Транспортные процессы в пылевой плазме: Численное моделирование и анализ экспериментов

Пылевая плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий заряженные частицы конденсированного вещества (пыль) микронных размеров, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне. Наличие макроскопических частиц в плазме может существенно влиять на ее химический и зарядовый состав, электрофизические и оптические свойства, а так же на процессы теплообмена и массопереноса. Макрочастицы в плазме могут заряжаться потоками электронов и ионов, а также путем фото-, термоили вторичной эмиссии электронов и приобретать значительный отрицательный или положительный электрическии заряд (~102−105 ё) [1−5]. Такие заряженные частицы эффективно взаимодействуют как между собой, так и с внешними электрическими (или магнитными) полями. Основным источником диссипации кинетической энергии пылевых частиц в слабоионизованной плазме являются их столкновения с нейтралами окружающего газа. Совместное действие внешних сил и сил межчастичного взаимодействия с процессами диссипации в такой плазме может приводить к формированию как квазистационарных плазменно-пылевых структур (подобных жидкости или твердому телу), так и к сложным колебательным, или хаотическим режимам [6−19].

Благодаря большим зарядам, которые могут приобретать макрочастицы, в пылевой плазме при типичных условиях реализуется весь диапазон состояний, от дебаевской плазмы до сильно неидеальной системы заряженных частиц. Термодинамические свойства пылевой плазмы во многом определяются величиной параметра неидеальности Г, равного отношению потенциальной энергии кулоновского взаимодействия к кинетической энергии хаотического («теплового») движения, характеризуемого температурой частиц Гр

T = Z2pe2n^/Tp, где п~рп — среднее расстояние между частицами. Заряд пылевых частиц Zp в плазме различной природы может быть очень большим. Например, в газоразрядной плазме низкого давления заряд определяется в основном поглощением электронов и ионов плазмы и его можно оценить как Zp —apTJ е2, что для радиуса частицы ар ~ 1 мкм и л температуры электронов Те ~ 1 эВ дает, Zp ~ 10 элементарных зарядов. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия пропорциональна произведению зарядов взаимодействующих частиц. Поэтому, неидеальности подсистемы пылевых частиц достичь значительно легче, чем неидеальности электрон — ионной подсистемы, несмотря на то, что концентрация частиц обычно намного ниже концентраций электронов и ионов.

Из простейшей и наиболее изученной модели однокомпонентной плазмы известно, что при Г > 1 в системе появляется ближний порядок, а при Г s 106 однокомпонентная плазма кристаллизуется [20]. Модель однокомпонентной плазмы не может претендовать на адекватное описание свойств пылевой плазмы, прежде всего из-за пренебрежения эффектами экранировки. Тем не менее, в ряде работ, основываясь на качественных результатах модели однокомпонентной плазмы, было высказано предположение о возможности появления ближнего порядка в термически равновесной пылевой плазме [3, 21]. Аналогичные рассуждения привели Икези [22] к выводу о возможности кристаллизации пылевой подсистемы в неравновесной газоразрядной плазме. Спустя несколько лет после опубликования этой работы пылевой кристалл удалось наблюдать экспериментально сначала в плазме емкостного высокочастотного (вч-) разряда вблизи границы прикатодной области [6−9]. Некоторое время спустя формирование упорядоченных пылевых структур было обнаружено в плазме тлеющего разряда постоянного тока [10−12], в термической плазме атмосферного давления и фотоиндуцированной плазме [13−15], а также в ядерновозбуждаемой плазме при различных способах ее индукции [16].

Следует отметить, что в лабораторных условиях пылевая плазма впервые наблюдалась Лэнгмюром ещё в 1920;х годах. Однако её активное исследование началось лишь в последние десятилетия в связи с целым рядом практических приложений, таких как электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика магнитогидродинамических генераторов [1,2], а также с использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике и развитием производства тонких пленок и наночастиц [23]. Необходимо добавить, что пыль и пылевые структуры играют заметную роль в космосе (в образовании звезд, планетных систем, планетарных колец и т. д.), а также в процессах, протекающих в верхних слоях атмосферы [24−26]. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутников земли и в пристеночной области установок управляемого термоядерного синтеза [26−28]. Новые возможности для изучения свойств пылевой плазмы появились с развитием ее экспериментальных исследований в условиях микрогравитации [15,17,29,30]. В стандартных лабораторных условиях наблюдаемые пылевые структуры удерживаются в поле тяжести Земли электрическим полем ловушки, формирующейся в газоразрядных камерах, а гравитация оказывает лимитирующее влияние на результаты экспериментов, поскольку позволяет проводить исследования лишь в узком диапазоне параметров пылевой плазмы ограниченном условиями, обеспечивающими левитацию макрочастиц в поле тяжести. Эксперименты в микрогравитации позволяют изучать широкий круг явлений (динамика крупных ~ 100 мкм частиц, фотоэмиссионная зарядка атмосферного аэрозоля и т. д.), наблюдение которых невозможно в лабораториях на Земле [29,30].

Лабораторная пылевая плазма является хорошей экспериментальной моделью для изучения различных транспортных процессов в системах взаимодействующих частиц, которые представляют широкий интерес, как в области физики неидеальной плазмы, так и в других областях естественных наук таких, как химия, физика атмосферы, астрономия и т. д. Обладая целым рядом уникальных свойств, плазменно-пылевые структуры являются незаменимым инструментом и при изучении свойств сильно неидеальной плазмы, и с точки зрения более глубокого понимания явлений самоорганизации вещества в природе. Экспериментальные исследования пылевой плазмы могут сыграть существенную роль в проверке существующих и развитии новых феноменологических моделей в теории жидкости. Такие модели имеют огромную значимость, поскольку, благодаря сильному межчастичному взаимодействию, в теории жидкости отсутствует малый параметр, который можно было бы использовать для аналитического описания ее состояния и термодинамических характеристик, как это возможно в случае газов.

Методам диагностики макрочастиц в неидеальных плазменно-пылевых системах уделяется значительное внимание в научной литературе. Развитие данных методов не только позволяет исследовать термодинамические свойства неидеальных систем, но и имеет большое прикладное значение. Пылевая частица в плазме может рассматриваться как зонд, параметры которого определяются параметрами окружающей плазмы. Таким образом, сама макрочастица может являться инструментом для определения электрофизических характеристик внешней среды.

Большинство методов, разработанных для измерения размеров, концентраций и показателя преломления частиц дисперсной фазы основаны на измерении их собственного излучения, или на регистрации ослабления и рассеяния света внешнего источника [31−33]. Для изучения структурной упорядоченности и динамических характеристик макрочастиц широко используют методы их непосредственной визуализации. Благодаря своему размеру, пылевые частицы могут быть сняты видеокамерой. Это позволяет проводить измерения на кинетическом уровне. В частности, возможно прямое определение функции распределения частиц по координатам и импульсам, что позволяет детально исследовать процессы их массопереноса и делает возможным реализацию принципиально новых методов диагностики параметров пылевых частиц и окружающей плазмы. В тех случаях, когда регистрация движения отдельных пылевых частиц оказывается невозможной (например, из-за собственного интенсивного излучения плазмы, малых размеров или высоких концентраций частиц) для определения их транспортных характеристик применяют методы корреляционной спектроскопии [34,35]. Это, прежде всего, относится к исследованиям свойств термической пылевой плазмы [36−39]. Плотность частиц в такой плазме может быть достаточно высока, чтобы влиять как на интенсивность их собственного излучения, так и на перенос излучения от внешнего источника, используемого для диагностики дисперсной среды, а наличие пространственного порядка в расположении макрочастиц приводить к появлению дифракционных максимумов для интенсивности рассеянного излучения [33,39,40].

В настоящее время исследования пылевой плазмы проводятся широким фронтом в лабораториях разных стран. Основные трудности при экспериментальном изучении свойств пылевой плазмы связаны с отсутствием адекватных теоретических моделей для ряда наблюдаемых явлений и однозначных связей транспортных характеристик исследуемых процессов (структурных функций, характерных частот собственных и вынужденных пылевых колебаний, коэффициентов массопереноса, оптических сечений для плотных дисперсных сред и т. д.), которые могут быть получены в процессе диагностических измерений, с основными характеристиками среды такими, как температура компонент плазмы, ее зарядовый состав, потенциал межчастичного взаимодействия, параметр неидеальности пылевой подсистемы, физико-химические свойства макрочастиц и т. д. Для решения данных проблем широко используется численное моделирование [41−48]. Однако применение результатов такого моделирования для анализа экспериментов ограничено, тем обстоятельством, что реальная форма потенциала взаимодействия между макрочастицами в пылевой плазме зависит от множества разных факторов и зачастую неизвестна, как и для многих других физических задач, требующих учета сил межчастичного взаимодействия. Таким образом, определение параметров, отвечающих за состояние системы частиц, взаимодействующих с различными типами модельных потенциалов, является важной задачей, как для физики неидеальной пылевой плазмы, так и для многих других областей естественных наук.

Исследования пылевой плазмы поставили много вопросов, ответ на которые не мог быть получен в рамках существующих теоретических представлений, например: о параметрах, отвечающих за фазовое состояние и процессы переноса макрочастиц в неидеальных пылевых системахо причинах самопроизвольной раскачки стохастических и регулярных пылевых колебаний в плазме различных типовоб условиях формирования динамических и квазистационарных пылевых структуро критериях фазовых переходов и т. д. Решению некоторых из этих вопросов и посвящена данная работа.

Целью данной работы являлось исследование различных транспортных процессов в пылевой плазме (таких, как зарядка пылевых частиц и их диффузия, фазовые превращения, формирование квазистационарных и динамических пылевых структур, перенос оптического излучения, процессы поляризации в двухкомпонентных системах), а также разработка простых аналитических моделей для анализа существующих экспериментов.

Для ее реализации было выполнено численное моделирование динамики макрочастиц в пылевой плазме, найдены аналитические аппроксимации для ряда транспортных характеристик, разработан и апробирован новый метод диагностики параметров межчастичного взаимодействия, проведен анализ экспериментальных наблюдений динамики макрочастиц в плазме разных типов (газоразрядной, термической и фотоиндуцированной), а также разработаны новые теоретические модели, позволяющие описать наблюдаемые в экспериментах явления.

В результате были: получены новые эмпирические критерии для линий фазовых переходов в системах частиц с экранированным взаимодействиемнайдены безразмерные параметры, отвечающие за фазовое состояние и транспорт макрочастиц с различными парными потенциалами взаимодействияпредложены новые аналитические модели, позволяющие описать различные механизмы формирования регулярных и стохастических пылевых автоколебанийполучены новые численные и экспериментальные данные о диффузии взаимодействующих макрочастицвыполнены исследования транспортных процессов в двухкомпонентных системах, индуцированных солнечным излучениемпроведен анализ влияния многократного рассеяния и пространственной корреляции макрочастиц на процессы переноса оптического излученияизучены условия формирования пылевых структур в термической плазме.

Автор выносит на защиту следующие научные положения:

1. Эмпирические критерии для линий фазовых переходов в системах макрочастиц, взаимодействующих с экранированным потенциалом.

2. Безразмерные параметры, определяющие фазовое состояние и процессы массопереноса в системах частиц с изотропным отталкивающим потенциалом парного взаимодействия.

3. Результаты численного исследования диффузии взаимодействующих частиц в неидеальных диссипативных системах.

4. Механизм формирования автоколебаний макрочастиц в неоднородной плазме с градиентами пылевых зарядов в поле неэлектростатических сил.

5. Результаты исследования стохастических флуктуаций пылевых зарядов и их влияния на динамику макрочастиц в пылевой плазме.

6. Метод определения эффективного параметра неидеальности и парного потенциала межчастичного взаимодействия из измерений диффузии макрочастиц.

7. Экспериментальный анализ микроскопического транспорта макрочастиц и динамики формирования пылевых вихрей в газоразрядной плазме.

8. Результаты экспериментального исследования транспортных процессов в двухкомпонентных системах (положительно заряженные макрочастицы + эмитированные ими электроны), индуцированных солнечным излучением.

9. Результаты исследования влияния многократного рассеяния и пространственной корреляции макрочастиц на перенос оптического излучения в дисперсных средах.

6.3. Выводы.

1. Представлены результаты экспериментального исследования динамики макрочастиц, заряженных путем фотоэмиссии в условиях микрогравитации. Найдены распределения скоростей, температуры, заряд, коэффициент трения и коэффициенты диффузии пылевых частиц.

Анализ экспериментальных результатов показал, что на начальных этапах измерений (t < 10 с) наблюдался процесс амбиполярной диффузии частиц, т. е. плотности зарядов обоих знаков были достаточно велики, чтобы в результате их разделения образовывался значительный пространственный заряд, который приводил к возникновению электрического поля поляризации. Эффекты поляризации разноименных зарядов приводили к снижению дрейфовых скоростей пылевых частиц относительно скорости их движения в системе, прозрачной для фотоэлектронов, а так же влияли на возникновение пылевых осцилляции, наблюдаемых после динамического воздействия на двухкомпонентную систему (макрочастицы + фотоэлектроны) при открытом солнечном излучении. Прямые экспериментальные наблюдения явлений, связанных с поляризацией зарядов в двухкомпонентной плазменно-пылевой системе, практически не осуществимы в обычных лабораторных условиях при наличии силы тяжести Земли.

В процессе экспериментов не было обнаружено сколь либо значительного влияния сил межчастичного взаимодействия ни на величину коэффициента диффузии частиц, который был близок к броуновскому D0, ни на амбиполярный перенос пыли, теория которого построена на пренебрежении кулоновскими столкновениями между зарядами обоих знаков. Поэтому можно предположить, что транспортные свойства сильно диссипативных систем (? «1) со слабым экранированием (к <1) пылевых зарядов с хорошей точностью описываются газодинамическим приближением, если параметр неидеальности системы Г не превышает 30−35.

Предложена оригинальная фотоловушка простой конфигурации для удержания частиц с положительными зарядами. Найдены условия формирования потенциальной ямы в центре ловушки и пространственные распределения потенциалов ее электрического поля. Исследована динамика формирования пылевых структур в поле ловушки и получено, что для эффективного удержания положительно заряженных макрочастиц в предлагаемой фотоловушке необходима оптимизация соотношений таких параметров, как их размер, начальная скорость и давление буферного газа. Результаты исследования могут быть легко адаптированы для любой ловушки электронно-эмиссионного типа.