В плазме газового разряда, зачастую содержатся пылевые частицы, которые могут, как самопроизвольно образовываться в ней, так и вводиться специально. Типичный размер таких макрочастиц может варьироваться в диапазоне от сотых долей микрона до сотен микрометров. Попадая в плазму газового разряда пылевые частицы могут заряжаться потоками электронов и ионов плазмы, а также путем фото-, термоили вторичной эмиссии электронов [1−3]. Эмиссия электронов с поверхности частиц может привести к тому что частица станет положительно заряженной, если же частицы захватывают электроны, то их заряд становится отрицательным. Такую плазму, содержащую пылевые частиц, называют пылевой плазмой или плазмой с конденсированной дисперсной фазой.
В лабораторных условиях пылевая плазма наблюдалась еще Лэнгмюром в начале прошлого столетия, однако ее активное исследование началось лишь в последние десятилетия. Это связано с развитием целого ряда практических приложений, таких как технологии плазменного напыления и травления в микроэлектронике, производством тонких пленок и наночастиц, электродинамикой продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизикой магнитогидродинамических генераторов, и т. д. Кроме того, пылевая плазма занимает ключевое место в образовании звезд, планетных систем, планетарных колец, а также в процессах, протекающих в верхних слоях атмосферы [4−6]. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутников земли и в пристеночной области установок управляемого термоядерного синтеза [7−8].
Одной из особенностей пылевой плазмы является то, что благодаря относительно большим размерам частиц, их заряд Zd также.
У ^ может иметь чрезвычайно большие величины (порядка 10 -10 зарядов электрона). Например, в газоразрядной плазме низкого давления заряд пылевых частиц определяется в основном поглощением электронов и ионов плазмы и может быть оценен как Zd ~-adTJe1, что для радиуса частицы ad ~ 1 мкм и температуры электронов Те ~ 1 эВ дает, Zd ~ 103 элементарных зарядов. В результате чего средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, зависящая от Z/, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию, что означает возникновение сильнонеидеальной плазмы [9]. В качестве параметра, характеризующего неидеальность пылевой плазмы, принято использовать параметр неидеальности Г, равный отношению потенциальной энергии кулоновского взаимодействия к кинетической энергии хаотического («теплового») движения, характеризуемого температурой частиц Td r = Z2de2n'd/3/Td j где n’Jn — среднее расстояние между частицами.
Из простейшей и наиболее изученной модели однокомпонентной плазмы известно, что при Г > 1 в системе появляется ближний порядок, а при Г = 106 однокомпонентная плазма кристаллизуется. В ряде работ, основываясь на качественных результатах модели однокомпонентной плазмы, было высказано предположение о возможности появления ближнего порядка в термически равновесной пылевой плазме [2].
Аналогичные рассуждения привели Икези к выводу о возможности кристаллизации пылевой подсистемы в неравновесной газоразрядной плазме. Спустя несколько лет пылевой кристалл удалось наблюдать экспериментально сначала в плазме емкостного высокочастотного (вч-) разряда вблизи границы приэлектродной области, а затем и в плазме тлеющего разряда постоянного тока, в термической плазме атмосферного давления и фотоиндуцированной плазме, а также в ядерновозбуждаемой плазме при различных способах ее индукции.
Лабораторная пылевая плазма является хорошей экспериментальной моделью для изучения различных 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 также являются прекрасным инструментом и при изучении свойств сильно неидеальной плазмы. Исследования пылевой плазмы активно проводятся в лабораториях разных стран. Основные трудности при изучении свойств пылевой плазмы связаны с отсутствием адекватных теоретических моделей для ряда наблюдаемых явлений. Для решения данных проблем широко используется численное моделирование. Однако применение результатов такого моделирования для анализа экспериментов ограничено, например тем обстоятельством, что реальная форма потенциала взаимодействия между макрочастицами в пылевой плазме зависит от множества разных факторов и зачастую неизвестна, а так же и другими факторами. Таким образом, определение параметров, отвечающих за состояние системы частиц, является важной задачей, как для физики неидеальной пылевой плазмы, так и для многих других областей естественных наук.
В последнее время в области физики пылевой плазмы наблюдается рост интереса к проблемам, связанным с возникновением и развитием различных неустойчивостей. Появляются публикации, посвященные анализу условий самовозбуждения колебаний пылевых частиц в плазме [10−28]. Часть работ адресована экспериментальному наблюдению вихревого движения пылевых частиц в разных типах плазмы: газового разряда постоянного тока [14,21,23], емкостного высокочастотного (ВЧ) разряда [10,17], в ядерно-возбуждаемой плазме при различных способах ее индукции [15]. Следует упомянуть и первую попытку кристаллизации пылевой системы в условиях микрогравитации [16], и недавние эксперименты на Международной космической станции (МКС) [22], которые привели к образованию пылевых вихрей в камере ВЧ-разряда.
Вращение макрочастиц с градиентом заряда вдоль оси цилиндрической системы в поле радиальной силы ионного увлечения впервые наблюдались в численных экспериментах [19]. Однако аналитической модели, способной прогнозировать условия возникновения этих вращений, их направление или угловую скорость, на тот момент предложено не было. Теория возбуждения вихрей в неоднородной плазме была предложена в работе [24], где впервые была рассмотрена самосогласованная задача о развитии конвективной (дисперсионной) неустойчивости в поле силы ионного увлечения с учетом распределения плотностей плазменной и пылевой компоненты и найдены пороги возбуждения этой неустойчивости при учете диссипации на нейтралах.
О влиянии сил ионного увлечения на формирование вихревого движения пылевых частиц в условиях экспериментов на МКС упоминалось также в-работе-[22],-где для анализа динамики вращения — — ¦ макрочастиц использовалась модель, разработанная для системы макрочастиц с градиентом заряда в поле силы тяжести и описывающая динамику развития абсолютной (диссипативной) неустойчивости [20]. Качественная проверка механизма формирования различных пылевых колебаний в неоднородной плазме тлеющего разряда постоянного тока и ВЧразряда в условиях тяжести земли приведена в работах [10,21,23]. И только недавно, в работе [29] была предложена аналитическая модель, обобщающая анализ условий развития неустойчивостей для пылевой плазмы с градиентом заряда макрочастиц в поле действия неэлектростатических сил. Однако эта работа носит скорее теоретический аспект и не дает полного представления об экспериментальном исследовании вихревых движений пылевых частиц в тлеющем разряде постоянного тока.
Для диагностики пылевых частиц и их пространственных структур успешно используются оптические и спектроскопические методы, а так же методы, основанные на непосредственном наблюдении пылевых частиц. Однако классические методы диагностики в пылевой плазме оказываются применимыми далеко не всегда. Используя такие методы мы вынуждены делать дополнительные предположения о характере поведения пылевого образования, такие как его изотропность, симметрия или отсутствие движения вдоль третьей координаты. В случае же исследования динамических плазменно-пылевых структур необходимы другие методы наблюдения, например использование голографической видеосъемки [30]. Однако метод этот сопряжен с большими техническими трудностями ведения эксперимента эксперимента и последующей обработки полученных данных. Другие способы трехмерной диагностики пердставлены методом задания третей степени свободы градиентами интенсивности подсветки [31], длины волны или сканированием структуры узким пучком лазерного излучения. Подобные методики используют ресурсы единственной видеокамеры, что приводит к существенным ограничением как на технические параметры видеокамеры так и на условия самого эксперимента.
В ходе экспериментального исследования пылевой плазмы часто используются методы, включающие в себя внешнее воздействие на пылевую структуру. Одним из способов воздействия на пылевую плазму является наложение внешнего магнитного поля. Актуальность таких исследований обусловлена развитием термоядерных исследований. Учет влияния магнитного поля важен, например, при рассмотрении поведения частиц конденсированной дисперсной фазы в пристеночной плазме установок ТОКАМАК.
В работе [32] в эксперименте воздействие магнитным полем осуществлялось постоянным магнитом, расположенным под нижним электродом и создающим в разряде продольное магнитное поле напряженностью 140 Гс. Плоская структура с круговой симметрией вращалась вокруг своей оси, при этом угловая скорость вращения л составляла ~ 10″ рад/с. Интересной особенностью эксперимента было наличие свободной от пылевых частиц области (войда) в центре структуры. В работе установлено, что поведение пылевых частиц существенно зависит от мощности разряда. При малой вкладываемой мощности пылевые частицы вращаются в направлении электронного циклотронного вращения. При этом угловая скорость частиц различна на разных расстояниях от центра и увеличивается к периферии.
Воздействие магнитного поля рассматривалось и в других работах. Так, в [33] было обнаружено и исследовано движение плазменно-пылевых структур, зависящее от магнитного поля представленного диапазоном от 0 до 400 Гс. В работах в качестве генератора магнитного поля использовались катушки в центр которых была помещена газоразрядная трубка. Подсветка структуры осуществлялась послойно лазерным ножом. При наложении магнитного поля и постепенном его увеличении происходило сокращение в продольном направлении структуры. В ходе эксперимента при каждом значении магнитного поля были выделены несколько горизонтальных сечений структуры и произведена их видизапись. При воздействии магнитного поля индукцией 350 Гс, структура превращалась в монослой. В результате измерений была представлена зависимость средней угловой скорости пылевой структуры от величины магнитного поля для разных сечений.
Для анализа изменения степени упорядоченности структуры в магнитных полях от 0 до 380 Гс в работе применялись парная кореляционная функция и парная функция распределения, имеющая смысл плотности частиц на расстоянии г от некоторой выбранной частицы. В результате чего в работе было выясненно, что в разных слоях по высоте структуры присутствует различный порядок.
В работах [32, 34−36] рассматривались возможные причины, приводящие к вращению пылевых структур в стратифицированном разряде. Поведение частицпри-наличии магнитного поля было объяснено авторами перестройкой радиального электрического поля в разряде. В отсутствии магнитного поля баланс заряженных частиц в разряде контролируется амбиполярной диффузией. В этом случае электрическое поле должно быть направлено к периферии. При появлении в плазме магнитного поля диффузия электронов затрудняется, и в центральных областях может возникать электрическое поле, направленное к оси разряда. Причем этот эффект, очевидно, должен усиливаться с увеличением мощности разряда. Движение же пылевых частиц, по мнению авторов, вызвано наличием азимутальной составляющей дрейфа ионов и соответствующей силой ионного увлечения. Азимутальный дрейф ионов вызван в свою очередь наличием скрещенных электрического и магнитного полей. Изменение направления электрического поля должно было вызвать изменение направления вращения пылевых частиц. В работе [36] для диагностики стратифицированного разряда использовались пробные зондирующие частицы, что позволило сделать вывод о потоке в рамках динамики уединенных пылевых частиц.
Основной целью данной работы являлось экспериментальное исследование пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поляразработка методики трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частицэкспериментальное исследование формирования вихревых пылевых структурполучение количественных данных о структурных и динамических параметрах плазменно-пылевых образований при — воздействии магнитного поля с индукцией в диапазоне 0−2500 Гс.
Научная новизна работы.
Новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана и реализована оптическая методика трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур на основе принципа бинокулярного зрения для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частиц.
2. С помощью разработанного метода трехмерной диагностики получены количественные данные о динамических характеристиках вихревых пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока.
3. Создан экспериментальный стенд для изучения пылевой плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поля с индукцией 0 — 3−104Гс.
4. Впервые проведены исследования плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока в магнитном поле с индукцией до 2,5−10 Гс. Получены кинетические температуры пылевых частиц, коэффициенты диффузии и параметр неидеальности при изменении индукции магнитного поля. Впервые при увеличении индукции магнитного поля до 700 Гс наблюдался уход пылевых частиц из приосевой области разряда в пристеночную область.
5. Обнаружено увеличение неидеальности плазменно-пылевой структуры и уменьшение коэффициента диффузии при увеличении индукции аксиального магнитного поля.
6. На основе анализа амбиполярной диффузии в замагниченой плазме предложено объяснение динамики пылевых частиц в тлеющем газовом разряде в магнитном поле. Проведены оценки максимальной индукции магнитного поля, при которой возможна левитация пылевых частиц в разряде.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методика трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур на основе принципа бинокулярного зрения для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частиц.
2. Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик вихревых пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока.
3. Экспериментальный стенд для изучения пылевой плазмы в аксиальном магнитном поле с индукцией в диапазоне 0 — 3−104Гс.
4. Результаты экспериментальных исследований формирования плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока в магнитном поле с индукцией до 2,5−103 Гс, в том числе результаты исследований вращения плазменно-пылевых структур в аксиального магнитном поле с индукцией до 700 Гс.
5. Экспериментально полученное увеличение неидеальности плазменно-пылевой структуры и уменьшение коэффициента диффузии при увеличении индукции аксиального магнитного поля.
6. Результаты исследования механизма изменения направления вращения плазменно-пылевых структур и уход пылевых частиц из приосевой области разряда в пристеночную область в замагниченной газоразрядной плазме.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на российских и международных конференциях: XL VII, XLVIII, XLIX Научных конференциях Московского Физико-Тёхничёского института, International Conference on Strongly Coupled Coulomb Systems (Moscow, 2005), 33rd European Physical Society Conference on Plasma Physics (Rome, 2006), XXII Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 2007), 34th European Physics Society Conference on Plasma Physics (Warsaw, 2007), 1st Workshop on the «Dust in Fusion Plasmas» (Warsaw, 2007), 2nd International Conference on the Physics of Dusty and Burning Plasmas (Odessa, 2007).
Стенд для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поля прошёл успешную проверку в ходе экспериментальных исследований. Работа автора «Вихри в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока» стала лауреатом конкурса «Новая генерация» в области энергетики и смежных наук. Автор с работой по разработке и реализации метода 3D диагностики стал победителем программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК») 2007 года.
5.3 Выводы к Главе 5.
В главе представлены результаты экспериментальных исследований воздействия сильного аксиального магнитного поля (до 2500 Гс) на плазменно-пылевые структуры в стратифицированном тлеющем разряде постоянного тока. Наблюдалось вращение небольших структур (с числом частиц около ста) в магнитном поле, причем с усилением магнитного поля направление вращения изменялось. Впервые наблюдался сдвиг пылевых частиц из центральной в пристеночную область газоразрядной трубки с сохранением угловой скорости вращения при увеличении магнитного поля до 700 Гс. Получены динамические характеристики пылевых структур при различных значениях индукции магнитного поля: кинетическая температура, коэффициент диффузии, а также эффективный параметр неидеальности. Предложено теоретическое объяснение инверсии угловой скорости вращения плазменно-пылевых структур, их разлета к стенкам, получены оценки предельного магнитного поля, при котором левитация пылевых частиц становится невозможна вследствие их падения на стенки газоразрядной камеры.
Заключение
.
В заключение сформулируем основные результаты, полученные в работе:
1. Разработана и реализована методика трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур на основе принципа бинокулярного зрения для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частиц.
2. С помощью разработанной методики трехмерной диагностики получены количественные данные о динамических характеристиках вихревых пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока. Определены профили распределения скоростей и кинетическая энергия частиц для различных участков вихревой структурыполучены значения градиента зарядов и радиуса экранирования X. Показано, что в условиях силы тяжести для формирования вихревого движения макрочастиц достаточно небольшого изменения их зарядов.
3. Создан экспериментальный стенд для изучения пылевой плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поля с индукцией 0−3*104 Гс, который состоит из следующих основных элементов: генератора магнитного полясистемы вакуумной откачки и газоразрядной трубкидиагностического комплекса для визуализации и регистрации плазменно-пылевых структур.
4. Впервые проведены исследования плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока в магнитном поле с индукцией до 2500 Гс. Получены кинетические температуры пылевых частицобнаружено увеличение неидеальности плазменно-пылевой структуры и уменьшение коэффициента диффузии при увеличении индукции аксиального магнитного поля до 300 Гс. Кроме того, при увеличении индукции магнитного поля до 700 Гс наблюдался уход пылевых частиц из приосевой области разряда в пристеночную область.
5. На основе анализа амбиполярной диффузии в замагниченой плазме предложено объяснение динамики пылевых частиц в тлеющем газовом разряде в магнитном поле. Проведены оценки максимальной индукции магнитного поля, при которой возможна левитация пылевых частиц в разряде.
Основные публикации по теме диссертации.
1. М. М. Васильев, С. Н. Антипов, Диагностика уединенной пылевой частицы в страте тлеющего разряда постоянного тока, Труды XLV научной конференции МФТИ, (Москва — Долгопрудный, 2002), часть VIII, е.
2. С. Н. Антипов, М. М. Васильев, Одномерные кристаллические структуры пылевых частиц под воздействием лазерного излучения в тлеющем разряде постоянного тока, Тезисы XVIII Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Эльбрус, 2003), с. 150.
3. М. М. Васильев, С. Н. Антипов, Сепарация пылевых частиц по размерам в плазменно-пылевых структурах в тлеющем разряде постоянного тока, Труды XLVI научной конференции МФТИ, (Москва — Долгопрудный, 2003), часть VIII, с. 11.
4. М. М. Васильев, С. Н. Антипов, Формирование вихревых пылевых структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока, Труды XLVII научной конференции МФТИ, (Москва — Долгопрудный, 2004), часть VIII, с. 115.
5. М.М. Vasiliev, S.N. Antipov, O.F. Petrov, Large-scaled vortices in dc glow discharge dusty plasma, Abstracts of International Conference on Strongly Coupled Coulomb Systems, (Moscow, Russia, 2005), p. 55.
6. М. М. Васильев, С. Н. Антипов, Воздействие сильного магнитного поля на плазменно-пылевые структуры в тлеющем разряде постоянного тока, Труды XLVIII научной конференции МФТИ, (Москва — Долгопрудный, 2005), часть VIII, с. 165.
7. M.M. Vasiliev, S.N. Antipov and O.F. Petrov, Large-scale vortices in dc glow discharge dusty plasmas, Journal of Physics A: Mathematical and General, Vol. 39, pp. 4539−4543,2006.
8. M.M. Vasiliev, S.N. Antipov, V.E. Fortov, V.D. Levchenko, O.F. Petrov, K.B. Statsenko, Vortices in dc Discharge Dusty Plasmas: One Mechanism and 3D Diagnostics, Proceedings of 33rd EPS Conference on Plasma Phys. Rome, 19−23 June 2006 ECA Vol.301, D-5.027 (2006).
9. K.B. Statsenko, Yu.V. Khrustalyov, S.N. Antipov, M.M. Vasiliev, V.D. Levchenko, O.F. Petrov, Structure and Melting of 3D Anisotropic Dust Crystals in dc Glow Discharges, Proceedings of 33rd EPS Conference on Plasma Phys. Rome, 19−23 June 2006 ECA Vol.301, D-5.028 (2006).
10. M.M. Васильев, C.H. Антипов, К. Б. Стаценко, Ю. В. Хрусталев, В. Д. Левченко, О. Ф. Петров, Трехмерная диагностика плазменно-пылевых структур, Статьи XXII Международной конференции Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество, стр. 302−305, (2007), Эльбрус.
11. М. М. Васильев, ЛГ Дьячков, СН Антипов, ОФ Петров, BE Фортов, Плазменно-пылевые структуры в магнитных полях в разряде постоянного тока, Письма в ЖЭТФ, том 86, вып. 6, стр. 414−419, (2007).
12. M.M. Vasiliev, S.N. Antipov, O.F. Petrov, Book of Abstracts of 34th European Physics Society Conference on Plasma Physics, (2007), Warsaw, Poland.
