Пылевая плазма в стратах тлеющего разряда постоянного тока

Актуальность работы.

Ионизованный газ, содержащий мелкодисперсные пылевые частицы, является предметом изучения в течение многих лет. Однако в последние десятилетия прогресс в этой области был особенно стремительным в связи с различными техническими приложениями (процессы горения, плазменные технологии, физика атмосферы, управляемый термоядерный синтез). Пыль и пылевая плазма так же широко распространены во вселенной (планетные кольца, межзвездные облака, хвосты комет).

Кристаллизация пылевых частиц в плазме была предсказана в 1986 году. В [1] было показано, что пылевые частицы, помещенные в газоразрядную плазму, заряжаясь и взаимодействуя посредством экранированного кулоновского потенциала, при определенных условиях должны образовывать упорядоченные структуры жидкостного и даже кристаллического типа. Пылевая компонента таким образом становится сильно неидеальной, то есть в ней энергия взаимодействия частиц существенно больше их энергии их теплового движения.

Следует отметить, что получение неидеальной плазмы при наличии только электронной и ионной компоненты крайне затруднено. Действительно, параметр неидеальности для такой плазмы выражается как [2] г., 4, (1) где Т — температура плазмы, а X ~ (Т/п)'/2 — радиус Дебая. Плазма считается неидеальной когда Гер>. Таким образом, создание неидеальной плазмы сводится к созданию плотной и одновременно холодной плазмы. Эти два требования являются взаимно противоречивыми, поскольку в равновесных условиях увеличение температуры плазмы ведет к увеличению ее концентрации.

Пылевые частицы, попадая в газоразрядную плазму, приобретают отрицательный заряд, определяемый равенством потоков электронов и ионов, которые согласно теории ограниченных орбит записываются следующим образом [3]: je = neve exp ефЛ Т.

Ji = nivi f A> 1.

T. i У.

2).

3) где je, ji, ne"ni, ve"Vi, Te, Ti — электронные и ионные потоки, плотности, тепловые скорости и температуры соответственно, ф — потенциал поверхности частицы. Заряд сферической пылевой частицы определяется следующим образом: фа/е, (4) где, а — радиус частицы. Таким образом, пылевая частица диаметром 1−5 мкм в плазме с электронной температурой ~ 3 эВ приобретает заряд 103 — 104 электронов.

Если в плазме есть электрическое поле Е, на пылевую частицу будет действовать электростатическая сила, равная:

Fe = EZde.

5).

Кроме этого, в лабораторных условиях на Земле всегда присутствует сила тяжести:

Fg = т^,.

6) где та — масса частицы. Равенство этих двух сил является условием левитации пылевой частицы. Заряженные частицы взаимодействуют друг с другом посредством экранированного кулоновского потенциала. Энергия их взаимодействия выражается следующим образом: zV г 1 ехр Я.

7) «scr J где d — расстояние между частицами, a Ascr — длина экранирования, которая для частиц микронного размера выражается следующим образом:

Л1Сг.

1 1 г + ^г.

Ч-½.

4 ке' т т.

— ½.

8).

Если эта энергия существенно превышает энергию теплового движения пылевых частиц, то в пылевой системе возможно возникновение ближнего, а затем и дальнего порядка. Параметр неидеальности для пылевой подсистемы выглядит следующим образом:

Г = у (9).

Согласно результатам моделирования для однокомпонентной плазмы [1] структуру можно считать жидкостной при Г~ 1, а при Г = 170 в системе заряженных пылевых частиц наступает кристаллизация.

Экспериментально кристаллизация пылевых частиц в плазме впервые была обнаружена в 1994 г. [4], и с тех пор исследования в этой области ведутся в десятках лабораторий по всему миру. Левитация пылевых частиц и формирование из них упорядоченных плазменно-пылевых структур наблюдались в плазмах самых различных видов: в термической плазме пламени горелки [5], в разрядах различных видов и конфигураций [4, 6−10], в ядерно-возбуждаемой плазме [11]. Эти явления исследовались не только в земных условиях, но и в условиях микрогравитации [12−14].

Такое возрастание интереса к изучению пылевой плазмы связано с тем, что формирующиеся в этой среде плазменно-пылевые структуры являют собой пример сильно связанной системы, доступной к наблюдению на кинетическом уровне, то есть на уровне поведения отдельных частиц среды. Преимуществом этой среды, к примеру, перед коллоидными растворами, где так же наблюдается упорядочение сильнозаряженных коллоидных частиц, является простота наблюдательной техники (межчастичные расстояния легко разрешаются в видимом свете, в то время, как для коллоидных систем необходимо применять мягкий рентген) и быстрота установления структур. Характерное время формирования плазменно-пылевых структур лежит в диапазоне от нескольких десятков секунд до нескольких минут. В коллоидных растворах этот промежуток может составлять дни и даже недели.

В настоящее время работы в области физики пылевой плазмы ведутся в нескольких направлениях, из которых можно выделить собственно формирование плазменно-пылевых структур и фазовые переходы, волновые явления, включая нелинейные, и проблемы, связанные с диагностикой пылевой плазмы, в особенности измерением заряда частиц и длины их экранирования. Обзор последних работ по физике пылевой плазмы дан в следующих работах [15, 16, 17].

Цель диссертацинной работы.

Основной целью работы является экспериментальное исследование плазменно-пылевых структур, образующихся в тлеющем разряде постоянного тока, получение количественных данных о заряде пылевых частиц, левитирующих в стратах, применение различных внешних воздействий для исследования плазменно-пылевых образований.

Научная новизна работы.

Новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые получены упорядоченные структуры из пылевых частиц сильно асимметричной формы, в которых наблюдался как пространственный, так и ориентационный порядок. Эти структуры получили название плазменных жидких кристаллов.

2. Разработан новый метод измерения зарядов пылевых частиц, левитирующих в плазме. Впервые проведены измерения зарядов пылевых частиц в условиях, когда длина свободного пробега ионов сопоставима с длиной экранирования пылевых частиц.

3. Предложен новый метод измерения поля сил, действующих на пылевую частицу, находящуюся в плазменной ловушке.

4. Предложен новый метод генерации неустойчивостей пылевой компоненты плазмы при помощи газодинамического воздействия. Обнаружено возникновение волн плотности пылевых частиц с большой амплитудой.

Научная и практическая ценность.

Применение в экспериментальных работах по пылевой плазме пылевых частиц сильно асимметричной формы дало возможность исследовать не только пространственное, но и ориентационное упорядочение. В работе было показано экспериментально, что ориентационное упорядочение в системе сильно асимметричных пылевых частиц возникает вследствие внешних воздействий, нарушающих цилиндрическую симметрию разряда, что позволяет говорить об этих структурах, как о плазменных жидких кристаллах.

Разработанный метод измерения заряда пылевых частиц, левитирующих в плазме, является на данный момент единственным методом, позволяющим измерять заряды пылевых частиц в условиях большого давления нейтрального газа, то есть когда частота трения пылевых частиц о нейтральный газ оказывается сравнимой, либо меньше характерных частот пылевой подсистемы. Фактически, этот метод является единственным методом, применимым к пылевым частицам, находящимся в плазме разряда постоянного тока. Его применение позволило измерить заряды пылевых частиц в условиях, когда длина свободного пробега ионов сопоставима с длиной экранирования пылевых частиц. Полученные данные представляют особую ценность, поскольку теория, описывающая зарядку пылевых частиц в этих условиях, отсутствует.

Необходимость измерения поля сил, действующих на пылевую частицу, находящуюся в плазменной ловушке, диктуется прежде всего задачами, связанными с моделированием поведения пылевых частиц в плазме и образования плазменно-пылевых структур. Параметры распределений силовых полей в этих задачах фактически являются свободными. Проведение измерений предложенным в данной работе методом позволяет уменьшить эту неопределенность.

Использование газодинамического воздействия для инициирования неустойчивостей в плазменно-пылевых структурах является особенно эффективным для плазмы тлеющего разряда. Обнаруженные в данных экспериментах волны плотности пылевых частиц имели большую амплитуду и распространялись со скоростью порядка скорости пылевого звука. Кроме того, время распространения волн намного превосходило полученное из оценок время их затухания. Подобные волновые явления наблюдались впервые.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на I, II и III Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, 1998, 2000, 2001), II Всероссийской конференции по молекулярной физике неравновесных систем (Иваново, 2000), III Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск,.

2000), XVI и XVIII Международной конференции «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» (Терскол, 2001, 2003), II Международном семинаре по пылевой плазме (Капри, Италия,.

2001), Конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2001), XXV Международной конференции по физике ионизованных газов (Нагойя, Япония, 2001), V Европейском семинаре по пылевой и коллоидной плазме (Потсдам, Германия,.

2001), III Международной конференции по технологии электрических и электронных материалов (Осака, Япония, 2001), III Международной конференции по физике пылевой плазмы (Дурбан, ЮАР, 2002), XXIX Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Монтрё, Швейцария,.

2002), III Международном симпозиуме по теоретической и прикладной плазмохимии (Плес, 2002), XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и У ТС (Звенигород, 2003), на научных семинарах в Институте нефтехимического синтеза РАН и Институте прикладной механики РАН. Публикации.

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, изложены в 20 печатных работах.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 126 страницах, включая 43 рисунка и 3 таблицы.

Список литературы

состоит из 69 наименований.

Заключение

.

1. Впервые выполнены эксперименты с пылевыми частицами сильно асимметричной формы. Обнаружены структуры, в которых протяженные частицы выстраиваются строго параллельно общей оси, а в расположении центров масс имеется ближний порядок. Эти структуры получили название плазменных жидких кристаллов;

2. Предложен метод измерения зарядов пылевых частиц, левитирующих в стратах тлеющего разряда постоянного тока. Измерены заряды пылевых частиц диаметром 1.87, 4.82 и 13.57 мкм при давлениях неона 0.5 и 1.5 Торр. Измерения заряда в условиях, когда длина свободного пробега ионов сравнима с длиной экранирования, проведены впервые;

3. Предложен метод измерения распределения сил в ловушке для пылевых частиц, левитирующих в плазме, с использованием термофоретической силы;

4. Впервые для инициирования неустойчивости в плазменно-пылевой структуре использовано газодинамическое воздействие. Обнаружено возникновение волн плотности пылевых частиц с большой амплитудой.