eng
Выпуск #8/2017
А.С.Борейшо, И.А.Киселев, М.К.Рабчинский, А.В.Чугреев, И.В.Чурило
Научная аппаратура для исследования дисперсных систем в условиях микрогравитации
Научная аппаратура для исследования дисперсных систем в условиях микрогравитации
Просмотры: 3935
Рассмотрены конструктивные особенности и технические характеристики научной аппаратуры "Дисперсия", предназначенной для проведения космических экспериментов по изучению поведения жидкофазных дисперсных систем в условиях микрогравитации на борту российского сегмента международной космической станции (РС МКС). Научная аппаратура позволяет изучать процессы коллоидной кластеризации, агрегации частиц дисперсной фазы, а также фазового (спинодального) распада в системах полимер–растворитель при нагреве, воздействии вибрации и внешних электрического и магнитного полей методом статического рассеяния света и с использованием микросъемки.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.18.26
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.68.8.18.26
Теги: colloidal systems microgravity spacecraft instruments static light scattering коллоидные системы космическая научная аппаратура микрогравитация статическое рассеяние света
ВВЕДЕНИЕ
Дисперсные системы на сегодняшний день являются предметом активных научных исследований. Это связано с большим количеством уникальных эффектов, проявляющихся в таких системах, и обширным спектром их практических применений [1,2]. Коллоидные суспензии активно используются в сфере биомедицинских применений при разработке новых методов контролируемой доставки лекарств и выращивания тканей [3], а также для формирования новых структур для оптоэлектронных устройств, таких как фотонные кристаллы [4]. Кроме того, суспензии монодисперсных частиц выступают в качестве модельных систем для исследования свойств кристаллических структур, поскольку при определенных условиях частицы дисперсной фазы могут с хорошей степенью точности рассматриваться в качестве отдельных атомов моделируемой среды [5].
В земных условиях коллоидные суспензии подвержены влиянию силы тяжести, что приводит к седиментации частиц дисперсной фазы, расслоению суспензий. Это значительно затрудняет исследование физико-химических процессов, протекающих в дисперсных системах. Кроме того, седиментация частиц также ограничивает возможности создания однородных коллоидных систем на основе частиц разного размера и делает невозможным формирование коллоидных структур на основе крупных частиц дисперсной фазы в ходе фазовых переходов, таких как фазовый переход золь-гель. В то же время в условиях микрогравитации влияние силы тяжести оказывается пренебрежимо мало, и силы, участвующие в процессах взаимодействия частиц дисперсной фазы, выходят на первый план. Эксперименты, проводимые в условиях микрогравитации, позволяют непосредственно изучать механизмы, лежащие в основе этих процессов. Отсутствие процессов седиментации также позволяет получать дисперсные системы с очень крупными размерами частиц и активно управлять их структурными параметрами путем использования слабых внешних электрического и магнитного полей. Кроме того, в условиях микрогравитации появляется возможность создания и исследований дисперсных сред не только в жидкой дисперсионной среде, но и в газах или вакууме, в частности кулоновских кластеров [6] и плазменных кристаллов [7].
На сегодняшний день уже проведен ряд космических экспериментов (КЭ) по исследованию дисперсных систем в условиях микрогравитации с использованием уникальной научной аппаратуры (НА) [8–11]. Полученные научные результаты продемонстрировали перспективность таких исследований и необходимость продолжения экспериментов в данном направлении. В частности ожидается появление новых результатов в экспериментах с использованием новой НА, сочетающей в себе различные методы анализа коллоидных систем и наличие внешних воздействий, например нагрев или вибрация.
В данной работе рассматриваются основные конструктивные особенности НА, разрабатываемой "НПП "Лазерные системы" совместно с РКК "Энергия", для проведения космического научного эксперимента "Дисперсия", постановщиком которого является Московский авиационный институт, на борту российского сегмента международной космической станции (РС МКС).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
При исследованиях коллоидных систем используют методы оптической микроскопии, статического и динамического рассеяния света, а также методы на основе дифракции Брэгга. Выбор конкретных методов, реализуемых в том или ином приборе, определяется как особенностями суспензий, в частности концентрацией, типом и средним размером частиц дисперсной фазы, так и конструктивной возможностью совместной реализации различных методик при заданных массогабаритных ограничениях научной аппаратуры.
В НА "Дисперсия" реализованы два метода исследования коллоидных систем: получение видео- и фотоизображений с высоким разрешением и регистрация картины статического рассеяния света в широком диапазоне углов.
Анализ видеоданных является одним из наиболее распространенных методов, который при своей простоте позволяет регистрировать изменения в состоянии коллоидных систем, в частности переход от гомогенной суспензии с однородным объемным распределением частиц к коллоидному кристаллу, массиву агрегатов или фрактальному гелю [12]. Получаемые изображения позволяют оценить скорость протекания таких процессов, а также определить тип и общие особенности образующихся структур. При этом требуется использование камеры с высоким оптическим разрешением и малым временем экспозиции, поскольку размер структур, образующихся в коллоидных суспензиях, лежит в диапазоне единиц или десятков микрометров, а характерные времена их формирования, особенно на начальных этапах эксперимента, могут быть порядка сотен микросекунд. Кроме того, для получения полной картины эксперимента необходимо обеспечить одновременную возможность получения как видеоизображений, так и микрофотографий в установленные моменты времени с максимальным разрешением. Такие требования накладывают ограничения на выбор камеры и формат передачи данных.
Метод статического рассеяния света основан на измерении углового распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения после его прохождения через исследуемый образец. Анализируя особенности структуры индикатрисы рассеяния, а также отношение интенсивности рассеянного излучения к интенсивности его нерассеянной доли, можно получить данные о концентрации частиц и протекании фазовых переходов.
При достаточно малой концентрации анализируемых суспензий (менее 0,01 об.%) выполняется условие однократного рассеяния света. Это позволяет воспользоваться теорией рассеяния Ми или Фраунгофера [13] для расчета размеров частиц. Для монодисперсных суспензий индикатриса рассеяния имеет характерную структуру (рис.1, кривые 1 и 2), которая определяется размером частиц. Для полидисперсных образцов структура индикатрисы сглаживается (рис.1, кривая 3), и, чтобы получить функцию распределения частиц по размерам, требуется использовать дополнительные алгоритмы.
СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследование коллоидных суспензий методом статического рассеяния света требует использования достаточно сложной оптической системы, позволяющей регистрировать интенсивность рассеянного излучения в большом динамическом диапазоне и максимально широкой области углов рассеяния. Оптическая схема для исследования коллоидных суспензий на основе метода статического рассеяния света, а также получения видео- и фотоизображений, реализованная в НА "Дисперсия", представлена на рис.2.
Источниками зондирующего излучения являются три диодных лазера, два из которых, с длинами волн λ = 445 нм и λ = 660 нм, объединены в первый блок излучателей и направлены на кювету с образцом под небольшим углом, чтобы избежать обратного отражения. Излучение лазеров доставляется по одномодовому оптоволокну, которое одновременно служит пространственным фильтром и обеспечивает качество луча, близкое к гауссову.
Луч третьего лазера (λ = 445 нм) направлен под углом 37° относительно оси хода лучей первых двух лазеров, что позволяет увеличить диапазон углов регистрации рассеянного излучения. Это обеспечивает возможность получить более корректные результаты измерений, так как предел погрешности результатов обработки измерений во многом определяется величиной сектора углов рассеяния. Диапазон углов, в котором регистрируется рассеянное излучение, представлен на рис.1.
После прохождения через кювету часть зондирующего излучения рассеивается и регистрируется матрицами фотоприемного устройства (поз.9), а оставшаяся часть попадает на фотодиод (поз.11), регистрирующий интенсивность нерассеянного излучения. Соотношение интенсивности излучения до и после рассеяния при известном размере частиц позволяет определить концентрацию суспензии.
Схема измерения основана на использовании принципа обратной оптики Фурье, при котором на образец падает сходящийся пучок излучения, формируемый собирающими линзами (поз.6,7). За счет этого излучение, рассеянное под одинаковыми углами разными частицами, собирается в одной точке фотоприемного устройства (ФПУ), вне зависимости от их пространственного расположения в экспериментальной кювете.
Одним из наиболее важных элементов схемы измерения является фотоприемное устройство, обеспечивающее регистрацию картины рассеяния излучения в требуемом диапазоне углов с высоким разрешением. ФПУ НА "Дисперсия" реализовано на основе восьми фотоприемных матриц (см. рис.2). В качестве детекторов используются КМОП матрицы серийного производства с размером пиксела 5,86 мкм и разрешением 1920 Ч 1200, что позволяет получить высокое угловое разрешение измеряемой картины рассеяния. Использование таких матриц дает дополнительное преимущество – возможность использования процедуры аппаратного биннинга различной кратности, обеспечивающей увеличение чувствительности в результате суммирования зарядов с соседних пикселей.
Поскольку для частиц малых размеров (до 1 мкм) интенсивность рассеянного излучения мала, а картина рассеяния может регистрироваться с малым пространственным разрешением (рис.1, кривая 1), то в данном случае нужно задавать биннинг большой кратности, что повышает соотношение сигнал/шум и позволяет расширить динамический диапазон матриц. Напротив, в случае частиц с большими размерами (10 мкм и более) интенсивность рассеянного излучения намного выше и приходится на малый пространственный угол вблизи оптической оси. При этом требуется высокое угловое разрешение для того, чтобы зарегистрировать все характерные особенности пространственной картины рассеяния. Кроме того, регулировка биннинга матриц на аппаратном уровне позволяет оптимизировать потоки данных.
Матрицы ФПУ подключаются к управляющему компьютеру по интерфейсу RS‑485 с использованием платы расширения, которая позволяет параллельно получать восемь потоков данных при низких кадровых скоростях и с большой экспозицией. При использовании минимального биннига и частоте от 2 кадров в секунду скорость битового потока с каждого ФПУ будет находиться в пределах до 8 Мбит/с. Именно по этой причине допустимо использование низкоскоростного помехоустойчивого простого в аппаратной реализации интерфейса передачи данных RS‑485. Управление всеми восемью ФПУ осуществляется по общему управляющему каналу, также организованному посредством интерфейса обмена RS‑485.
Для получения цветных видео- и фотоизображений исследуемых систем в НА "Дисперсия" используется видеокамера с интерфейсом GigE Vision. Для передачи видеопотока используется сжатие без потерь кодером JPEG-LS. Управление видеокамерой и передача сжатого потока видеоданных происходит посредством протокола UDP (user datagram protocol). Скорость битового потока с камеры при разрешении 1920 Ч 1200 и частоте 25 кадров в секунду находится в диапазоне от 265 до 890 Мбит/с в зависимости от информационного наполнения.
КОМПОНОВКА НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ "ДИСПЕРСИЯ"
Общий вид НА "Дисперсия" без верхней панели и боковых стенок представлен на рис.3. Все узлы аппаратуры смонтированы на платформе, которая является несущим элементом, обеспечивающим необходимую жесткость конструкции. В верхнем отсеке располагаются элементы измерительной схемы, а также блок виброопоры (рис.4), который предназначен для размещения в нем исследовательской кюветы и блоков внешних воздействий. В нижнем отсеке размещены компоненты системы управления и сбора данных – управляющий компьютер, модули питания и управления. Конструкция НА должна обеспечивать устойчивость к жестким условиям транспортирования на орбиту, в первую очередь вибрациям. Поэтому платформа с размещенным на ней оборудованием закрепляется внутри корпуса с помощью виброизолирующих опор.
Необходимость создания в кювете электрического и магнитного полей, нагрева исследуемой жидкости, а также использование оптических методов исследования накладывает ряд требований к материалам стенок кюветы и конструктивным особенностям. Общий вид исследовательской кюветы и блоков формирования внешних воздействий представлен на рис.4. Окна кюветы выполнены из органического стекла, а остальные элементы конструкции из полиамида. Для экспериментов, в которых предусматривается нагрев жидкости, используются кюветы с дюралевой центральной частью, обеспечивающей передачу тепла от нагревательного элемента через стенку кюветы.
Создание в кювете электрического поля обеспечивается блоком, представляющим собой две плоские обкладки, расположенные сверху и снизу кюветы (рис.4, поз.3), на которые подается напряжение. Магнитное поле создается катушками индуктивности, размещенными по обе стороны кюветы (рис.4, поз.4). Нагрев производится с помощью омических нагревательных элементов (рис.4, поз.5). Вибрационное воздействие на кювету оказывают с помощью вибродвигателя (рис.4, поз.7), представляющего собой соленоид, который обеспечивает качающее движение виброопоры вокруг осей, закрепленных в экране (рис.4, поз.6).
Система управления и сбора данных (СУСД) НА "Дисперсия" представляет собой комплекс специализированных аппаратных и программных средств, предназначенных для обеспечения питанием и управления функциональными узлами согласно циклограмме, а также сбора и хранения данных экспериментов. СУСД НА "Дисперсия" имеет двухуровневую архитектуру. Нижний уровень СУСД представлен силовым модулем управления, который обеспечивает контроль параметров процессов научного эксперимента и непосредственное управление исполнительными устройствами. Модуль управления верхнего уровня СУСД представляет собой высокопроизводительный одноплатный компьютер, предназначенный для управления блоком излучателей, фотоприемными устройствами сбора данных, отработки циклограммы и накопления данных во время эксперимента. Для отображения графического интерфейса программного обеспечения СУСД и обеспечения ввода данных для управления используется сенсорный монитор с размером экрана 6,5".
ВЫВОДЫ
Научная аппаратура "Дисперсия" предназначена для оптических исследований различных коллоидных суспензий в условиях микрогравитации при приложении внешних воздействий: слабого электрического или магнитного полей, при вибрации и нагреве. Научная аппаратура позволяет исследовать процессы коллоидной кристаллизации, полимеризации, спинодального распада, а также агрегации и агломерации частиц дисперсной фазы в различных суспензиях, изучать зависимость хода процессов от внешних воздействий с использованием оптических методов, в частности статического рассеяния света и получения видео- и фотоизображений. Предложенная конструкция аппаратуры обеспечивает устойчивость к внешним воздействующим факторам при выведении на орбиту и последующую бесперебойную работу на МКС.
ЛИТЕРАТУРА
1. R.Lуpez-Esparza, M.A.B. Altamirano, E.Pйrez, A.G.Goicochea. Importance of Molecular Interactions in Colloidal Dispersions.– Advances in Condensed Matter Physics, 2015, Article ID683716, 8 pages.
2. P.N.Pusey, W.van Megen, S.M.Underwood, P.Bartlett, R.H.Ottewilla. Colloidal fluids, crystals and glasses.– J.Phys.: Condens. Matter, 1990, v.2, p.373–377.
3. T.Garg, G.Rath, A.K.Goyal. Colloidal Drug Delivery Systems: Current Status and Future Directions.– Crit. Rev. Ther. Drug. Carrier Syst., 2015, v.32, p.89–147.
4. D.J.Norris. Photonic Crystals: A View of the Future.– Nat. Mat., 2007, v.6, p.177–178.
5. S.Suresh. Crystal Deformation: Colloid Model for Atoms.– Nat. Mat., 2006, v.5, p.253–254.
6. С.Ф.Савин, Л.Г.Дьячков, М.И.Мясников, О.Ф.Петров, М.М.Васильев, В.Е.Фортов, А.Ю.Калери, А.И.Борисенко, Г.Е.Морфилл. Кулоновский ансамбль заряженных диамагнитных макрочастиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации.– Письма в ЖЭТФ, 2011, v.94, p.548–552.
7. N.M.Rubtsov, B.S.Seplyarskii, V.I.Chernysh, G.I.Tsvetkov, Yu.A.Gordopolov, V.E.Fortov. Formation of liquid and solid dusty crystals in gas-phase combustion reactions.– Europhysics Letters, v. 97, p.12012.
8. Z.Cheng, J.Zhu, W.B.Russel, W.V.Meyer, P.M.Chaikin. Colloidal Hard-Sphere Crystallization Kinetics in Microgravity and Normal Gravity.– Appl. Opt., 2001, v.40, p.4146–4151.
9. J.Zhu, M.Li, R.Rogers, W.Meyer, R.H.Ottewill (STS‑73 Space Shuttle Crew), W.B.Russel, P.M.Chaikin. Crystallization of Hard-Sphere Colloids in Microgravity.– Nature, 1997, v.387, p.883–885.
10. T.Okubo, A.Tsuchida. Microgravity Effects on Thermodynamic and Kinetic Properties of Colloidal Dispersions.– Ann. N.Y.Acad. Sci., 2002, v.974, p.164–175.
11. S.Manley, L.Cipelletti, V.Trappe, A.E.Bailey, R.J.Christianson, U.Gasser, V.Prasad, P.N.Segre, M.P.Doherty et al. Limits to Gelation in Colloidal Aggregation.– Phys. Rev. Let., 2004, v.93, p.108302-1-108302-4.
12. D.A.Weitz, A.E.Bailey, S.Manley, V.Prasad, R.J.Christianson, S.Sankaran, M.P.Doherty, A.L.Jankovsky, T.Lorik, W.L.Shiley, J.P.Bowen, C.E.Kurta, J.C.Eggers, U.Gasser, P.N.Segre, L.Cipelletti, A.B.Schofield, P.N.Pusey. Results From the Physics of Colloids Experiment on ISS.– NASA Technical Publication, 2002.
13. ISO 13320: Edition 2009/10: Particle size analysis – Laser diffraction methods.
Дисперсные системы на сегодняшний день являются предметом активных научных исследований. Это связано с большим количеством уникальных эффектов, проявляющихся в таких системах, и обширным спектром их практических применений [1,2]. Коллоидные суспензии активно используются в сфере биомедицинских применений при разработке новых методов контролируемой доставки лекарств и выращивания тканей [3], а также для формирования новых структур для оптоэлектронных устройств, таких как фотонные кристаллы [4]. Кроме того, суспензии монодисперсных частиц выступают в качестве модельных систем для исследования свойств кристаллических структур, поскольку при определенных условиях частицы дисперсной фазы могут с хорошей степенью точности рассматриваться в качестве отдельных атомов моделируемой среды [5].
В земных условиях коллоидные суспензии подвержены влиянию силы тяжести, что приводит к седиментации частиц дисперсной фазы, расслоению суспензий. Это значительно затрудняет исследование физико-химических процессов, протекающих в дисперсных системах. Кроме того, седиментация частиц также ограничивает возможности создания однородных коллоидных систем на основе частиц разного размера и делает невозможным формирование коллоидных структур на основе крупных частиц дисперсной фазы в ходе фазовых переходов, таких как фазовый переход золь-гель. В то же время в условиях микрогравитации влияние силы тяжести оказывается пренебрежимо мало, и силы, участвующие в процессах взаимодействия частиц дисперсной фазы, выходят на первый план. Эксперименты, проводимые в условиях микрогравитации, позволяют непосредственно изучать механизмы, лежащие в основе этих процессов. Отсутствие процессов седиментации также позволяет получать дисперсные системы с очень крупными размерами частиц и активно управлять их структурными параметрами путем использования слабых внешних электрического и магнитного полей. Кроме того, в условиях микрогравитации появляется возможность создания и исследований дисперсных сред не только в жидкой дисперсионной среде, но и в газах или вакууме, в частности кулоновских кластеров [6] и плазменных кристаллов [7].
На сегодняшний день уже проведен ряд космических экспериментов (КЭ) по исследованию дисперсных систем в условиях микрогравитации с использованием уникальной научной аппаратуры (НА) [8–11]. Полученные научные результаты продемонстрировали перспективность таких исследований и необходимость продолжения экспериментов в данном направлении. В частности ожидается появление новых результатов в экспериментах с использованием новой НА, сочетающей в себе различные методы анализа коллоидных систем и наличие внешних воздействий, например нагрев или вибрация.
В данной работе рассматриваются основные конструктивные особенности НА, разрабатываемой "НПП "Лазерные системы" совместно с РКК "Энергия", для проведения космического научного эксперимента "Дисперсия", постановщиком которого является Московский авиационный институт, на борту российского сегмента международной космической станции (РС МКС).
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ
При исследованиях коллоидных систем используют методы оптической микроскопии, статического и динамического рассеяния света, а также методы на основе дифракции Брэгга. Выбор конкретных методов, реализуемых в том или ином приборе, определяется как особенностями суспензий, в частности концентрацией, типом и средним размером частиц дисперсной фазы, так и конструктивной возможностью совместной реализации различных методик при заданных массогабаритных ограничениях научной аппаратуры.
В НА "Дисперсия" реализованы два метода исследования коллоидных систем: получение видео- и фотоизображений с высоким разрешением и регистрация картины статического рассеяния света в широком диапазоне углов.
Анализ видеоданных является одним из наиболее распространенных методов, который при своей простоте позволяет регистрировать изменения в состоянии коллоидных систем, в частности переход от гомогенной суспензии с однородным объемным распределением частиц к коллоидному кристаллу, массиву агрегатов или фрактальному гелю [12]. Получаемые изображения позволяют оценить скорость протекания таких процессов, а также определить тип и общие особенности образующихся структур. При этом требуется использование камеры с высоким оптическим разрешением и малым временем экспозиции, поскольку размер структур, образующихся в коллоидных суспензиях, лежит в диапазоне единиц или десятков микрометров, а характерные времена их формирования, особенно на начальных этапах эксперимента, могут быть порядка сотен микросекунд. Кроме того, для получения полной картины эксперимента необходимо обеспечить одновременную возможность получения как видеоизображений, так и микрофотографий в установленные моменты времени с максимальным разрешением. Такие требования накладывают ограничения на выбор камеры и формат передачи данных.
Метод статического рассеяния света основан на измерении углового распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения после его прохождения через исследуемый образец. Анализируя особенности структуры индикатрисы рассеяния, а также отношение интенсивности рассеянного излучения к интенсивности его нерассеянной доли, можно получить данные о концентрации частиц и протекании фазовых переходов.
При достаточно малой концентрации анализируемых суспензий (менее 0,01 об.%) выполняется условие однократного рассеяния света. Это позволяет воспользоваться теорией рассеяния Ми или Фраунгофера [13] для расчета размеров частиц. Для монодисперсных суспензий индикатриса рассеяния имеет характерную структуру (рис.1, кривые 1 и 2), которая определяется размером частиц. Для полидисперсных образцов структура индикатрисы сглаживается (рис.1, кривая 3), и, чтобы получить функцию распределения частиц по размерам, требуется использовать дополнительные алгоритмы.
СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ
Исследование коллоидных суспензий методом статического рассеяния света требует использования достаточно сложной оптической системы, позволяющей регистрировать интенсивность рассеянного излучения в большом динамическом диапазоне и максимально широкой области углов рассеяния. Оптическая схема для исследования коллоидных суспензий на основе метода статического рассеяния света, а также получения видео- и фотоизображений, реализованная в НА "Дисперсия", представлена на рис.2.
Источниками зондирующего излучения являются три диодных лазера, два из которых, с длинами волн λ = 445 нм и λ = 660 нм, объединены в первый блок излучателей и направлены на кювету с образцом под небольшим углом, чтобы избежать обратного отражения. Излучение лазеров доставляется по одномодовому оптоволокну, которое одновременно служит пространственным фильтром и обеспечивает качество луча, близкое к гауссову.
Луч третьего лазера (λ = 445 нм) направлен под углом 37° относительно оси хода лучей первых двух лазеров, что позволяет увеличить диапазон углов регистрации рассеянного излучения. Это обеспечивает возможность получить более корректные результаты измерений, так как предел погрешности результатов обработки измерений во многом определяется величиной сектора углов рассеяния. Диапазон углов, в котором регистрируется рассеянное излучение, представлен на рис.1.
После прохождения через кювету часть зондирующего излучения рассеивается и регистрируется матрицами фотоприемного устройства (поз.9), а оставшаяся часть попадает на фотодиод (поз.11), регистрирующий интенсивность нерассеянного излучения. Соотношение интенсивности излучения до и после рассеяния при известном размере частиц позволяет определить концентрацию суспензии.
Схема измерения основана на использовании принципа обратной оптики Фурье, при котором на образец падает сходящийся пучок излучения, формируемый собирающими линзами (поз.6,7). За счет этого излучение, рассеянное под одинаковыми углами разными частицами, собирается в одной точке фотоприемного устройства (ФПУ), вне зависимости от их пространственного расположения в экспериментальной кювете.
Одним из наиболее важных элементов схемы измерения является фотоприемное устройство, обеспечивающее регистрацию картины рассеяния излучения в требуемом диапазоне углов с высоким разрешением. ФПУ НА "Дисперсия" реализовано на основе восьми фотоприемных матриц (см. рис.2). В качестве детекторов используются КМОП матрицы серийного производства с размером пиксела 5,86 мкм и разрешением 1920 Ч 1200, что позволяет получить высокое угловое разрешение измеряемой картины рассеяния. Использование таких матриц дает дополнительное преимущество – возможность использования процедуры аппаратного биннинга различной кратности, обеспечивающей увеличение чувствительности в результате суммирования зарядов с соседних пикселей.
Поскольку для частиц малых размеров (до 1 мкм) интенсивность рассеянного излучения мала, а картина рассеяния может регистрироваться с малым пространственным разрешением (рис.1, кривая 1), то в данном случае нужно задавать биннинг большой кратности, что повышает соотношение сигнал/шум и позволяет расширить динамический диапазон матриц. Напротив, в случае частиц с большими размерами (10 мкм и более) интенсивность рассеянного излучения намного выше и приходится на малый пространственный угол вблизи оптической оси. При этом требуется высокое угловое разрешение для того, чтобы зарегистрировать все характерные особенности пространственной картины рассеяния. Кроме того, регулировка биннинга матриц на аппаратном уровне позволяет оптимизировать потоки данных.
Матрицы ФПУ подключаются к управляющему компьютеру по интерфейсу RS‑485 с использованием платы расширения, которая позволяет параллельно получать восемь потоков данных при низких кадровых скоростях и с большой экспозицией. При использовании минимального биннига и частоте от 2 кадров в секунду скорость битового потока с каждого ФПУ будет находиться в пределах до 8 Мбит/с. Именно по этой причине допустимо использование низкоскоростного помехоустойчивого простого в аппаратной реализации интерфейса передачи данных RS‑485. Управление всеми восемью ФПУ осуществляется по общему управляющему каналу, также организованному посредством интерфейса обмена RS‑485.
Для получения цветных видео- и фотоизображений исследуемых систем в НА "Дисперсия" используется видеокамера с интерфейсом GigE Vision. Для передачи видеопотока используется сжатие без потерь кодером JPEG-LS. Управление видеокамерой и передача сжатого потока видеоданных происходит посредством протокола UDP (user datagram protocol). Скорость битового потока с камеры при разрешении 1920 Ч 1200 и частоте 25 кадров в секунду находится в диапазоне от 265 до 890 Мбит/с в зависимости от информационного наполнения.
КОМПОНОВКА НАУЧНОЙ АППАРАТУРЫ "ДИСПЕРСИЯ"
Общий вид НА "Дисперсия" без верхней панели и боковых стенок представлен на рис.3. Все узлы аппаратуры смонтированы на платформе, которая является несущим элементом, обеспечивающим необходимую жесткость конструкции. В верхнем отсеке располагаются элементы измерительной схемы, а также блок виброопоры (рис.4), который предназначен для размещения в нем исследовательской кюветы и блоков внешних воздействий. В нижнем отсеке размещены компоненты системы управления и сбора данных – управляющий компьютер, модули питания и управления. Конструкция НА должна обеспечивать устойчивость к жестким условиям транспортирования на орбиту, в первую очередь вибрациям. Поэтому платформа с размещенным на ней оборудованием закрепляется внутри корпуса с помощью виброизолирующих опор.
Необходимость создания в кювете электрического и магнитного полей, нагрева исследуемой жидкости, а также использование оптических методов исследования накладывает ряд требований к материалам стенок кюветы и конструктивным особенностям. Общий вид исследовательской кюветы и блоков формирования внешних воздействий представлен на рис.4. Окна кюветы выполнены из органического стекла, а остальные элементы конструкции из полиамида. Для экспериментов, в которых предусматривается нагрев жидкости, используются кюветы с дюралевой центральной частью, обеспечивающей передачу тепла от нагревательного элемента через стенку кюветы.
Создание в кювете электрического поля обеспечивается блоком, представляющим собой две плоские обкладки, расположенные сверху и снизу кюветы (рис.4, поз.3), на которые подается напряжение. Магнитное поле создается катушками индуктивности, размещенными по обе стороны кюветы (рис.4, поз.4). Нагрев производится с помощью омических нагревательных элементов (рис.4, поз.5). Вибрационное воздействие на кювету оказывают с помощью вибродвигателя (рис.4, поз.7), представляющего собой соленоид, который обеспечивает качающее движение виброопоры вокруг осей, закрепленных в экране (рис.4, поз.6).
Система управления и сбора данных (СУСД) НА "Дисперсия" представляет собой комплекс специализированных аппаратных и программных средств, предназначенных для обеспечения питанием и управления функциональными узлами согласно циклограмме, а также сбора и хранения данных экспериментов. СУСД НА "Дисперсия" имеет двухуровневую архитектуру. Нижний уровень СУСД представлен силовым модулем управления, который обеспечивает контроль параметров процессов научного эксперимента и непосредственное управление исполнительными устройствами. Модуль управления верхнего уровня СУСД представляет собой высокопроизводительный одноплатный компьютер, предназначенный для управления блоком излучателей, фотоприемными устройствами сбора данных, отработки циклограммы и накопления данных во время эксперимента. Для отображения графического интерфейса программного обеспечения СУСД и обеспечения ввода данных для управления используется сенсорный монитор с размером экрана 6,5".
ВЫВОДЫ
Научная аппаратура "Дисперсия" предназначена для оптических исследований различных коллоидных суспензий в условиях микрогравитации при приложении внешних воздействий: слабого электрического или магнитного полей, при вибрации и нагреве. Научная аппаратура позволяет исследовать процессы коллоидной кристаллизации, полимеризации, спинодального распада, а также агрегации и агломерации частиц дисперсной фазы в различных суспензиях, изучать зависимость хода процессов от внешних воздействий с использованием оптических методов, в частности статического рассеяния света и получения видео- и фотоизображений. Предложенная конструкция аппаратуры обеспечивает устойчивость к внешним воздействующим факторам при выведении на орбиту и последующую бесперебойную работу на МКС.
ЛИТЕРАТУРА
1. R.Lуpez-Esparza, M.A.B. Altamirano, E.Pйrez, A.G.Goicochea. Importance of Molecular Interactions in Colloidal Dispersions.– Advances in Condensed Matter Physics, 2015, Article ID683716, 8 pages.
2. P.N.Pusey, W.van Megen, S.M.Underwood, P.Bartlett, R.H.Ottewilla. Colloidal fluids, crystals and glasses.– J.Phys.: Condens. Matter, 1990, v.2, p.373–377.
3. T.Garg, G.Rath, A.K.Goyal. Colloidal Drug Delivery Systems: Current Status and Future Directions.– Crit. Rev. Ther. Drug. Carrier Syst., 2015, v.32, p.89–147.
4. D.J.Norris. Photonic Crystals: A View of the Future.– Nat. Mat., 2007, v.6, p.177–178.
5. S.Suresh. Crystal Deformation: Colloid Model for Atoms.– Nat. Mat., 2006, v.5, p.253–254.
6. С.Ф.Савин, Л.Г.Дьячков, М.И.Мясников, О.Ф.Петров, М.М.Васильев, В.Е.Фортов, А.Ю.Калери, А.И.Борисенко, Г.Е.Морфилл. Кулоновский ансамбль заряженных диамагнитных макрочастиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации.– Письма в ЖЭТФ, 2011, v.94, p.548–552.
7. N.M.Rubtsov, B.S.Seplyarskii, V.I.Chernysh, G.I.Tsvetkov, Yu.A.Gordopolov, V.E.Fortov. Formation of liquid and solid dusty crystals in gas-phase combustion reactions.– Europhysics Letters, v. 97, p.12012.
8. Z.Cheng, J.Zhu, W.B.Russel, W.V.Meyer, P.M.Chaikin. Colloidal Hard-Sphere Crystallization Kinetics in Microgravity and Normal Gravity.– Appl. Opt., 2001, v.40, p.4146–4151.
9. J.Zhu, M.Li, R.Rogers, W.Meyer, R.H.Ottewill (STS‑73 Space Shuttle Crew), W.B.Russel, P.M.Chaikin. Crystallization of Hard-Sphere Colloids in Microgravity.– Nature, 1997, v.387, p.883–885.
10. T.Okubo, A.Tsuchida. Microgravity Effects on Thermodynamic and Kinetic Properties of Colloidal Dispersions.– Ann. N.Y.Acad. Sci., 2002, v.974, p.164–175.
11. S.Manley, L.Cipelletti, V.Trappe, A.E.Bailey, R.J.Christianson, U.Gasser, V.Prasad, P.N.Segre, M.P.Doherty et al. Limits to Gelation in Colloidal Aggregation.– Phys. Rev. Let., 2004, v.93, p.108302-1-108302-4.
12. D.A.Weitz, A.E.Bailey, S.Manley, V.Prasad, R.J.Christianson, S.Sankaran, M.P.Doherty, A.L.Jankovsky, T.Lorik, W.L.Shiley, J.P.Bowen, C.E.Kurta, J.C.Eggers, U.Gasser, P.N.Segre, L.Cipelletti, A.B.Schofield, P.N.Pusey. Results From the Physics of Colloids Experiment on ISS.– NASA Technical Publication, 2002.
13. ISO 13320: Edition 2009/10: Particle size analysis – Laser diffraction methods.
Отзывы читателей
