1.3598105Shopov Y., Stoykova D. Cycles of the Solar Wind Flux at the Front of the Earth’s Magnetosphere. AIP Conf. Proc., 2011, vol. 1356, p. 192. doi: 10.1063/1.3598105Застенкер, Г.Н. Быстрые вариации величины и направления потока ионов солнечного ветра / Г.Н. Застенкер [и др.] // Космические исследования. – 2015. – Т. 53, № 1. – С. 63–74.Zastenker G.N., Khrapchenkov V.V., Koloskova I.V., Gavrilova E.A., Ryazanova E.E., Ryazanseva M.O., Gagua T.I., Gagua I.T., Shafrankova J., Nemechek Z., Prech L., Voita J. Rapid Variations of the Value and Direction of the Solar Wind Ion Flux. Cosmic Research, 2015, vol. 53, no. 1, pp. 59–69.Tariq, H.A.R. Variation of ion energy flux with increasing working gas pressures using Faraday cup in plasma focus device / H.A.R. Tariq, I.A.Khan, U. Ikhlaq, A. Hussnain // Journal of Natural Sciences and Mathematics. – 2008. – Vol. 48, no. 1 & 2. – Р. 65–72.Tariq H.A.R., Khan I.A., Ikhlaq U., Hussnain A. Variation of ion energy flux with increasing working gas pressures using Faraday cup in plasma focus device. Journal of Natural Sciences and Mathematics, 2008, vol. 48, no. 1 & 2, pp. 65–72.Vaverka, J. Calibration of Faraday Cups used on the Spectr-R Spacecraft for Monitoring the Solar Wind / J. Vaverka [et al.] // WDS’11 Proceedings of Contributed Papers. – Рart II. – 2011. – Р. 34–39.Vaverka J., Nĕmeček Z., Přech L., Šafránková J., Komárek A. Calibration of Faraday Cups used on the Spectr-R Spacecraft for Monitoring the Solar Wind. WDS’11 Proceedings of Contributed Papers, part II, 2011, pp. 34–39. ISBN 978-80-7378-185-9Brown, K.L. Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams / K.L. Brown, G.W. Tautfest // Review of Scientific Instruments. – 1956. – Vol. 27 (9). – Р. 696–702. doi: 10.1063/1.1715674Brown K.L., Tautfest G.W. Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams. Review of Scientific Instruments, 1956, vol. 27 (9), pp. 696–702. doi: 10.1063/1.1715674Смалюк, В.В. Диагностика пучков заряженных частиц в ускорителях / В.В. Смолюк; под ред. чл.-корр. РАН Н.С. Диканского. – Новосибирск : Параллель, 2009. – 294 с.Smalyuk V.V. Diagnostika puchkov zaryazhennykh chastits v uskoritelyakh [Diagnosis of charged particle beams in the accelerators] Under the scientifi editorship of member corr. RAS N.S. Dikanskii, Novosibirsk, Pararel’ Publ., 2009, 294 p (in Russian).Faraday cup for detecting plasma immersion-injection dose. Patent CN101615578 China, H01L21/265. Institute of microelectronics of Chinese academy of sciences. Patent Application no. CN20091304720. Priority date 23.07.2009. Date of publication 30.12.2009.Faraday cup for detecting plasma immersion-injection dose. Patent CN101615578 China, H01L21/265. Institute of microelectronics of Chinese academy of sciences. Patent Application no. CN20091304720. Priority date 23.07.2009. Date of publication 30.12.2009.Мухуров, Н.И. Особенности формирования прецизионных чувствительных элементов датчиков космической плазмы / Н.И. Мухуров, И.В. Гасенкова, И.М. Андрухович // Нано- и микросистемная техника. – 2015. – № 1. – С. 48–56.Mukhurov N.I., Gasenkova I.V.,Andruhovich I.M. Specific Features of Formation of Precision Sensitive Elements for the Space Plasma Sensors. Journal of Nano and Microsystem Technique, 2015, no. 1, pp. 54–56.Сайт Совета РАН по космосу [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://stp.cosmos.ru. – Дата доступа: 05.06.2017.Sait Soveta RAN po kosmosu [Website of RAS Council on Space]. Available at: http://stp.cosmos.ru. (accessed 05.06.2017).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.