Письма в ЖЭТФ, том 109, вып. 7, с. 452 - 459

О пылевых структурах и цепных реакциях, возникающих над

реголитом при воздействии излучения гиротрона

Н.Н.Скворцова^a,b,c1), С.А.Майоров^a,f,g, Д.В.Малахов^a,b,d, В.Д.Степахин^a,d, Е.А.Образцова^e,

А. И. Кенжебекова^g, О. Н. Шишилов^b

^aИнститут общей физики им. А. М. Прохорова РАН, 119991 Москва, Россия

^bРоссийский технологический университет “МИРЭА”, 119454 Москва, Россия

^cНациональный исследовательский ядерный университет “МИФИ”, 115409 Москва, Россия

^dРоссийский национальный исследовательский медицинский университет им. Н. И. Пирогова, 117997 Москва, Россия

^eИнститут биоорганической химии им. М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, 117997 Москва, Россия

^fОбъединенный институт высоких температур РАН, 125412 Москва, Россия

^gНаучно-исследовательский институт экспериментальной и теоретической физики КазНУ им. аль-Фараби,

050040 Алматы, Казахстан

Поступила в редакцию 1 ноября 2018 г.

После переработки 9 января 2019 г.

Принята к публикации 7 февраля 2019 г.

Приведены результаты исследования пылевых структур, возникающих при развитии цепных экзо-

термических плазмохимических процессов, инициируемых импульсным излучением гиротрона в смесях

порошков металла и диэлектрика. Состав смеси порошков соответствует составу реголита на Луне.

В экспериментах при энергии микроволнового импульса гиротрона 1-3 кДж и длительности импульса

1.5-4 мс регистрируется взрывной процесс, вызванный кулоновским расталкиванием заряженных частиц

с поверхности реголита в объем реактора. После взрыва порошка развиваются цепные реакции само-

распространяющегося высокотемпературного синтеза. Они длятся десятки секунд, в течение которых

взвесь пылевых частиц поднимается на десятки сантиметров над поверхностью порошка. Выделяющаяся

при этом энергия в сотни раз превышает энергию инициации цепной реакции. На боковые поверхности

реактора над порошком осаждаются сфероиды из реголита с диаметрами от 1 до 1000 мкм. Рассмат-

ривается аналогия возможного вклада кулоновского расталкивания заряженных частиц и плазменных

экзотермических процессов в разлет пыли реголита при бомбардировке микрометеоритами поверхности

Луны.

DOI: 10.1134/S0370274X1907004X

Введение. Возникновение плазменно-

синтез частиц нано- и микро-размеров [3, 4]. При

пылевых ансамблей заряженных микрочастиц

этом длительность протекания вторичных процессов

было обнаружено ранее над поверхностью смесей

на много порядков превышала миллисекундные

порошков металла и диэлектрика в разрядах, ини-

импульсы СВЧ - микроволновые импульсы, и до-

циируемых излучением мощного гиротрона [1]. В

стигала нескольких минут. В цикле проведенных

этих экспериментах на смесь порошков, размещен-

работ наблюдались цепные процессы с генерацией

ной на пластине в плазмохимическом реакторе с

ансамблей пылевых частиц в десятках смесей по-

открытой верхней границей, подавалось импульсное

рошков различных металлов (молибден, вольфрам,

микроволновое излучение. При превышении поро-

алюминий, титан и др.) и диэлектриков (бор, нитрид

говых условий по энергии гиротрона наблюдался

бора, окись алюминия, и др.) в воздухе и азоте, при

выброс частиц порошка с поверхности, вызванный

атмосферном давлении и пониженном давлении (в

кулоновскими силами расталкивания между отдель-

форвакууме)²⁾. В этих экспериментах наблюдался

ными заряженными частицами [1, 2]. После этого

над поверхностью порошка развиваются экзотер-

²⁾Энергия, необходимая для инициации цепной реакции,

мические цепные реакции, в которых происходит

невелика (порядка от долей до нескольких кДж/см²), из-за

короткой длительности СВЧ импульса. Это на несколько по-

рядков меньше энергии, которая затем выделяется при проте-

¹⁾e-mails: nina@fpl.gpi.ru; mukudori@mail.ru

кании инициированных экзотермических реакций.

452

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

О пылевых структурах и цепных реакциях, возникающих над реголитом . . .

453

синтез веществ с контролируемым химическим

метеоритов о ее поверхность. Удары метеоритов о

составом, которые осаждались на диэлектрические

поверхность Луны происходят достаточно часто и

и металлические пластины, введенные в реактор.

при наблюдении через телескоп видны в виде яр-

При этом взвесь пылевых частиц в качестве очагов

ких вспышек [15]. Вокруг эпицентра падения мик-

кристаллизации является важным компонентом

рометеорита в поверхностном слое лунного реголи-

синтеза композитов нано- и микро-размеров [5, 6].

та должно происходить развитие каскада процессов:

Одним из многих интересных явлений, обна-

испарение, плавление, разрушение частиц, необра-

руженных при посадке космических аппаратов на

тимые деформации частиц и упругие деформации.

Луне, оказалось существование плазменно-пылевых

Удельная энергия при соударении высокоскоростно-

облаков, левитирующих над ее поверхностью. Они

го метеорита с лунной поверхностью по приведен-

состоят из заряженных микрочастиц и поднимаются

ному в статье [13] расчету может значительно пре-

на высоту в десятки километров [7, 8]. Основным ис-

восходить энергию связи атомов и молекул в окис-

точником взвешенной заряженной пыли на Луне яв-

лах, которые составляют лунный реголит. Разруше-

ляется реголит³⁾, покрывающий ее поверхность сло-

ние частиц в лунном реголите приводит к выделению

ем толщиной от нескольких сантиметров, до несколь-

из окислов (магния, алюминия, железа и др.) атомов

ких метров в районах лунных морей. Химический

или ионов соответствующих металлов и кислорода.

состав образцов реголита из разных областей Луны,

Отметим, что ранее рассматривалось несколько спо-

доставленных на Землю, подробно исследован и опи-

собов получения кислорода на Луне путем разруше-

сан [9]. Плотность материала реголита, состоящего

ния различных окислов в реголите (см., например,

из различных окислов (алюминия, кремния, желе-

[16]) при нагреве до температур 2000-3000 К, что так-

за и др.), находится в диапазоне от 1.3 до 3.1 г/см³,

же достижимо при удельной энергии, выделяемой

средний размер частиц реголита был 70-100 мкм.

при ударе метеоритов.

Как известно, посадка и взлет космического ап-

Появление металла и кислорода в порошке ре-

парата вызывают образование пылевого облака боль-

голита со свободной поверхностью может иниции-

шего размера. Заряженные частицы в условиях Лу-

ровать развитие плазмохимического цепного про-

ны обладают повышенными адгезионными способно-

цесса, аналогичного наблюдаемым в экспериментах

стями, что вносит ограничения в использование кос-

при мощном импульсном воздействии микроволно-

мических систем на ее поверхности [10]. Поэтому в

вого излучения. Энергетический порог разрушения

настоящее время уделяется большое внимание мето-

молекул в реголите по оценке, приведенный в [13],

дам получения потоков заряженной пыли в лабора-

превышает пороговую энергию, которая необходима

торных условиях для испытания узлов будущей лун-

для перехода в режим цепных процессов. Она со-

ной техники [11].

ставляет 0.1-10 кДж/см², что соответствует энергии

Экспериментальных данных о распределении пы-

небольшого миллиграммового метеорита. Также лег-

линок над лунной поверхностью немного, посколь-

ко достижима и может быть превышена и темпера-

ку проведено весьма ограниченное число наблю-

тура, необходимая для разрушения окислов в рего-

дений. Поэтому распределения частиц по высо-

лите с дальнейшим развитием вторичных процессов

там, размерам, скоростям оцениваются по разным

синтеза.

физико-математическим плазменным моделям. В

Цель настоящих экспериментов состояла в созда-

статье “Влияние солнечного ветра на формирова-

нии левитирующего облака микрочастиц реголита в

ние фотоиндуцированного плазменно-пылевого слоя

воздухе путем воздействия на порошок с составом,

вблизи поверхности Луны” [12] была предложена мо-

аналогичным лунному реголиту, импульса СВЧ из-

дель, использующая известные параметры потоков

лучения большой мощности.

электронов и ионов солнечного ветра и распределе-

2. Описание эксперимента и методик. Экс-

ния фотоэлектронов в приповерхностном слое. Эта

перименты по исследованию пылевых структур, воз-

модель позволила описать подъем только самых ма-

никающих над порошком реголита при воздействии

лых частиц размером (около 1 мкм) на высоту до

мощного микроволнового излучения, были проведе-

нескольких метров.

ны на плазмохимическом гиротронном стенде в отде-

В статьях [13,14] была представлена модель по-

ле физики плазмы ИОФ РАН. Схема эксперимента и

явления микронных пылевых частиц в плазменно-

основные диагностики параметров разряда представ-

пылевой системе Луны, основанная на учете ударов

лены на рис. 1а. Стенд для плазмохимических экспе-

риментов создан с использованием одного из гиро-

³⁾На Земле реголит также широко распространен.

тронов комплекса МИГ-3 электронно-циклотронного

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

454

Н.Н.Скворцова, С.А.Майоров, Д.В.Малахов и др.

Рис. 1. (a) - Схема эксперимента. 1, 2, 6, 7 - кварцевые пластины; 3 - слой реголита; 4, 5 - плазменный и газовые слои

с частицами. Стрелками схематически показаны области приема излучения видеокамерами (I, II) и спектрометрами

(I, II, III). (b) - Кварцевая трубка с переопыленным реголитом после воздействия импульса гиротрона. 7 - Диагности-

ческие патрубки с кварцевыми пластинами. Реголит (смесь # 2). Атмосфера. Энергия СВЧ импульса 0.07 кДж · см^-2.

Длительность СВЧ 1.5 мс

нагрева плазмы стелларатора Л-2М [17] (мощностью

тим, что около 1 % микро-сфероидов железа было

до 500 кВт, частотой 75 ГГц, длиной волны 4 мм, дли-

обнаружено уже в первых привезенных пробах рего-

тельностью импульса СВЧ до 10 мс).

лита [9]). Эксперименты проводились в режиме од-

Между двумя зеркалами квазиоптического трак-

нократных СВЧ импульсов, при атмосферном дав-

та этого комплекса был расположен реактор, в ко-

лении в воздухе, что позволяло использовать имею-

торый вставлялся кварцевый цилиндр длиной 35 см,

щийся в атмосфере кислород.

верхний конец цилиндра был открыт. На подложку

Таблица 1. Составы смесей порошков реголита

реактора насыпался слой порошка реголита толщи-

Смесь # 1

Смесь # 2

ной 0.5-0.7 мм, верхняя поверхность которого оста-

Компонент Массовая доля, % Компонент Массовая доля, %

валась свободной. Излучение гиротрона подавалось

SiO₂

49.45

SiO₂

45.91

снизу через согласованное кварцевое окно на поро-

13.50

Al₂O₃

23.68

шок. Облучение образцов выполнялось одиночными

TiO₂

0.63

TiO₂

0.58

импульсами с периодами следования не менее 20 с.

FeO

8.70

FeO

8.07

Мощность микроволнового излучения гиротрона со-

MgO

10.80

6.05

ставляла 150-300 кВт, диаметр СВЧ пучка в зоне

CaO

16.92

CaO

15.71

взаимодействия с порошком составлял 8 см.

В таблице 1 приведены составы смесей порошков

двух типов, повторяющие состав разных типов мате-

На рисунке 2a приведена микрофотография ис-

рикового лунного реголита. В первом образце вместо

ходного порошка реголита (смесь # 2), на рис. 2b -

окисла магния введен порошок магния, во втором со-

распределение частиц по размерам. Видно,что части-

ставе вместо окисла алюминия введен порошок алю-

цы порошков имеют острые края, их размеры изме-

миния в соответствующей лунному реголиту пропор-

няются от микрометра до миллиметра. Средний раз-

ции. Затем были проведены эксперименты в смесях

мер частиц в разных пробах лежит в диапазоне 100-

порошков, в которых только часть окислов (полови-

200 мкм. Таким образом, искусственная смесь соот-

на или десятая часть) были заменены на соответству-

ветствует лунному реголиту, как по химическому со-

ющий металл. Мы предполагаем, что в малых дозах

ставу, так и по размерам микрочастиц.

в реголите при ударе метеорита может происходить

Для наблюдения эволюции свечения разряда и

выделение из окислов металла и кислорода, (отме-

частиц во времени производилась съемка камерами

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

О пылевых структурах и цепных реакциях, возникающих над реголитом . . .

455

Рис. 2. (a), (b) - Микрофотографии исходного порошка реголита (смесь # 2) в двух масштабах: 100 и 10 мкм. (c) -

Для фотографии с масштабом 100 мкм представлены распределения частиц по размерам

“Activecam AC-D1020” и “FastecImaging IN250M512”.

• разлета заряженных частиц из поверхностного

Вторая видеокамера (с интервалом между кадра-

слоя порошка за счет кулоновского расталкивания

ми 4 мс) была синхронизирована с тремя спектро-

одноименно заряженных пылинок.

метрами, по спектрам которых оценивалась темпе-

Инициирования цепных процессов в порошке ре-

ратура нижней поверхности порошка, газа и плаз-

голита произошло при стандартных режимах гиро-

мы над порошком [2]. Изображения исходного и

трона: мощности 150-300 кВт и длительности им-

осажденного на стенки реактора порошков были

пульса 1.5-8 мс. Для развития цепных реакций в ре-

получены с помощью растрового электронного мик-

голите, в котором только часть окислов (половина

роскопа ZeissMerlin (см. [1, 5]).

или десятая часть) были заменены на соответствую-

3. Эволюция плазменно-пылевого образо-

щий металл, необходимо было увеличивать энергию

вания над порошком реголита при воздей-

импульса гиротрона (мощность СВЧ и/или длитель-

ствии излучения гиротрона. Используемого ко-

ность импульса).

личества алюминия/магния (процент металла в ди-

Во время работы гиротрона для обеих смесей с за-

электрической смеси) в реголите оказался достаточ-

держкой 0.5-1 мс от начала СВЧ импульса наблюда-

ным для инициации различных процессов в плазмо-

ется яркая вспышка (взрыв) на верхней поверхности

химическом реакторе:

порошка (с засветкой спектрометров и видеокамер),

• возникновения плазменного слоя между части-

которая длится менее миллисекунды. В это же вре-

цами порошка и вблизи его поверхности;

мя порошок реголита нагревался до 3000 К, в спек-

• развития вторичных плазмохимических реак-

трах появлялись атомные и ионные линии, молеку-

ций над поверхностью реголита (по механизму ав-

лярные полосы. В плазме, возникающей внутри по-

токолебательного цепного процесса);

рошка и в приповерхностном слое над ним, происхо-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

456

Н.Н.Скворцова, С.А.Майоров, Д.В.Малахов и др.

дит почти полное (80-90 %) поглощение микроволн.

Анализ показывает,что после выключения гиро-

После выключения гиротрона нижняя часть порош-

трона над порошком реголита начинается развитие

ка реголита, прижатая к кварцевой пластине, осты-

химических и плазмохимических цепных реакций по

вает за несколько миллисекунд, и все, перечисленные

типу самораспространяющегося синтеза с выделени-

выше процессы, протекающие между частицами по-

ем тепла и образованием вторичных веществ. Для

рошка, прекращаются (по сигналам III спектромет-

обеих изученных смесей, моделирующих состав ре-

ра, рис. 1).

голита, в протекающих процессах могут быть выде-

Однако после окончания импульса процессы раз-

лены стадии инициирования, развития и затухания.

лета порошка и протекания цепных плазмохимиче-

Инициированный плазмохимический цепной процесс

ских реакций над верхней свободной поверхностью

в реголите длится обычно несколько секунд. При

реголита в реакторе продолжаются. Наблюдается

этом наблюдался автоколебательный режим, при ко-

свечение всего объема смеси в реакторе (по сигна-

тором происходит повторный многократный разо-

лам I и II спектрометров, рис. 1), появление в нем

грев поверхности с повторением выброса с нее за-

пыли, осаждение пыли на его стенки.

ряженного порошка в реактор и развитием дополни-

На рисунке 3 видна динамика спектров, изме-

тельных вторичных плазмохимических процессов.

ренных над поверхностью порошка спектрометром

На последней стадии цепной процесс затухает из-

#2, после выключения гиротрона, по которым мо-

за постепенного рассеивания как первичного, так и

выделяющегося в ходе реакций тепла в окружаю-

щем пространстве. Синтезированные вторичные ве-

щества в виде структур осаждаются на кварцевый

цилиндр. В показателях смесей, представленных в

табл. 1, матовая пленка,синтезированная из реголи-

та, покрывает весь кварцевый цилиндр реактора до

высоты 35 см. В экспериментах с уменьшением про-

цента металла в реголите наблюдается более тонкая

пленка. Химический состав порошков, осажденных

на поверхности кварцевых цилиндров соответствует

составу смесей порошков исходного реголита.

Появление частиц реголита в объеме реактора

происходит на фоне горячей поверхности исходного

Рис. 3. Динамика спектров, измеренных над поверх-

ностью порошка реголита (смесь # 2), спектрометром

порошка реголита, как и для всех смесей порошков

# 2. Интервал между спектрами 4 мс. Импульсное воз-

в ранее проведенных экспериментах [1]. На рисун-

действие гиротрона длительностью 2 мс

ке 4 показана динамика возникновения и левитации

облака заряженных частиц над реголитом после вы-

гут быть оценены температурные зависимости в ре-

ключения гиротрона. Начальный взрыв порошка в

акторе. Температура верхней поверхности порош-

течение микроволнового импульса приводит к крат-

ка и газово-плазменной смеси над реголитом по-

ковременной засветке изображений спектрометров и

рядка 3000-4000 К, такие значения являются обыч-

видеокамер. Покадровый анализ видеосъемки пока-

ными для ранее исследованных смесей порошков

зывает, как облако из большого числа частиц подни-

(см., например, [18]). Отчетливо виден молекуляр-

мается в объем реактора над поверхностью реголита,

ный спектр газообразного окисла AlO, возникающий

и затем наблюдается в объеме реактора в течении

при 2533 К. Во взвеси над порошком реголита возни-

несколько сотен миллисекунд. Частицы от поверх-

кает градиент температуры от поверхности порошка

ности порошка разлетаются со скоростями порядка

до верхней части кварцевой трубки (рис. 1). Свече-

нескольких м/с, а максимальное их количество на-

ние и пыль над поверхностью порошка наблюдает-

блюдается через 100-200 мс после выключения СВЧ

ся в течение нескольких секунд после выключения

импульса. Уменьшение наблюдаемого числа частиц в

гиротрона. Уменьшение интенсивности свечения на

течение этого времени так же, как и в спектральных

рис. 3 вызвано, в первую очередь, осаждением син-

измерениях, частично связано с запылением кварце-

тезируемых вторичных структур на стенки трубки.

вой поверхности цилиндра реактора.

На рисунке 1b представлена фотография запылен-

Для анализа факторов, приводящих к образо-

ной кварцевой трубки после одного импульса гиро-

ванию пылевых частиц и формированию пылевой

трона (до импульса трубка прозрачна).

плазмы, был проведен расчет параметров СВЧ раз-

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

О пылевых структурах и цепных реакциях, возникающих над реголитом . . .

457

Рис. 4. Видеокадры эволюции во времени ансамбля частиц реголита (смесь # 2) в реакторе. Импульсное воздействие

гиротрона длительностью 2 мс. На фотографиях указано время после окончания СВЧ импульса гиротрона. Выдержка

0.2 мс

ряда, скоростей дрейфа и нагрева электронов [1].

70 Дж/см². Таким образом, из-за кулоновского рас-

При плотности потока энергии I = 10⁴ [В/см] при

талкивания между отдельными заряженными грану-

атмосферном давлении с числовой плотностью ато-

лами в поверхностном слое порошка реголита проис-

мов N_a = 2.69 · 10¹⁹ см^-3 приведенная напряжен-

ходит их выброс в объем реактора.

ность электрического поля равна: E/N

= 7Тд, а

Итак, эти два процесса приводят к появлению пы-

при максимальной напряженности поля в экспери-

линок в реакторе: разлет после кулоновского взрыва

ментах 3·10⁴ В/см² она равна E/N = 21 Тд. Такой на-

и начало плазмохимических цепных реакций. Разо-

пряженности поля достаточно для развития лавины

грев газа вблизи поверхности порошка приводит к

электронов и формирования плазменной области. За

появлению градиента температуры газа по высоте в

время импульса излучения гиротрона электроны за

реакторе, что способствует дополнительному подъ-

счет хаотизации направленного движения в упругих

ему частиц из-за термофореза. Также частицы мо-

столкновениях (обратно тормозной нагрев) успевают

гут возникать дополнительно в объеме реактора при

набрать энергию, которая затрачивается на возбуж-

вторичном синтезе в цепных реакциях. Цепной авто-

дение, ионизацию, нагрев газа и приводит к образо-

колебательный процесс повторяется несколько раз,

ванию лавин электронов и появлению плазмы.

что также приводит к дополнительному появлению

Взаимодействие плазмы с зернами реголита на

новых частиц в реакторе уже после выключения ги-

границе раздела порошок-газ приводит к накопле-

ротрона. Разлет порошка с появлением частиц проис-

нию на них отрицательного электрического заряда.

ходит из поверхностного слоя реголита, подобно то-

Для частиц диаметром 10 мкм и при значениях тем-

му, как происходит выброс частиц с поверхности при

ператур электронов T_e = 1 эВ и ионов T_i = 0.026 эВ

столкновении метеорита со слоем реголита на Луне.

величина заряда имеет порядок Q = -10⁴e, e - эле-

В эксперименте облако частиц, показанных на

ментарный заряд [19]. Заряд, накопленный пылевы-

рис. 4, оседает в процессе охлаждения газа на все

ми частицами, приводит, в свою очередь, из-за их

внутренние поверхности реактора. На рисунке 5а по-

взаимного отталкивания к разлету с поверхности в

казаны микрофотографии частиц, осажденные на

объем - “кулоновский взрыв”, причем не одной час-

высоте 10-20 см от поверхности порошка. Видно, что

тицы, а их ансамбля. Проведенные эксперименты по

на стенки реактора перенесены частицы со средним

отклонению пылевых частиц в магнитном поле под-

размером порядка 100 мкм, в распределении частиц

твердили, что заряд на их поверхности отрицатель-

присутствует фракция микрочастиц около 1 мм ве-

ный, что указывает на то, что термоэмиссия не при-

личиной. Частицы превратились в сфероиды (опла-

водит к изменению знака заряда на положительный,

вились), исчезли острые углы, однако химический

и, соответственно, не является определяющим про-

состав реголита (смесь окислов из табл.1) не изме-

цессом, при зарядке пылевых частиц [20].

нился.

Дополнительным фактором, вызывающим разлет

Сравнение процессов образования

пылинок вверх - в газ, является появление плаваю-

плазменно-пылевого ансамблей частиц при

щего потенциала между плазмой и заряженной по-

воздействии излучения гиротрона и при

верхностью [21]. Кулоновский взрыв и инициация

падении на Луну метеоритного ударника.

цепного процесса для смеси # 1 в эксперименте про-

При ударе о поверхность Луны тела с достаточной

изошла при превышении порога по удельной мик-

энергией (а также и при нашем разряде) темпера-

роволновой мощности 100 Дж/см², для смеси # 2 -

тура достигает нескольких тысяч градусов. Вокруг

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

458

Н.Н.Скворцова, С.А.Майоров, Д.В.Малахов и др.

Рис. 5. (a), (b) - Микрофотографии осажденного на стенки реактора порошка реголита (смесь # 2) в двух масштабах:

100 и 10 мкм. (с) - Для фотографии с масштабом 100 мкм представлены распределения частиц по размерам

эпицентра падения микрометеорита предполагается

капель может приводить к тому, что частицы раз-

развитие каскада процессов в поверхностном слое

летаются на значительно более мелкие осколки, что

лунного реголита [15]: испарение (I), плавление (II),

дополнительно ускоряет эти процессы.

разрушение частиц (III), необратимые деформации

Далее, по мере снижения температуры, должна

частиц (IV) и упругие деформации (V).

начаться обратная ассоциация атомов в молекулы -

При протекании трех начальных процессов (I-III)

при этом газовая фаза состоит в основном из кис-

при падении метеорита возможно испарение всех со-

лорода (в случае Луны) либо из кислорода и азота

ставляющих (оксидов), а затем их диссоциация в га-

(в нашем случае, когда разряд происходит в воздухе,

зовой фазе на атомы, т.е. кислород и металлы и неме-

как при атмосферном давлении, так и в форвакуу-

таллы (можно привести гипотетические примеры та-

ме). Обратное соединение металлов и диэлектриков с

кислородом - это, фактически, горение, и оно сопро-

ких реакций, например, (Mg,Fe)₂[SiO₄] → 2(Mg,Fe)+

+ Si + 4O), может происходить и испарение металла

вождается существенным выделением тепла, что мо-

(в малых количествах присутствует в реголите Луны

жет приводить к увеличению длительности процесса,

[9]). Испарение всегда идет с поверхности. Для срав-

за счет его развития в автотермическом режиме.

нения в порошке реголита под воздействием излуче-

По аналогии с процессами,которые развиваются

нием гиротрона также идет при высокой температу-

при формировании плазменно-пылевых ансамблей

ре разложение окислов на составляющие (например,

частиц при воздействии на реголит импульсного из-

SiO₂ → Si + 2O, Al₂O₃ → 2Al + 3O, дополнитель-

лучения гиротрона, можно рассмотреть цепные реак-

но в смесях порошков может происходить испарение

ции высокотемпературного синтеза и разлет частиц

и плавление металла). Кулоновский взрыв жидких

по кулоновскому механизму в качестве возможных

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019

О пылевых структурах и цепных реакциях, возникающих над реголитом . . .

459

процессов в формировании пылевых лунных облаков

N. K. Kharchev, A. A. Letunov, D. V. Malakhov,

при падении на Луну метеоритов. Отметим, лунные

E. A. Obraztsova, A. E. Petrov, K. A. Sarksian,

условия (пониженная гравитация, разлет частиц в

V. D. Stepakhin, and O.N. Shishilov, EPJ Web of

Conferences 149, 02016 (2017).

вакууме) улучшают условия для разлета частиц по

N. N. Skvortsova, V.D. Stepakhin, D. V. Malakhov et al.

кулоновскому механизму и слабо влияют на развитие

(Collaboration), Radiophys. Quantum Electron. 58, 701

вторичных химических процессов.

(2016).

Заключение. В экспериментах по обработке

N. S. Akhmadullina, N. N. Skvortsova, E. A. Obraztsova,

смесей порошков оксидов и металлов, моделирую-

V. D. Stepakhin, E. M. Konchekov, Yu.F. Kargin, and

щих состав реголита, микроволновыми импульсами

O. N. Shishilov, J. Phys.: Conf. Ser. 941, 012034 (2017).

гиротрона при превышении порога мощности, плот-

J. J. Rennilson and D. R. Criswell, Moon 10, 121 (1974).

ности потока энергии гиротрона 0.07-0.2 кДж/см²

O. E. Berg, H. Wolf, and J. Rhee, Lect. Notes Phys. 48,

(при длительности импульса 1.5-8 мс) регистрирует-

233 (1976).

ся взрывной процесс, вызванный кулоновским рас-

К. П. Флоренский, А. Т. Базилевский, О. В. Никола-

талкиванием заряженных частиц с поверхности по-

ева, Лунный грунт: свойства и аналоги, Академия

рошка в объем реактора.

наук СССР, Институт геохимии и аналитической хи-

После взрыва порошка в объеме реактора разви-

мии им. В. И. Вернадского, М. (1975).

ваются цепные реакции высокотемпературного син-

10.

O. R. Walton, Adhesion of Lunar Dust, Scientific report

теза. Они длятся десятки секунд, в течение кото-

of NASA CR-2007-214685 (2007), 48 p.

рых взвесь пылевых частиц поднимается на десят-

11.

Н. Д. Семкин, А. С. Видманов, Вестник Самарско-

ки сантиметров над поверхностью порошка, образуя

го государственного аэрокосмического университета

облако, заполняющее объем реактора. Выделяющая-

40(2), 164 (2013).

ся при этом процессе энергия в сотни раз превышает

12.

Е. А. Лисин, В. П. Тараканов, О. Ф. Петров, С. И. По-

энергию инициации. На боковые поверхности реакто-

пель, Г. Г. Дольников, А. В. Захаров, Л. М. Зеленый,

ра над порошком осаждаются пылинки сферической

В. Е. Фортов, Письма в ЖЭТФ 98, 755 (2013).

формы из реголита с диаметрами от 1 до 1000 мкм.

13.

С. И. Попель, А. П. Голубь, Е. А. Лисин, Ю. Н. Изве-

На Луне при падении метеоритов в области

кова, Б. Атаманюк, Г. Г. Дольников, А. В. Захаров,

столкновения происходит распад молекул в реголите

Л. М. Зеленый, Письма в ЖЭТФ 103, 641 (2016).

и разлета частиц пыли с поверхности (по механиз-

14.

С. И. Попель, А. П. Голубь, А. В. Захаров, Л. М. Зеле-

му кулоновского взрыва), что может инициировать

ный, А. А. Бережной, Е. С. Зубко, М. Итен, Р. Лена,

цепные плазмохимические процессы, которые сопро-

С. Спозетти, Ю. И. Великодский, А. А. Терещенко,

вождаются выделением большого количества энер-

Б. Атаманюк, Письма в ЖЭТФ 108, 379 (2018).

гии и продолжаются значительное время. Поэтому

15.

https://www.youtube.com/watch?v=EDDT84JlFrg.

физико-химические процессы, наблюдавшиеся в опи-

16.

E. H. Cardiff, B. R. Pomeroy, I. S. Banks, and A. Benz,

санных экспериментах, могут рассматриваться в ка-

AIP Conference Proceedings 880, 846 (2007).

честве возможных механизмов подъема плазменно-

17.

N. K. Kharchev, G. M. Batanov, L. V. Kolik,

пылевых облаков над лунной поверхностью.

D. V. Malakhov, A. Y. Petrov, K. A. Sarksyan,

N. N. Skvortsova, V. D. Stepakhin, V.I. Belousov,

Работа выполнена при поддержке президентского

S. A. Malygin, and Y. M. Tai, Rev. Sci. Instrum. 84,

гранта МК-1995.2019.2.

013507 (2013).

18.

N. S. Akhmadullina, N. N. Skvortsova, E. A. Obraztsova,

1. Н. Н. Скворцова, Д. В. Малахов, В. Д. Степахин и др.

V. D. Stepakhin, E. M. Konchekov, A.A. Letunov,

(Collaboration), Письма в ЖЭТФ 106, 240 (2017).

A. A. Konovalov, Yu.F. Kargin, and O. N. Shishilov,

Chemical Physics 516, 63 (2019).

2. G. M. Batanov, N. K. Berezhetskaya, V. D. Borzosekov

et al. (Collaboration), J. Nanoelectron. Optoelectron 8,

19.

T. Antonova, C.-R. Du, A. V. Ivlev, B. M. Annaratone,

58 (2013).

L.-J. Hou, R. Kompaneets, H. M. Thomas, and

3. Comprehensive Chemical Kinetics. Kinetics of

G. E. Morfill, Phys. Plasmas 19, 093709-1 (2012).

Multistep Reactions, 2-nd ed, ed. by F. G. Helfferich,

20.

А. С. Соколов, Д. В. Малахов, Н. Н. Скворцова, Ин-

Elsevier, Amsterdam (2004), v. 40, ch. 10, p. 309.

женерная физика 12, 03 (2018).

4. N. N. Skvortsova, N. S. Akhmadullina, G. M. Batanov,

21.

Ю. П. Райзер, Физика газового разряда, Наука, М.

V.D. Borzosekov, L. V. Kolik, E. M. Konchekov,

(1977).

Письма в ЖЭТФ том 109 вып. 7 - 8

2019