Měření slunečního větru: z Nového Města až ke Slunci

Sluneční vítr

Sluneční vítr je proud nabitých částic, který se skládá především z elektronů a protonů, v menší míře také helia (1-3 %) a stopového množství těžších iontů.

K úniku slunečního větru dochází ze sluneční koróny (nejvyšší vrstvy atmosféry Slunce) díky rozdílu tlaků mezi korónou a meziplanetárním prostorem. Každou sekundu Slunce uvolní přibližně 1,2 miliardy tun hmoty slunečního větru.

Cesta slunečního větru od Slunce k Zemi trvá obvykle 2,5 až 6 dní, v závislosti na jeho rychlosti. Na základě rychlosti proudění se sluneční vítr rozlišuje na:

• rychlý – dosahuje rychlosti až 800 km/s a vychází většinou z tzv. koronálních děr v polárních oblastech Slunce,
• pomalý – proudí rychlostí kolem 400 km/s a typicky uniká z rovníkových oblastí Slunce. Tento typ slunečního větru zasahuje planety Sluneční soustavy, včetně Země

V okolí Země se pohybuje hustota částic slunečního větru okolo 3 – 20 částic na 1 cm³. Přestože je sluneční vítr velmi řídký, při střetu se zemskou magnetosférou může vyvolat geomagnetické bouře, ovlivnit fungování satelitů, telekomunikačních sítí nebo elektrických rozvodů. Elektrony slunečního větru, které pronikají do horních vrstev atmosféry v polárních oblastech Země, pak předávají svou energii atomům a molekulám vzduchu. Tyto excitované částice následně vyzařují světlo, které vytvářejí polární záře typické pro severské oblasti [1], [2].

Z těchto důvodů je důležité sledovat, měřit a zaznamenávat vlastnosti slunečního větru. Pro tyto účely se používají kosmické sondy. Ty musí být schopné zaznamenávat parametry slunečního větru s vysokým časovým rozlišením a přesností. Sondy tak jsou vybaveny sofistikovanými přístroji, jejichž součástí jsou tzv. Faradayovy válce (FC). Jedno takové zařízení (BMSW) obsahuje až 6 FC [3].

Faradayův válec

FC je kovový prvek, jehož úkolem je zachytit a změřit tok nabitých částic. Nachází uplatnění jak v laboratorních podmínkách, tak v kosmickém výzkumu nejen pro monitorování slunečního větru, ale i intenzity elektronových nebo iontových paprsků a dalších energetických částic ve vesmíru. Jedno z těchto zařízení bylo například umístěno na palubu kosmické lodi Spectr-R.

Konstrukce FC zahrnuje několik prvků – kolektor a soustavu čtyř mřížek. Kolektor zachycuje nabité částice. Vnější a vnitřní mřížky slouží k odstínění rušivého vnějšího elektrického pole, aby měření nebylo ovlivněno okolními vlivy. Mezi těmito mřížkami je umístěna tzv. řídicí mřížka, která je připojena na vysokonapěťový zdroj. Tato mřížka funguje jako energetický filtr – pouze částice s dostatečnou kinetickou energií překonají její potenciál a dostanou se až ke kolektoru. Čtvrtou mřížkou je tzv. supresorová mřížka, která je napájena záporným napětím. Jejím úkolem je odklánět elektrony slunečního větru, sekundární elektrony uvolněné z ostatních mřížek a fotoelektrony, které vznikají na kolektoru působením slunečního ultrafialového záření.

Obr. 1 a) Schéma FC: (1) a (3) vnější a vnitřní mřížky, (2) řídící mřížka, (4) supresorová mřížka, (5) kolektor
b) Přístroj BMSW pro monitorování slunečního větru [3]

Výroba Faradayových válců: Spolupráce s MFF UK

Ve spolupráci s Matematicko-fyzikální fakultou Univerzity Karlovy jsme se podíleli na výrobě a přípravě mřížek určených pro instalaci do FC.

Technologie černění při zpracování komponentů FC

Černění je technologie spočívající v chemické úpravě povrchu kovů, při které je na dílech cíleně vytvářena tenká vrstva oxidů v černé barvě. Vrstva se stává integrální součástí základního materiálu, nikoli dodatečně naneseným povlakem, jako je tomu například u technologií fyzikálních depozic (PVD) či při galvanickém pokovování. Černění v našem systému výrazně snižuje odrazivost a dodává kovovým součástem hluboce matný černý vzhled. Navíc, použitý systém černění produkuje elektricky vodivé vrstvy, což je v případě FC zásadní vlastnost.

Černý a hluboce matný vzhled mřížek omezuje vznik parazitních odrazů a rozptýleného záření uvnitř měřicího systému, což přispívá ke zvýšení přesnosti a stability měření. Snižuje se tak riziko zkreslení naměřených dat. Navíc, proces černění prakticky nemění rozměry mřížek a nenarušuje přesnost vyrobené geometrie, která je pro správnou funkci mřížek zásadní.

Základním materiálem zde černěných mřížek a dalších komponentů FC jsou hliníkové slitiny a korozivzdorné oceli. Pozorného čtenáře tak může snadno napadnout otázka, proč tedy například hliníkové slitiny neeloxovat na černo? Odpověď je snadná… Eloxované černé vrstvy jsou tvořeny probarvenými oxidy Al2O3, které jsou elektricky nevodivé a v případě FC by tak nebyly schopny tvořit elektrostaticky a opticky funkční povrchy.

Protože i zde platí „zlaté“ pravidlo, že zvolit správnou technologii můžeme vždy až poté, co chápeme účel a všechny požadavky na realizovaný díl a jeho povrchovou úpravu.

Naše opticky hluboce matné černé povrchy jsou tedy nenahraditelné jak v oblasti realizace FC, tak i například v oblasti světelné optiky – viz náš článek zaměřený na optické clony se štěrbinami.

Obr. 2 Počerněné mřížky před instalací do FC

Obr. 3 Kompletace FC

Zdroje

[1] P. Kulhánek, „Sluneční vítr,“ Aldebaran Bulletin, č. 19, 2. května 2008. [Online]. Dostupné: https://www.aldebaran.cz/bulletin/2008_19_swi.php.

[2] „Sluneční vítr,“ Pozorování Slunce, [Online]. Dostupné: https://pozorovanislunce.eu/vykladovy-slovnicek/slunecni-vitr.html.

[3] J. Vaverka, Z. Němeček, L. Přech, J. Šafránková, and A. Komárek, „Calibration of Faraday Cups used on the Spectr-R Spacecraft for Monitoring the Solar Wind,“ WDS’11 Proceedings of Contributed Papers: Part II – Physics of Plasmas and Ionized Media, no. 2, pp. 34-39, 2011.

Nezapomeňte nás sledovat na našich sociálních sítích. Najdete nás na facebooku, instagramu a linkedinu.