IT8968070A1 - Dispositivo di levitazione per l'impiego in esperimenti nello spazio di scienza dei materiali - Google Patents

Description

RIASSUNTO

Levitatore che ? montato su una stazione spaziale, ad esempio, per l'impiego in esperimenti nello spazio di scienza dei materiali. Il levitatore prevede un rivelatore di posizione, un alimentatore variabile la cui tensione di uscita varia in accordo con l'uscita di segnale dal rivelatore di posizione, una coppia di elettrodi piani collegati a due estremit?, rispettivamente, dell'alimentatore variabile e disposti in relazione opposta fra loro, ed un elettrodo ad anello disposto in modo da circondare ciascuno degli elettrodi piani ed a cui ? applicata una tensione maggiore di quella applicata al corrispondente elettrodo piano da un alimentatore CC, mantenendo cos? il campione stazionario nella posizione desiderata mediante gli elettrodi piani e gli elettrodi ad anello. Il levitatore prevede inoltre mezzi per far ruotare il campione che viene mantenuto stazionario. E' cos? possibile far ruotare il campione in modo controllato, e quindi ? possibile eseguire un esperimento in cui il campione viene riscaldato uniformemente in un ambiente a microgravit?.

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un levitatore o dispositivo di levitazione che pu? essere montato su una stazione spaziale, ad esempio, per l'impiego in esperimenti nello spazio di scienza dei materiali.

La Fig. 1 mostra la disposizione di una tecnica anteriore descritta in W.K. Rhim, M. Collender, M.T. Hyson, W.T. Siirmis e D.D. Elleman, "Developments of an electrostatic positioner for space material processing", Rev. Sci. Instrum., 56, Febbraio 1985, pagg. 307-317. Nella figura, il riferimento numerico 1 indica un campione o provino caricato, 2 un rivelatore di posizione per rivelare la posizione del campione 1, e 3 un alimentatore di potenza variabile la cui tensione di uscita varia a seconda dell?uscita di segnale dal rivelatore di posizione 2. I riferimenti numerici 4a e 4b indicano una coppia di elettrodi piani che sono rispettivamente collegati a due estremit? dell'alimentatore variabile 3 e disposte in relazione opposta fra loro. 5a, 5b degli alimentatori (in corrente continua) CC, e 6a, 6b elettrodi ad anello, ciascuno dei quali ? disposto in modo da circondare un corrispondente elettrodo piano 4a o 4b, ed a cui ? applicata una tensione maggiore di quella applicata al corrispondente elettrodo piano dall'alimentatore CC 5a (5b).

Nel funzionamento, la posizione del campione 1 caricato in modo positivo, viene costantemente sorvegliata dal rivelatore di posizione 2 e l'uscita dell'alimentatore variabile 3 viene controllata in modo che il campione 1 sia mantenuto equidistante tra gli elettrodi superiore ed inferiore lungo la direzione verticale guardando la figura. Poich? agli elettrodi ad anello 6a e 6b vengono applicate tensioni piu elevate di quelle applicate agli elettrodi piani 4a e 4b, il campione 1 viene pure mantenuto stazionario lungo la direzione orizzontale come visibile in figura.

Si pu? cos? eseguire, in una stazione spaziale, un esperimento, ad esempio, in cui il campione 1 cos? trattenuto viene riscaldato mediante irraggiamento con luce o simili.

Il levitatore convenzionale disposto come descritto, ? tuttavia soggetto ai seguenti problemi. Poich? la tecnica anteriore controlla semplicemente la posizione del campione mediante gli elettrodi piani e ad anello, essa non ? in grado di far ruotare il campione in un modo controllato per riscaldarlo uniformemente. Inoltre, la tecnica anteriore non ? in grado di impedire una situazione di microgravit?, che ? una caratteristica importante degli esperimenti di scienza dei materiali nello spazio, venga distrutta dalla rotazione spontanea del campione stesso dovuta, ad esempio, a convezione.

In questa situazione, ? uno scopo primario della presente invenzione quello di realizzare un levitatore che sia in grado di far ruotare il campione in modo controllato, e quindi di riscaldare il campione in modo uniforme in un ambiente di microgravit? per scopi sperimentali.

A questo fine, la presente invenzione realizza un levitatore avente un rivelatore di posizione per rivelare la posizione di un campione, un alimentatore variabile la cui tensione di uscita varia in accordo con l'uscita di segnale dal rivelatore di posizione, una coppia di elettrodi piani collegati a due rispettive estremit? dell'alimentatore variabile e disposti in relazione opposta fra loro, ed un elettrodo ad anello disposto in modo da circondare ciascuno degli elettrodi piani, ed a cui ? applicata una tensione maggiore di quella applicata al corrispondente elettrodo piano da un alimentatore CC, mantenendo cos? il campione stazionario nella posizione desiderata mediante gli elettrodi piani e gli elettrodi ad anello, in cui l'elettrodo ad anello ? diviso in una pluralit? di elettrodi circolari, ed un alimentatore alternato (in alternata) la cui uscita varia periodicamente ? collegata a ciascuna coppia di elettrodi circolari adiacenti.

In questo modo, gli elettrodi ottenuti dall'anello diviso, cio? gli elettrodi circolari, servono sia come meccanismo per mantenere stazionario il campione secondo la direzione orizzontale, che come meccanismo per far ruotare il campione in maniera controllata. E' quindi possibile impedire la rotazione spontanea del campione, ed anche far ruotare il campione in modo controllato applicando un campo elettrico alternato a ciascuna coppia di elettrodi circolari adiacenti attraverso l'alimentatore alternato.

In un'altra forma realizzativa della presente invenzione, almeno un elettromagnete ? disposto in una posizione prestabilita all'esterno dell'elettrodo ad anello, ed il campione viene fatto ruotare in modo controllato mediante il campo magnetico prodotto dall'elettromagnete.

Variando la distribuzione di campo magnetico utilizzando la legge dell?induzione magnetica mediante elettromagneti, viene generata una corrente nel campione ed il campione viene fatto ruotare in modo controllato mediante l'interazione tra la corrente ed il campo magnetico.

In ancora un'altra forma realizz?tiva della presente invenzione, viene previsto un irradiatore che irradia un campione in levitazione con una pluralit? di fasci ad alta uscita da diverse direzioni per applicare al campione soltanto forze di rotazione.

I fasci ad alta uscita uscenti dall'irradiatore vengono applicati ad un campione in levitazione da una pluralit? di direzioni, imprimendo cos? una forza di rotazione al campione. In questo caso la sola forza rotazionale ? applicata al campione dall'irraggiamento con i fasci ad alta uscita, ma nessuna forza per il movimento lineare viene applicata al campione.

In una ulteriore forma realizzativa della presente' invenzione, viene previsto un magnete permanente che viene trascinato in modo da ruotare mentre viene applicato un campo magnetico nello spazio in cui il campione ? situato.

Mentre il magnete permanente che imprime un campo magnetico nello spazio contenente il campione viene fatto ruotare, nel campione viene generata una corrente parassita, e questa corrente parassita ed il campo magnetico interagiscono fra loro per generare una forza di Lorentz che agisce sul campione nella stessa direzione di quella di rotazione del magnete permanente, facendo cos? ruotare il campione.

Questi ed altri scopi, caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione che segue di sue forme realizzative preferite, considerate in unione ai disegni allegati, in cui riferimenti analoghi indicano elementi analoghi, e di cui:

la Fig. 1 mostra la disposizione di un levitatore convenzionale ;

la Fig. 2 mostra la disposizione di una forma realizzativa del levitatore secondo la presente invenzione;

la Fig. 3 mostra schematicamente la disposizione di un'altra forma realizzativa del levitatore secondo la presente invenzione;

le Figg. 4(A) e 4(B) mostrano la relazione tra il campo magnetico e la forza agente sul campione nella seconda forma realizzativa;

la Fig. 5 mostra schematicamente la disposizione di un'altra esecuzione della seconda forma realizzativa;

la Fig. 6 mostra schematicamente la disposizione di un'altra forma realizzativa ancora del levitatore secondo la presente invenzione;

la Fig. 7 mostra la disposizione di un'ulteriore forma realizzativa del levitatore secondo la presente invenzione; la Fig. 8 illustra la forza di rotazione che agisce sul campione dovute alla rotazione del magnete permanente mostrato in Fig. 7;

la Fig. 9 mostra un'altra costruzione della forma realizzativa mostrata in Fig. 7; e

la Fig. 10 mostra ancora un'altra costruzione della forma realizzativa mostrata in Fig. 7.

Una forma realizzativa della presente invenzione verr? descritta di seguito con riferimento alla Fig. 2 in cui gli stessi elementi mostrati in Fig. 1 sono contrassegnati dagli stessi riferimenti numerici. In Fig. 2, i riferimenti numerici 7a e 7b indicano alimentatori alternati che sono collegati in serie agli alimentatori CC 5a e 5b, rispettivamente, e 6 un elettrodo ad anello che ? disposto in modo da circondare ciascuno degli elettrodi piani 4a e 4b, l'elettrodo 6 comprendendo quattro elettrodi circolari ottenuti per divisione di quest'ultimo. Ciascuna coppia di elettrodi circolari adiacenti ? rispettivamente collegata ai poli opposti di quello corrispondente degli alimentatori alternati 7a e 7b.

Il valore di picco della tensione degli alimentatori alternati 7a e 7b ? impostato in modo da risultare inferiore alla tensione di uscita degli alimentatori CC 5a e 5b.

Nel funzionamento, la posizione del campione 1 caricato positivamente viene costantemente sorvegliata dal rivelatore di posizione 2, e l?uscita dell'alimentatore variabile 3 viene controllata in modo che il campione 1 sia mantenuto equidistante tra gli elettrodi superiore ed inferiore lungo la direzione verticale come si vede nella figura. Poich? la tensione applicata all'elettrodo ad anello 6 ? superiore a quella applicata all'elettrodo piano 4, anche quando l'uscita dell'alimentatore alternato 7 ? al suo minimo, il campione 1 viene mantenuto stazionario anche lungo la direzione orizzontale come si vede nella figura.

Inoltre, la rotazione del campione 1 pu? essere controllata regolando opportunamente la frequenza e la tensione dell'alimentatore alternato 7. Poich? la carica sulla superficie del campione ruota insieme al campione 1, ? possibile ottenere un movimento di rotazione stabile che ? sincrono con la frequenza dell'alimentatore alternato 7.

Supponendo che il numero di elettrodi circolari costituenti in combinazione l'elettrodo ad anello 6 sia di n, e che la frequenza dell'alimentatore alternato 7 sia f, il campione 1 ruota con un numero di rivoluzioni espresso da nf.

In questo modo, si pu? realizzare in modo efficiente, ad esempio in una stazione spaziale, un esperimento in cui il campione 1 cos? trattenuto, viene riscaldato con irraggiamento di luce o simili.

Bench? nella forma realizzativa precedente un elettrodo ad anello sia diviso in una pluralit? di elettrodi circolari per servire sia come meccanismo per trattenere il campione stazionario lungo la direzione orizzontale, che come meccanismo per far ruotare il campione in modo controllato, ? da notare che lo stesso vantaggioso effetto pu? essere ottenuto disponendo separatamente elettrodi per il controllo della rotazione e collegando in modo indipendente gli alimentatori alternati a questi elettrodi.

Bench? nella forma realizzativa che precede una pluralit? di elettrodi circolari che costituisce l'elettrodo ad anello sia disposta cilindricamente, questi elettrodi non devono essere necessariamente disposti in configurazione rigidamente cilindrica.

Un'altra forma realizzativa della presente invenzione verr? ora spiegata con riferimento alle Figg. 3, 4(A) e 4(B).

La Fig. 3 mostra schematicamente la disposizione della seconda forma realizzativa del levitatore secondo la presente invenzione, e le Figg. 4(A) e 4(B) mostrano la relazione tra il campo magnetico e la forza agente sul campione mostrato in Fig. 3. Con riferimento a queste figure, il levitatore secondo questa forma realizzativa prevede elettromagneti 10, 11, 12 e 13 per la rotazione che sono rispettivamente costituiti da quattro bobine di solenoide equidistanziate, situate in corrispondenti posizioni attorno ad un elettrodo ad anello 6a.

Quella che segue ? una descrizione del funzionamento del levitatore secondo questa forma realizzativa disposta come sopra descritta.

Gli elettrodi 4a, 4b, 6a e 6b ed il funzionamento del campione stazionario 1 sono gli stessi di quelli della tecnica anteriore.

Con il campione 1 in condizione di levitazione e mantenuto stazionario tra gli elettrodi a disco 4a e 4b, gli elettromagneti 10, 11, 12 e 13 sono rispettivamente alimentati con correnti alternate (AC) che hanno lo stesso periodo e la stessa ampiezza e sono sfasate di 90? fra loro. Le Figg. 4(A) e 4(B) mostrano la forza che agisce sul campione 1 quando il polo N viene formato all?estremit? superiore dell'elettromagnete 10, il polo S viene formato all'estremit? superiore dell'elettromagnete 12, l'elettromagnete 11 si trova in uno stato transitorio dal polo S al polo N in corrispondenza dell'estremit? superiore, e l'elettromagnete 13 si trova in uno stato transitorio dal polo N al polo S in corrispondenza dell'estremit? superiore, come mostrato in Fig. 3.

Con riferimento alle Figg. 4(A) e 4(B), il campo magnetico complessivo che viene generato dagli elettromagneti 10, 11, 12 e 13 pu? essere scomposto secondo due componenti, cio? la componente Bv secondo la direzione verticale e la componente Bh secondo la direzione orizzontale che interseca gli elettromagneti 10 e 11. Le frecce in queste figure rappresentano correnti parassite localmente indotte dai campi magnetici variabili Bv e Bh. La corrente parassita complessiva pu? essere scomposta secondo due componenti, cio? la corrente Iv secondo la direzione verticale e la corrente Ih secondo la direzione orizzontale.

Secondo la legge dell?induzione elettromagnetica, l'interazione tra Bv ed Iv genera la forza Fv, mentre l'interazione tra Bh ed Ih genera la forza Fh, le quali formano una forza di rotazione.

Bench? nella forma realizzativa precedente quattro elettromagneti siano disposti nel piano orizzontale, ? da notare che, se si impiegano otto elettromagneti come mostrato in Fig. 5, e tra di essi quattro opportuni elettromagneti, ad esempio gli elettromagneti 10, 13, 14 e 17, sono combinati insieme, ? possibile far ruotare il campione 1 nella direzione verticale. Se gli elettromagneti 10, 13, 15 e 16 vengono combinati insieme, il campione 1 pu? essere fatto ruotare in un piano inclinato a 45?.

Bench? nelle forme realizzative precedenti siano previsti quattro oppure otto elettromagneti, il numero di elettromagneti impiegati pu? essere di uno, oppure qualsiasi numero maggiore diverso da quattro o da otto.

Bench? nelle forme realizzative precedenti gli elettromagneti siano disposti attorno ad un elettrodo ad anello, questi elettromagneti possono essere disposti tra l'elettrodo a disco e l'elettrodo ad anello.

Bench? nelle forme realizzative precedenti siano previsti elettrodi a disco e ad anello, possono essere previsti solo elettrodi a disco o solo elettrodi ad anello.

Verr? ora illustrata ancora un'altra forma realizzativa della presente invenzione con riferimento alla Fig. 6, in cui gli stessi riferimenti numerici di quelli usati in Fig. 1 indicano gli stessi o corrispondenti elementi. I riferimenti numerici 20 e 21 indicano fasci laser che vengono applicati al campione 1 da diverse direzioni per imprimere solo forza di rotazione al campione 1. I riferimenti numerici 22 e 23 indicano oscillatori laser per produrre in uscita i fasci laser 20 e 21, rispettivamente, gli oscillatori laser 22 e 23 essendo disposti in modo che le rispettive lunghezze focali e posizioni di irraggiamento dei fasci laser 20 e 21 possano essere regolate come desiderato. Ad esempio, gli oscillatori laser 22 e 23 vengono regolati in modo che i fasci laser 20 e 21 aventi lo stesso livello di uscita vengano applicati a due punti di irraggiamento, rispettivamente, che siano in simmetria reciproca rispetto al baricentro del campione 1, e che siano applicati in direzioni reciprocamente opposte che sono prossime alle linee tangenziali o di tangenza del campione 1 ai due punti simmetrici.

Con il campione 1 in levitazione e mantenuto stazionario allo stesso modo della tecnica anteriore, un punto di irraggiamento sul campione 1 viene irradiato con il fascio laser 20 proveniente dall'oscillatore laser 22 secondo una direzione che ? prossima alla linea tangenziale del campione 1 in questo punto di irraggiamento. Inoltre, un altro punto di irraggiamento, che ? simmetrico del primo punto di irraggiamento rispetto al baricentro del campione 1, viene irradiato con il fascio laser 21 proveniente dall'oscillatore laser 23 secondo una direzione che ? opposta alla direzione del fascio laser 20 e che ? vicina alla linea tangenziale del campione 1 nella seconda posizione di irraggiamento.

Conseguentemente, il campione 1 viene fatto ruotare attorno alla propria verticale dai fasci laser 20 e 21 senza cambiarne la posizione. In altre parole, il campione 1 viene fatto ruotare dai fasci laser 20 e 21, ma nessuna forza per il movimento lineare viene applicata al campione 1.

E' da notare che se gli oscillatori laser 22 e 23 vengono regolati in modo che i fasci laser 20 e 21 vengano applicati ai lati inferiore e superiore, rispettivamente, del campione 1, allora il campione 1 pu? essere fatto ruotare attorno al suo asse orizzontale. E' possibile far ruotare il campione 1 in qualsiasi direzione desiderata con un metodo analogo a quello indicato in precedenza.

Il campione 1 viene cosi forzato a ruotare in qualsiasi direzione desiderata mediante l'irraggiamento con due fasci laser 20 e 21, consentendo cos? di cambiare la direzione del campione 1 come desiderato.

Bench? nella forma realizzativa precedente vengano impiegati due fasci laser 20 e 21, possono essere impiegati anche tre o piu.fasci laser. Nella forma realizzativa sopra descritta, la presente invenzione viene applicata ad un levitatore elettrostatico, ma essa pu? analogamente essere applicata ad un levitatore elettromagnetico; anche in tale caso si ottengono gli stessi vantaggi conseguiti nella forma realizzativa precedente. Bench? nella forma realizzativa precedente due fasci laser 20 e 21 vengano impiegati come fasci ad alta uscita per imprimere forza di rotazione al campione 1, per ottenere lo stesso effetto possono essere impiegati altri fasci ad alta uscita, ad esempio fasci di particelle cariche.

La Fig. 7 mostra una ulteriore forma realizzativa della presente invenzione in cui gli stessi riferimenti numerici della Fig. 1 indicano gli stessi o corrispondenti elementi. Il riferimento numerico 22 indica un magnete permanente a barra che ? disposto in modo da intersecare ad angoli retti l'asse centrale mutuo O degli elettrodi 4a, 4b, 6a e 6b, ed in bisimmetria rispetto all'asse centrale O , il magnete permanente 22 essendo trascinato in rotazione attorno all'asse centrale O da mezzi di trascinamento (non mostrati).

Mentre il campione 1 viene fatto levitare e mantenuto stazionario, il magnete permanente 22 viene fatto ruotare, ad esempio, nella direzione della freccia A mostrata in Fig. 7.

Conseguentemente, il campione 1 ruota nella stessa direzione di rotazione del magnete permanente 22 in accordo con la legge dell'induzione elettromagnetica.

La Fig. 8 mostra la forza che agisce sul campione 1 per effetto dell'induzione magnetica, in cui B indica la direzione del campo magnetico del magnete permanente 22, I la componente di corrente, tra le correnti parassite generate come risultato della variazione di campo magnetico del magnete permanente 22 che produce la forza di rotazione, ed F la forza che agisce sul campione 1 per l'interazione tra la corrente parassita I ed il campo magnetico B. E' da notare che in questo caso l'effetto dell'induzione elettromagnetica si considera sull'equatore del campione 1.

La Fig. 9 mostra un'altra costruzione della forma realizzativa mostrata in Fig. 7, in cui un magnete permanente 23 ad U viene impiegato al posto del magnete permanente a barra 22, ed il magnete permanente 23 ? disposto tra l'elettrodo a disco 4a e l'elettrodo ad anello 6a in modo da ruotare attorno all'asse centrale O. Anche in questo caso ? possibile ottenere gli stessi vantaggi conseguiti nella forma realizzativa precedente. Bench? nella disposizione mostrata in Fig. 9 il magnete permanente sia disposto tra i due elettrodi 4a e 6a, esso pu? essere disposto all'esterno dell'elettrodo ad anello 6a.

La Fig. 10 mostra un'altra costruzione della forma realizzativa mostrata in Fig. 7, in cui l'elettrodo a disco 4a ? formato da un magnete permanente per sostituire il magnete permanente 22, e questo elettrodo 4a viene trascinato in rotazione attorno all'asse centrale O. Anche questa disposizione consente di ottenere gli stessi vantaggi conseguiti nella forma realizzativa precedente.

Bench? nelle forme realizzative precedenti il campione 1 venga fatto ruotare attorno all'asse centrale 0, se il piano di rotazione del magnete permanente viene cambiato in un altro piano, ad esempio il piano verticale, ? possibile far ruotare il campione 1 in una direzione diversa da quella di cui sopra.

Come si ? descritto in quanto precede, secondo la presente invenzione ? possibile far ruotare il campione in modo controllato, e quindi eseguire un esperimento in cui il campione viene riscaldato in modo uniforme in un ambiente a microgravit?.

Bench? la presente invenzione sia stata descritta in termini specifici, si deve qui segnalare che le forme realizzative descritte non sono necessariamente esclusive, e che diverse modifiche e variazioni possono essere apportate ad esse senza uscire dall'ambito dell'invenzione che ? limitato esclusivamente dalle allegate rivendicazioni.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Levitatore avente un rivelatore di posizione per rivelare la posizione di un campione, un alimentatore variabile la cui tensione di uscita varia in accordo con l'uscita di segnale dal rivelatore di posizione, una coppia di elettrodi piani collegati a due rispettive estremit? dell'alimentatore variabile e disposti in relazione opposta fra loro, ed un elettrodo ad anello disposto in modo da circondare ciascuno degli elettrodi piani, ed a cui ? applicata una tensione maggiore di quella applicata al corrispondente elettrodo piano da un alimentatore CC, mantenendo cos? il campione stazionario nella posizione desiderata mediante gli elettrodi piani e gli elettrodi ad anello, in cui il perfezionamento comprende mezzi per far ruotare detto campione mentre viene mantenuto stazionario.
2. 2. Levitatore secondo la rivendicazione 1, in cui detto elettrodo ad anello comprende una pluralit? di elettrodi circolari ottenuti dividendo quest'ultimo, detti mezzi per far ruotare il campione avendo un alimentatore alternato la cui tensione di uscita varia periodicamente, detto alimentatore alternato essendo collegato a ciascuna coppia di elettrodi circolari adiacenti costituenti detto elettrodo ad anello.
3. 3. Levitatore secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per far ruotare il campione prevedono almeno un elettromagnete disposto in una posizione prestabilita all'esterno dell'elettrodo ad anello, per far ruotare detto campione mediante il campo magnetico prodotto dal detto elettromagnete.
4. 4. Levitatore secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per far ruotare il campione prevedono un irradiatore che irraggia detto campione con una pluralit? di fasci ad alta uscita da diverse direzioni per applicare al campione soltanto forze di rotazione.
5. 5. Levitatore secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi per far ruotare il campione prevedono un magnete permanente che viene trascinato in modo da ruotare mentre viene impresso un campo magnetico nello spazio in cui ? situato il campione.