Актуальность работы.
Пылевая плазма представляет собой систему, состоящую из свободных электронов и ионов, нейтральных молекул и макроскопических пылевых частиц размером 1−100 мкм. Благодаря большому заряду пылевых частиц (102—105 электрона) потенциальная энергия взаимодействия между ними, пропорциональная произведению зарядов взаимодействующих частиц, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию, что означает возникновение сильнонеидеальной плазмы [1,2]. Анализ показывает, что при определенных условиях сильное межчастичное взаимодействие приводит к фазовым переходам типа «жидкость — твердое тело» и возникновению пространственно-упорядоченных структур, аналогичных упорядоченным структурам в жидкости или твердом теле.
В начале 90-х годов прошлого века рост интереса к пылевой плазме связан с открытием плазменно-кристаллических структур. Предсказанная вначале теоретически [3] кристаллизация пылевых частиц в низкотемпературной плазме была затем экспериментально обнаружена в плазме высокочастотного разряда вблизи приэлектродной области [4, 5, 6]. Затем упорядоченные структуры макрочастиц были обнаружены в термической плазме [7], плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока [8], в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме [9].
Присутствие сильнозаряженных пылевых частиц в плазме существенным образом сказывается на коллективных процессах. Пылевая компонента может не только модифицировать, но зачастую и определять спектр колебаний, влиять на эффекты затухания и неустойчивости. Наличие пылевых частиц приводит к возникновению новой ветви колебанийпылевого звука [10]. Благодаря низкой частоте (10−100 Гц) эти колебания особенно привлекательны с экспериментальной точки зрения. Изучение волновых явлений в пылевой плазме (солитоны, ударные волны, конусы Маха, линейные пылеакустические волны) сложилось в самостоятельную область среди современных направлений исследований в области пылевой плазмы.
В настоящее время в ряде лабораторий наряду с исследованиями образования упорядоченных структур, кристаллизации и фазовых переходов в системе пылевых частиц, процессов зарядки пыли в различных условиях, взаимодействия между частицами в плазме ведутся теоретические и экспериментальные исследования возникновения и распространения различных волн в пылевой компоненте [2, 11].
Цель диссертационной работы.
Основной целью работы является экспериментальное исследование волновых явлений в пылевой компоненте плазмы тлеющего разряда постоянного тока, генерируемых при внешнем импульсном воздействии на плазменно-пылевые структуры, получение количественных данных о параметрах возмущения пылевой компоненты, исследование поведения пылевых частиц из различных материалов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Выполнено экспериментальное исследование нелинейных колебаний пылевой компоненты в Зх-мерной плазменно-пылевой структуре из немагнитных и парамагнитных сферических частиц, генерируемых импульсным магнитным полем.
2. Впервые наблюдалось укручение фронта уплотнения пылевой компоненты при скорости распространения фронта, превышающем скорость пылевого звука, что позволяет трактовать данное нелинейное возмущение как ударную волну в пылевой компоненте.
3. Получены аномальные значения сжатия и изменения температуры в ударной волне пылевой компоненты.
4. Экспериментально определена скорость пылевого звука по тепловым колебаниям пылевой компоненты.
5. Предложен метод формирования волн в пылевой компоненте с варьируемой плотностью.
6. Получены экспериментальные данные зависимости скорости фронта ударной волны от плотности пылевой компоненты.
Научная и практическая ценность.
Новым направлением в изучении свойств пылевой плазмы является применение внешних воздействий на плазменно-пылевые структуры. Внешние воздействия используются для введения в пылевую плазму дополнительной энергии с целью изучения их поведения в экстремальных условиях. В диссертационной работе предложен метод воздействия на пылевую плазму тлеющего разряда постоянного тока импульсом магнитного поля. Полученные результаты показывают, что метод может использоваться для генерации возмущения плотности пылевой компоненты и получения новой информации о развитии нелинейных пылевых волн. Апробированный в работе анализ тепловых колебаний пылевой компоненты показывает возможность его использования для диагностических целей. Результаты работы могут применяться при создании плазменных установок с внешними воздействиями, управляющими поведением заряженных пылевых частиц.
Научные положения. выносимые на защиту.
1. Метод воздействия на плазменно-пылевую структуру импульсным магнитным полем с целью генерации возмущения плотности пылевой компоненты.
2. Метод двух — импульсного воздействия магнитного поля на плазменно-пылевую структуру для исследования распространения волн в пылевой компоненте с варьируемой плотностью.
3. Применение двумерного Фурье — анализа для определения скорости пылевого звука по тепловым колебаниям пылевой компоненты в трехмерной пылевой структуре.
4. Результаты экспериментального исследования образования и распространения фронта возмущения плотности пылевой компоненты (обнаружение разрыва плотности, формирование фронта, укручение фронта при скорости его распространения, превышающем расчетную скорость звука, аномальное значение сжатия и изменения температуры пылевой компоненты).
Апробация результатов работы.
Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах ИТЭС ОИВТ РАН (Москва) — 4-ом и 5-ом Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (МИФИ, Москва, 2003 и 2006 гг.) — Всероссийских конференциях «Физика низкотемпературной плазмы — 2004 и 2007» (Петрозаводск 2004 и 2007 гг.) — XIX Международной конференции «Уравнения состояния вещества» (Эльбрус 2004 г.) — Международной конференции по физике пылевой плазмы и приложениям (Одесса, Украина, 2004 г.) — Международной научной конференции «Электротехника, энергетика, экология» (Санкт-Петербург, 2004 г.) — 31-ая международная конференция Европейского физического общества по физике плазмы (Лондон, Великобритания, 2004 г.) — 4-ой Международной конференции по физике пылевой плазмы (Орлеан, Франция, 2005 г.) — Международной конференции по сильно неидеальным кулоновским системам (Москва, 2005 г.) — IV Всероссийской конференции по Физической электронике — 2006 (Махачкала, 2006 г.) — V Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, Беларусь, 2006 г.).
Публикации.
Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 13 печатных работах.
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 99 страницах, включая 39 рисунков и 5 таблиц.
Список литературы
состоит из 49 наименований.
3.5. Выводы.
В настоящей главе приведены результаты экспериментов, при проведении которых использовались методы внешнего воздействия, предложенные в главе 2. Для генерации возмущения в пылевой компоненте впервые использован апериодический импульс магнитного поля.
Полученное возмущение характеризуется разрывом в плотности и скорости пылевых частиц.
Впервые зарегистрировано укручение фронта возмущения пылевой компоненты.
Наблюдалось движение фронта со сверхзвуковой скоростью в разреженной области пылевого образования.
Вышеперечисленные признаки свидетельствуют о формировании ударной волны в пылевой компоненте.
Получены чрезвычайно высокие значения степени сжатия пылевой компоненты — до 15 раз, что превосходит предел сжатия для газов и твердых тел. Это возможно обусловлено специфическими особенностями самой пылевой плазмы.
Наблюдалось уменьшение кинетической температуры после прохождения фронта волны. Возможно, что аномальная компрессия пылевой компоненты и ударное охлаждение обусловлены процессами перекачки энергии между фоновой плазмой и пылевой подсистемой.
В эксперименте с двумя последовательными импульсами магнитного поля была получена зависимость скорости фронта от плотности, что говорит о применимости предложенного метода для варьирования плотности пылевой структуры.
Выполнены поисковые эксперименты с парамагнитными частицами, для создания дополнительного возмущения в пылевой компоненте.
Опробован метод двумерного Фурье-анализа для определения скорости пылевого звука в невозмущенной структуре.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Выполнено экспериментальное исследование нелинейных колебаний пылевой компоненты в Зх-мерной плазменно-пылевой структуре из немагнитных и парамагнитных сферических частиц, генерируемых импульсным магнитным полем.
2. Впервые наблюдалось укручение фронта уплотнения пылевой компоненты при скорости распространения фронта, превышающем скорость пылевого звука, что позволяет трактовать данное нелинейное возмущение как ударную волну в пылевой компоненте.
3. Получены аномальные значения сжатия и изменения температуры в ударной волне пылевой компоненты.
4. Экспериментально определена скорость пылевого звука по тепловым колебаниям пылевой компоненты.
5. Предложен метод формирования волн в пылевой компоненте с варьируемой плотностью.
6. Получены экспериментальные данные зависимости скорости фронта ударной волны от плотности пылевой компоненты.
