ПРОБООТБОРНИК ДЛЯ ЧАСТИЦ БИОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В КОСМОСЕ Российский патент 2002 года по МПК G01N1/22 C12M1/00 C12R1/91 

Техническое решение относится к астробиологии и может быть использовано при исследованиях в области биологии, к микробиологическим исследованиям, а именно к способам улавливания биологических частиц из потока частиц разной природы в условиях космоса с целью дальнейшего исследования пробы на наличие белковых молекул, микроорганизмов и вирусов.

Проблема пробоотбора частиц биогенного происхождения с помощью космических аппаратов усложняется необходимостью плавного торможения этих частиц с целью сохранения их жизнеспособности. Соударение частиц с жесткой стенкой недопустимо, так как это может привести к полному или частичному разрушению частиц.

Перечисленные задачи могут быть решены с помощью ускорителей нейтральных частиц (авт. св. СССР 625559, МКИ Н 05 Н 7/00, опубл. 1974; авт. св. СССР 879675, МКИ Н 05 Н 7/00, опубл. 1981 г.; авт. св. СССР 417783, МКИ Н 05 Н 7/00, опубл. 1987 г.), работающих в режиме торможения. Такой режим работы ускорителя позволит уменьшить кинетическую энергию налетающей частицы до энергии, близкой к тепловой. Ускоритель нейтральных частиц может быть реализован на основе последовательно установленных резонаторов, в которых возбуждается стоячая электромагнитная волна.

Недостатком данных устройств является низкая их производительность вследствие малого поперечного сечения захвата пробоотборного устройства, а также их неприспособленность для работы с биологическими частицами.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для отбора биологических проб из потока частиц, включающее прямоугольный корпус с соосно расположенными коллекторами, между которыми последовательно установлены пробоотборная камера и резонатор, соединенный с высокочастотным генератором. При необходимости устройство может содержать несколько последовательно подключенных резонаторов. При пропускании части потока частиц через пробоотборную камеру в ней формируют электромагнитное поле, которое воздействует на поток частиц с последующим их осаждением в этой камере (патент РФ 2105815, МПК⁷ С 12 Q 1/00, опубл. 1998 г.).

Недостатком данного устройства-прототипа, как и вышеприведенных аналогов, является низкая его производительность вследствие малого поперечного сечения захвата потока частиц пробоотборного устройства, обусловленного использованием резонаторов с распределенными параметрами, отсутствием преципитаторов, обеспечивающих удержание отобранных частиц и сохранение их биологической активности. Отсутствие датчиков и системы телеметрии потока захваченных частиц не позволяет контролировать процесс отбора и получение информации о поступающих в устройство частицах.

Задачей изобретения является создание такого устройства для отбора биологических проб из потока частиц, который позволил бы осуществлять с более высокой производительностью селективный отбор биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности в условиях космоса, обеспечил бы длительное (около 1 года) удержание частиц на коллекторе и обеспечивал бы возможность регистрации захваченных частиц в реальном масштабе времени системой телеметрии.

Указанная задача решается тем, что в пробоотборнике для частиц биогенного происхождения в космосе, включающем прямоугольный корпус с соосно расположенными коллекторами, между которыми последовательно установлены пробоотборная камера и резонатор, соединенный с высокочастотным генератором, согласно изобретению, резонатор выполнен в виде соленоида (катушки индуктивности) и конденсатора, размещенного внутри соленоида, причем пластины конденсатора расположены параллельно оси симметрии соленоида; соленоид и конденсатор соединены между собой параллельно, а вывод высокочастотного генератора подключен к части витков соленоида.

Коллекторы выполнены сменными и снабжены проволочными преципитаторами, соединенными с высоковольтным источником питания и системой телеметрии.

Пробоотборник дополнительно снабжен электронными пушками, установленными внутри соленоида и соединенными с высоковольтным источником питания.

Решение предлагаемой задачи обеспечивается тем, что пробоотборная камера вместо резонатора с распределенными параметрами заменяется на резонатор с сосредоточенными параметрами, т. е. емкостью и индуктивностью, обеспечивающих конструктивно увеличение диаметра канала (сечения захвата частиц) пробоотборного устройства. Производительность пробоотбора увеличивается вследствие увеличения поперечного сечения захвата пробоотборника. Конденсатор (емкость) вложен в соленоид (индуктивность), что обеспечивает разделение частиц по степени поляризуемости в высокочастотных электрическом и магнитном полях. Известно, что поляризуемость биологических частиц в области высоких частот электрического поля (100 кГц - 10 МГц) на несколько порядков выше величины поляризуемости подавляющего большинства однородных непроводящих частиц неорганической природы.

На фиг. 1 представлен пробоотборник частиц биогенного происхождения в космосе; на фиг.2 - схема соединения соленоида и конденсатора с высокочастотным генератором.

Пробоотборник для частиц биогенного происхождения в космосе включает прямоугольный корпус 1 с соосно расположенными коллекторами 2 и 3, между которыми последовательно установлены пробоотборная камера 4 и резонатор, соединенный с высокочастотным генератором 5. Резонатор выполнен в виде соленоида б (катушки индуктивности) и конденсатора 7, размещенного внутри соленоида 6, причем пластины конденсатора расположены параллельно оси симметрии соленоида. Соленоид 6 и конденсатор 7 соединены между собой параллельно, а вывод высокочастотного генератора 5 подключен к части витков соленоида 6. Коллекторы 2 и 3 выполнены сменными и снабжены соответственно проволочными преципитаторами 8 и 9, соединенными с высоковольтным источником питания 10 и системой телеметрии 11. Причем, пробоотборник дополнительно снабжен электронными пушками 12, установленными внутри соленоида 6 и соединенными с высоковольтным источником питания 10.

Устройство работает следующим образом. Поток частиц, имеющих скорость относительно корпуса 1 пробоотборника около 8 км/с, попадает в объем пробоотборной камеры 4 между пластинами конденсатора 7, соединенного с соленоидом 6. Под действием переменного электрического поля конденсатора 7 частицы поляризуются и в них наводится поляризационный электрический ток. Поляризационный ток частицы взаимодействует с магнитным полем, возбуждаемым соленоидом (индуктивностью) 6, который соединен с высокочастотным генератором 5. В результате такого взаимодействия возникает сила, направленная против скорости движения частицы. Эта сила тормозит частицу. Амплитуда и частота электрического и магнитного полей выбирается из условия полного торможения частиц со средней скоростью на длине резонатора. При этом частицы, имеющие скорость, большую, чем рассчитанная средняя скорость частиц, будут пролетать через полость резонатора и захватываться преципитатором 8, входящим в состав съемного коллектора 2. Напряжение на преципитатор 8 подается от высоковольтного источника 10. Частицы, которые будут иметь скорость, меньшую, чем средняя скорость, будут выталкиваться из резонатора и захватываться преципитатором 9. Для обеспечения регистрации захваченных частиц в реальном масштабе времени системой телеметрии 11 используются электронные пушки 12, соединенные с высоковольтным источником питания 10. При прохождении потока частиц электроны захватываются частицами из облака электронов, создаваемого электронными пушками 12 и удерживаемыми магнитным полем, создаваемым соленоидом 6, и переносятся на преципитаторы. Перенос электронов частицами регистрируется системой телеметрии 11 как электрический ток в цепях между электронной пушкой 12 и преципитаторами 8 и 9.

Пример конкретного выполнения устройства. Реальная конструкция пробоотборника, схематически представленная на фиг.1, имеет габаритные размеры вместе со съемными коллекторами - 300х550х1150 мм. Резонатор (соленоид 6 с конденсатором 7) соединен с высокочастотным выводом источника питания 5. Благодаря высокой добротности резонатора (Q=600) на пластинах конденсатора 7 развивается напряжение 100 кВ. Размеры пластин конденсатора 7 S=500х900 мм. Расстояние между пластинами конденсатора 7 d=100 мм. Емкость конденсатора C = ε₀•S/d = 8•10^-11 Ф. Энергия резонатора, запасенная в электрическом и магнитном полях W = C^*U²/2 = V_c•B²/2μ₀ = 0,4 Дж. Индуктивность соленоида L= 3•10^-4 Гн. Количество витков 50. Поперечные размеры соленоида 200х1000 мм. Длина соленоида 500 мм. Длина намотки 120 м. Поперечное сечение проводника 8 мм². Активное сопротивление соленоида 0,25 Ом. Масса соленоида из алюминия сечением провода 13 мм² равна 4,3 кг. Пластины конденсатора изготовлены из листового алюминия толщиной 1 мм и имеют массу 2,5 кг. Масса боковых стенок резонатора, изготовленных из тефлона толщиной 2 мм, составляет 1,5 кг.

Для устойчивой работы разрядной камеры установлен источник электронов с энергией около 1-2 кэВ с током 1 мА. Для этого за пределами конденсатора 7 установлена электронная пушка 12 для ленточного пучка электронов, включающая в себя катод в виде нити накаливания с оксидным покрытием и анод с напряжением 1-2 кВ.

Электроны, попадающие в область магнитного поля В = 0,58 10^-2 Тл, вращаются с частотой ω_B = eB/m_e = 10⁹ с^-1 и радиусом r = m v/(e В)=2,6 см.

Благодаря длительному времени пребывания в разрядной камере электроны ионизируют молекулы остаточного газа и сообщают заряд улавливаемым частицам при их столкновении с электронами и молекулами остаточного газа. Этот заряд переносится с частицами на высоковольтные электроды преципитатора. Перенос электронов частицами регистрируется системой телеметрии 11 как электрический ток в цепях между электронной пушкой 12 и преципитаторами 8 и 9. Измеритель тока на высоковольтных электродах преципитатора определяет через пересчетный коэффициент поток частиц, осевших на электроды. Шкала измерителя тока около 1 мкА. Количество импульсов определяет число биологических частиц, осевших на преципитатор, а амплитуда импульса определяет размер частицы. Измеренные электрические токи передаются с помощью системы телеметрии 11 на Землю и позволяют оценить количество и размер частиц, улавливаемых пробоотборником в каждый момент времени, и выделить из общего числа частиц биологические частицы.

Частицы размером меньше чем 10^-9 м будут тормозиться за счет вязкого трения в атмосфере остаточного газа. Плотность остаточного газа в ловушке будет на четыре порядка больше, чем плотность газа в окружающем пространстве за счет скоростного напора и низкой температуры в объеме пробоотборника.

Два съемных пробоотборных коллектора 2 (верхний) и 3 (нижний) предназначены для сбора частиц биогенной природы и транспортировки на Землю. Пробоотборники должны быть стерильными и транспортироваться в стерильном пакете. Коллекторы 2 и 3 вынимают из пакетов непосредственно перед установкой. При установке коллекторы закрепляются к корпусу резонатора. К ним подсоединяются контакты от высоковольтного источника постоянного тока (U=1-2 кВ, I=1-2 мкА). Это напряжение подается на электроды преципитатора. Коллекторы 2 и 3 в развернутом состоянии имеют размеры 50х100х500 мм. В собранном (транспортном) состоянии размер их 10х100х500 мм. Масса коллекторов составляет 0,5 кг.

Объемная производительность пробоотбора составляет 400 м³/c. Площадь пробоотбора составляет 0,05 м². Производительность данного устройства на два - три порядка величины больше, чем в устройстве прототипе вследствие большого поперечного сечения захвата пробоотборного устройства. Общая масса метеоритного вещества с частицами массой меньше 0,003 г, выпадающего на Землю, составляет 20•10⁶ г/сутки. Полное количество метеоритного вещества, включающего и частицы биогенной природы с массой ≈10^-21 г, собранного за год в объеме резонатора, составит в зависимости от направления пробоотбора 0,7-700 мкг. В предлагаемом устройстве предусмотрена возможность телеметрической передачи информации как о полном количестве метеоритного вещества, так и о количестве частиц биогенного происхождения в космосе.

Изобретение относится к астробиологии и может быть использовано при исследованиях в области биологии, в частности к микробиологическим исследованиям, а именно к улавливанию биологических частиц в условиях космоса для дальнейшего исследования на наличие белковых молекул, микроорганизмов и вирусов. Пробоотборник выполнен в виде прямоугольного корпуса с соосно расположенными коллекторами, между которыми последовательно установлены пробоотборная камера и резонатор, соединенный с высокочастотным генератором. Резонатор выполнен в виде соленоида и подсоединенного к нему конденсатора, размещенного внутри соленоида. Пластины конденсатора расположены параллельно оси симметрии соленоида. Вывод высокочастотного генератора подключен к части витков катушки индуктивности. Коллекторы выполнены сменными и снабжены проволочными преципитаторами, соединенными с высоковольтным источником питания и системой телеметрии. Изобретение позволяет осуществлять селективный отбор биологических частиц в высокоскоростном потоке с сохранением их биологической активности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пробоотборник для частиц биогенного происхождения в космосе, включающий прямоугольный корпус с соосно расположенными коллекторами, между которыми последовательно установлены пробоотборная камера и резонатор, соединенный с высокочастотным генератором, отличающийся тем, что резонатор выполнен в виде соленоида и подсоединенного к нему конденсатора, размещенного внутри соленоида, причем пластины конденсатора расположены параллельно оси симметрии соленоида, а вывод высокочастотного генератора подключен к части витков катушки индуктивности, причем коллекторы выполнены сменными и снабжены проволочными преципитаторами, соединенными с высоковольтным источником питания и системой телеметрии. 2. Пробоотборник по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен электронными пушками, установленными внутри соленоида и соединенными с высоковольтным источником питания.