Фазовые состояния и фазовые переходы в плазменно-пылевых структурах, формируемых в тлеющем разряде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

а правах ружописи

ИВАНОВ Артем Юрьевич

ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУРАХ, ФОРМИРУЕМЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

Специальность: 01.04.05 - оитика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 о ДЕК 2009

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2009

003487506

Работа выполнена на кафедре общей физики I физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель -

кандидат физико-математических наук,

доцент Карасев Виктор Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

доцент Митюрева Алла Александровна

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Молотков Владимир Иванович

Ведущая организация: Петрозаводский государственный университет

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2009 года в час. на заседании совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 1, Малый конференц-зал Физического факультета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького СПбГУ.

Автореферат разослан « » ноября 2009г.

Ученый секретарь совета, доктор физико-математических наук

Ионих Ю. 3.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Пылевая (комплексная) плазма представляет собой многокомпонентную плазму, в которой пылевая компонента (макрочастицы размером 0.01 -100 мкм) находится в состоянии сильной связи или сильных корреляций. Попадая в газоразрядную плазму, пылинки приобретают значительный отрицательный заряд (до 10б элементарных), что позволяет им удерживаться и левитировать в разрядной камере в области сильного электрического поля.

Поскольку используемые частицы имеют размеры порядка мкм и более, они эффективно рассеивают свет. Среднее расстояние между пылинками в разряде обычно составляет доли миллиметра, что позволяет в экспериментах регистрировать пылевые структуры в оптическом диапазоне методом прямой визуализации.

Одним из методов изучения пылевой плазмы является наложение разного рода внешних воздействий: тепловых градиентов, оптических и радиоактивных излучений, ударных волн, постоянных и переменных электрических и магнитных полей, а также нескольких воздействий разной природы одновременно.

Среди приложений пылевой плазмы сегодня известны экология, энергетика, технологические процессы. Но основным приложением пока являются фундаментальные исследования: процессы самоорганизации, фазовые переходы, взаимодействие плазмы с веществом, нелинейные явления и др.

В пылевой компоненте формируются структуры жидкостного или кристаллического типов, если параметр связи Г = и/(кТ) (и - потенциальная энергия взаимодействия пылевых частиц, Т - их температура) достигает величины 1 и более. В 1986 г. Икези было высказано предположение о возможной кристаллизации пылевой компоненты в неравновесной газоразрядной плазме. В 1994 г. плазменно-пылевой кристалл экспериментально наблюдался в плазме высокочастотного разряда, вблизи нижнего электрода на границе прикатодной области.

Упорядоченные состояния структур, сформированных в газовом разряде, обладают целым рядом уникальных свойств. К ним следует отнести простоту получения и наблюдения объекта и управления его параметрами, а также малые времена установления равновесия и отклика на внешние возмущения; возможность проводить измерения на кинетическом уровне: напрямую определять функцию распределения пылевых частиц, детально исследовать фазовые переходы и процессы самоорганизации в структуре.

Все перечисленное составляет актуальность исследований пылевых структур в газовом разряде. Кроме того, эта область исследований представляет междисциплинарный интерес, относясь к физике твердого тела, физике плазмы, оптике, термодинамике и астрофизике, что существенно усиливает её актуальность.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Получение в экспериме1гте упорядоченных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде. Количественный анализ их упорядоченности. Применение

внешних воздействий для изменения фазового состояния структуры. Исследование упорядоченности и типов упаковки пылевой структуры в страте методом оптического сканирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

Впервые наблюдался и количественно зарегистрирован фазовый переход типа плавления пылевой структуры в тлеющем разряде при изменении магнитного поля. Установлено, что магнитное поле является управляющим параметром для изменения состояния пылевой структуры.

Создана объемная стабильная структура в страте тлеющего разряда, содержащая более 6000 частиц. На основе изображений двумерных сечений структуры описано фазовое состояние с помощью корреляционных функций. Установлено существование высокоупорядоченных областей с гексагональной упаковкой.

Впервые произведено преобразование типа упаковки в пылевой структуре посредством изменения формы её границ с помощью внешнего термофорегтического воздействия.

Впервые исследовано объемное расположение частиц в трехмерной пылевой структуре, сформированной в стратах тлеющего разряда, с помощью оптического сканирования. Установлены существующие в ней типы упаковки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, о состоянии плазменно-пылевых структур в магнитном поле. Вьивлена роль магнитного поля, как параметра влияющего на упорядоченность плазменно-пылевой структуры.

Исследование объемных структур при различных воздействиях важно для понимания процессов формирования упорядоченных структур и изменения их степени порядка. В частности, для экспериментального моделирования кристаллов и изучения фазовых переходов.

В работе подобраны условия газового разряда постоянного тока, в которых созданы объемные высокоупорядоченные структуры. Такие структуры могут послужить объектом исследований фазовых состояний и фазовых переходов на кинетическом уровне как модель вещества в кристаллическом состоянии.

Предложен и применен метод активного контроля упаковкой частиц с помощью выстраивания границ структуры в регулируемом температурном поле. Этот метод может быть использован для изучения возможных устойчивых упаковок в твердой фазе вещества и их свойств.

Предложен способ уплотнения и перераспределения расположения частиц посредством многократной вариации разрядного тока.

Усовершенствован метод определения объемного расположения частиц в плазмешго-пылевой структуре с большим числом частиц.

Полученные новые результаты используются в учебном процессе.

ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Наблюдение фазового перехода типа плавления, инициированного магнитным полем, в пылевых структурах, сформированных в стратах тлеющего разряда.

2. Создание объемной стабильной структуры в стратифицированном разряде. Описание её фазового состояния с помощью автокорреляционных функций, рассчитанных для частиц, находящихся в одном горизонтальном сечении структуры.

3. Управление расположением частиц в структуре с помощью формирования её границ контролируемым термофоретическим воздействием.

4. Распознавание типа объемной упаковки высокоупорядоченной структуры с помощью оптического сканирования положений её частиц.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на XIII и XIV Международном конгрессе по физике плазмы (Киев 2006; Фукуока, Япония 2008), Конференции по пылевой плазме и процессам горения (Одесса 2007), V Международной конференции по физике пылевой плазмы (Понта Делагра, Португалия 2008), V и VI Международной конференции по физике плазмы и илазмеиным технологиям (Минск 2006, 2009), XXXIV Международной конференции по физике плазмы (Карлсруэ, Германия 2008), Всероссийской научной молодежной школе 'Проблемы и приложения электроразрядной обработки в индустрии наносистем и наноматериалов' (Петрозаводск 2009), а также докладывались и обсуждались на заседаниях Кафедры Общей физики 1 СПбГУ.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в шести статьях, а также в тезисах докладов, список которых приводится в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации состоит из 93 страниц, включая 41 рисунок, список литературы состоит из 77 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая ценность работы.

В Главе 1 приведен обзор литературы об основных методах описания фазового состояния плазменно-пылевых структур на основе изображений их горизонтальных сечений.

Описаны эксперименты, в которых впервые наблюдались и были количественно описаны с помощью этих методов фазовые состояния и фазовые переходы в пылевых структурах.

Рядом авторов для количественной оценки фазовых состояний, наблюдаемых в структурах, была применена методика, основанная на изучении корреляции координат частиц, находящихся в горизонтальном слое структуры [1]. Эта методика позволила сравнивать между собой результаты, полученные в разных условиях, а также соотнести наблюдаемые состояния с состояниями в обыкновенном веществе. При описании фазовых состояний в двумерной решетке отдельно рассматриваются трансляционный и ориентационный порядок в структуре, которые характеризуются соответственно парной корреляционной функцией g(r) и ориентационной корреляционной функцией gб(r).

В литературе встречаются две двумерные модели фазового перехода типа плавления в пылевых структурах. Одна из них - КТНЫУ (Коз1егНй-Т1юи1езз-На1регт-Ке180п-Уоип§) [2] предсказывает два последовательных перехода от кристаллопобного к жидкостному состоянию через промежуточное состояние, названное «гексатической» фазой, в которой трансляционный порядок нарушен, а ориентационный - сохраняется. Следуя теории КТЮ1У, корреляционные функции g(r) и gб(r) изменяют характер поведения в зависимости от состояния, определив который из эксперимента, можно классифицировать наблюдаемое состояние.

Следующий подход при определении фазового состояния в пылевой плазме был развит в работах [3], в которых проводилось комплексное экспериментальное изучение фазового перехода (плавления) структуры, вызванного уменьшением давления буферного газа. Изучалась динамика пылевых частиц в одном слое. Определялось смещение частиц, изменение функции распределения по скоростям, коэффициент диффузии и механизм образования дефектов. Сравнение нескольких возможностей описания позволило предложить новое описание фазового перехода при плавлении: кристаллическая фаза, фаза жидкость-лед, колебательная фаза, беспорядочная фаза. Критерием состояния могут служить корреляционные функции, чувствительные к появлению дефектов при плавлении, понижающих локальный порядок системы - это трансляционная корреляционная функция (или трансляционный параметр Д/£) и локальный ориентационный параметр g6(0) [3]. Классификацию, предлагаемую авторами, далее мы будем именовать феноменологическим подходом при описании плавления пылевой структуры.

В работах [3-5] впервые наблюдались упорядоченные пылевые структуры в ВЧ разряде, наблюдались состояния с разной степенью упорядоченности (крясталлоподобная, жидкостная и газоподобная фазы), которая оценивалась функциями g(r) и g6(г). В высокоупорядоченной - кристаллоподобной фазе структуры имели различные типы упаковки - объемоцентрированную, 1ранецентрированную, гексагональную,

В работе [6] пылевые структуры впервые наблюдались в стратах тлеющего разряда. Результаты работы показывают ряд особенностей пылевых структур в тлеющем разряде. Размер таких структур по вертикали сравним с размерами их горизонтального сечения,

частицы выстроены в цепочки. В горизонтальном сечении структуры неоднородны и имеют малую упорядоченность.

В ряде работ [3, 4, 7] была количественно прослежена последовательность состояний структуры в ВЧ разряде по мере изменения параметров. Параметрами, влияющими на состояние структуры, были вкладываемая в разряд мощность, давление буферного газа. Последовательность состояний структуры по мере изменения параметров может быть рассмотрена как фазовый переход.

Из литературного обзора следует, что фазовые состояния пылевых структур, образующихся в тлеющем разряде, изучены недостаточно подробно. В диссертации исследуются пылевые структуры в стратах тлеющего разряда и зависимость их состояний от различных параметров.

Основное содержание Главы 2 составляют эксперименты с пылевой структурой, созданной в специально подобранных условиях, которая содержала большое число частиц (более 6000) и имела высокую степень упорядоченности. С этой структурой производились эксперименты по управлению её фазовым состоянием.

Схема экспериментальной установки представлена на Рис. 1. Использовались разрядные трубки диаметром 2.5 и 3.2 см, с длиной разрядного промежутка 70 см. Катод располагался снизу. Откачка производилась диффузионным насосом. Давление измерялось масляным Ц-образным манометром. Определение координат определялось с помощью разработанного автором программного обеспечения.

8 Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Обозначения на

......... . рисунке: 1-страты, 2- сужение в трубке для стабилизации

страт и катодного слоя, 3- частицы, левитирующие в страте, !;' 4-контейнер с пылевыми частицами, 5-видеокамера, 6-

система, формирующая лазерный нож, 7-интерференционный фильтр. 8-анод, 9- катод.

Разряд зажигался в неоне, а также в смеси неона с водородом. Давление изменялось в пределах от 0.2 до 1.4 Topp, разрядный ток - от 1 до 5 мА. Расстояние мемеду стратами составляло 2 2.5 см, длина светящейся части до 1 см. Во всех описанных ниже экспериментах использовались частицы LiNbOj плотностью 4.6 г/см3. Их характерный размер составлял около 1 мкм.

Рис. 2. а) Фотография горизонтального сечения структуры, проходящего через ее середину. Условия: частицы LiNbCb размером 1 мкм, газ - смесь Ne с Н2 в отношении 3:1, Р = 1.3 Topp, I = 0.9 мА. Горизонтальный размер изображения 7.7 мм. б) Карта, построенная на основании локального ориентационного параметра gi(0) для Рис. 2а. Светлые участки -гексагональные домены структуры.

Ъ г\ 2 4 6 г Л 8

Г'Л а) Г'Л б)

Рис. 3. Корреляционные функции, построенные для структуры и для отдельного домена а) а(г), построенная для структуры на Рис. 2а. Точки -эксперимент, сплошная линия аппроксимация. Вертикальные штрихи - в(г) идеальной гексагональной решетки. Величина А = 0,32 мм. б) g6(r) для структуры (+) и для домена (о). Сплошные линии 1,2 - степенная аппроксимация, штриховая линия 3 экспоненциальная, в) g(r) для домена, аппроксимация со степенной огибающей.

в)

Нам удалось подобрать оптимальные условия (указаны в подписи к Рис. 2), которые обеспечивали более плоскую и широкую форму электрической потенциальной ловушки.

Созданный плазменный кристалл из частиц 1л>1ЬОз показан на Рис. 2а. Представленное горизонтальное сечение трехмерной структуры, содержит более 300 частиц, вся структура более 6000. Следуя двумерной теории плавления КТНОТ [2], состояние

структуры можно считать жидкостным. Согласно [3], состояние структуры характеризуется как жидкость-лед. Для наглядного представления об упорядоченности в данной работе предлагается рассматривать карту локального ориентационного параметра §б(0), рассчитанного для локальных подобластей структуры. С помощью карты Рис. 26 был обнаружен участок с большим порядком, чем вся структура в целом. Корреляционные функции для домена приведены на Рис. 36 (кривая 1) и Рис. Зв. Состояние домена согласно КТНЫУ является кристаллоподобным. Согласно феноменологической классификации [3], домен также является кристаллоподобным.

Таким образом, плазменные кристаллы, создаваемые в тлеющем разряде представляют собой неоднородные по упорядоченности образования, содержащие высокоупорядоченные домены.

В пункте 2.3 описан эксперимент по изменению фазового состояния структуры путем многократной вариации разрядного тока. Сразу после образования структуры центральная часть её горизонтального сечения представляла собой квадратную упорядоченную решетку. Далее производилось плавное изменение разрядного тока от 1 до 3 мА и обратно повторно 10 раз в течение 40 минут. Как следует из Рис. 4, можно сделать вывод о неустойчивости квадратной решетки к воздействию многократной вариации разрядного тока. Структура организуется в более плотную гексагональную упаковку. Плотности частиц в квадратной и гексагональной структурах составляют 23.8 и 43.2 частиц на мм2. Механизм возникновения неустойчивой квадратной упаковки, по-видимому, связан с начальными условиями формирования структуры.

йг!

i f,

! : г ¿Г 1 !, Iii 4 л ; i : . in ii:; ИМ: yi j Vfr % "i j i .! и

! ¡■yr V

?!

Д

I (

Щ

! г'

а

г. А

«J......„А I.

О I

<ц №.

г, 4

а) б)

Рис. 4. Парная корреляционная функция g(r) пылевой структуры, до и после воздействия многократной вариацией разрядного тока. Условия: Р — 1.3 Topp, 1= 0.9 мА, газ - смесь неона и водорода в пропорции 3:1. Приведенные для сравнения дельта-функции соответствуют идеальным 2D кристаллам с квадратной (а) и гексагональной (б) ячейками. Врезки демонстрируют центральные фрагменты горизонтальных сечений. Состояния отличаются межчастичным расстоянием А а) 0.41 мм б) 0.33 мм.

В пункте 2.4 описан эксперимент по изменению фазового состояния структуры с помощью изменения формы её границ. Пылевая структура в радиальном направлении удерживается электрическим полем в азимутально симметричной ловушке. Тепловое поле в трубке также имеет азимутальную симметрию. Таким образом, электрическое и тепловое поле страты задают круглую форму границы пылевого образования. Мы предположили, что на расположение частиц внутри структуры может оказывать влияние форма её границы. Для изменения формы границы в наших условиях можно изменить конфигурацию теплового поля в области, где находится структура. С помощью небольших холодильников -

диаметром 2 см и высотой 6 см, находящихся при О °С, располагаемых на уровне страты со структурой, изменялась форма внешней границы структуры. Эти манипуляции с пылевой структурой изменяют расположение частиц, что позволяет создавать структуры, лишенные обычно присутствующих краевых эффектов, нарушающих ориентационный порядок, и менять тип кристаллической решетки (Рис. 5).

Рис. 5. Управление расположением частиц посредством изменения формы границы структуры. С помощью термофоретического воздействия созданы элементы линейных границ с углами 60° - (а), 180° - (б) и 135° - (в). На рисунках (а) и (б) гексагональный тип кристаллической решетки, на рисунке (в) наблюдается "квадратный" (в 2D случае) тип. Условия соответствуют Рис. 2а.

В Главе 3 магнитное поле рассмотрено как параметр, влияющий на фазовое состояние пылевых структур. Наложение на тлеющий разряд продольного магнитного поля приводит к уменьшению радиальной диффузии плазменных частиц, изменению распределения энерговыделения, а также к вращательному движению, как вьиснено в работах [8, 9], возникающему из-за изменения направления потоков плазменных частиц, взаимодействующих с пылевой структурой. Наблюдаемое вращение может иметь градиент угловой скорости по высоте структуры, приводящий к разрыву вертикальных цепочек, в этом случае возникает дополнительный механизм разупорядочивания структуры. Все перечисленные причины могут вызывать фазовый переход типа плавления в плазменно-пылевой структуре. Исследования зависимости фазового состояния структур от магнитного поля, как следует из литературы, ранее не проводились.

Мы исследовали фазовое состояние плазменно-пылевой структуры в горизонтальных сечениях в зависимости от величины продольного магнитного поля. В экспериментальную установку были добавлены соленоиды, создающие соосное разряду постоянное магнитное

поле. Эксперименты проводились при следующих условиях. Частицы - LiNbCb, рабочий газ Ne при давлении 0.7 Topp, разрядный ток 2.5 мА, диаметр разрядной трубки 2.5 см. Диапазон магнитных полей от 0 до 400 Гс. При 400 Г'с форма потенциальной ловушки в страте изменялась настолько, что частицы переставали в ней удерживаться. Рассчитав g(r) и gü(r) для структур в магнитном поле различной индукции можно показать, что согласно теории KTHNY, что состояние плазменно-пылевой структуры является жидкоподобным при всех магнитных полях в диапазоне от 0 до 400 Гс. С увеличением магнитного поля состояние структуры становится более изотропным. С позиции феноменологического подхода [3] следует, что в больших магнитных полях структура находится в беспорядочном состоянии, в малых - близкое к границе фаз жидкость-лед и колебательной (Рис. 6). Таким образом, с увеличением магнитного поля от 0 до 400 Гс в условиях [8] в структуре наблюдается фазовый переход типа плавления.

Ö.2;

(S-

0.S?-

200

4:00 б. Г.

Рис. б. Локальная ориентационная функция деСО) - а) и трансляционный параметр Д/£, - б) в зависимости от наложенного магнитного поля. На Рис. а) квадратами показана зависимость для нижнего сечения, треугольниками - для верхнего. Погрешности обусловлены разбросом в разных сечениях. Во всем диапазоне изменения магнитного поля наблюдается постепенное уменьшение трансляционного порядка: функция Д/£ равномерно возрастает от 0.4 до 0.8. Штриховой линией показано поле остановки структуры.

В главе 4 описано оптическое сканирование пылевых структур в тлеющем разряде.

Пылевые структуры в условиях тлеющего разряда образуются иначе, чем в высокочастотном. Как правило, частицы формируют вертикальные цепочки вдоль тока разряда, пылевые образования всегда трехмерны (для исследования их свойств не достаточно рассмотрения только одного горизонтального слоя). Систематические исследования структур, формирующихся в тлеющем разряде, с применением трехмерной диагностики до сих пор не производились, эта задача является целью работы, описанной в этой главе.

Пространственная диагностика структур заключается в корректном распознавании координат отдельных частиц. В работах [10, 11] был предложен метод сканирования путем последовательного подсвечивания лазерным ножом горизонтальных сечений структуры.

Одним из методов определения трехмерных координат частиц структуры является объемная съемка структур одновременно на несколько синхронизованных камер. Подход позволяет работать с подвижными частицами. В работе [12] авторы провели томографическую съемку структур. Съемка производилась тремя синхронизованными камерами. Авторы опробовали методику на объектах, состоящих из 50-100 частиц.

В работе [13] для съемки структур была применена схема бинокулярного зрения - две синхронизованные камеры, расположенные под небольшим углом в горизонтальной плоскости, перпендикулярной оси разряда. Применяемые алгоритмы позволили авторам проследить до 90% траекторий в структурах состоящих из 300-500 частиц.

Из последних двух работ следует, что в перспективе томография может быть применена для трехмерной диагностики структур. Однако, на настоящий момент эта методика не достаточно развита, в том числе для съемки структур с большим числом частиц.

В настоящей работе было решено использовать технику оптического сканирования [10, 11], усовершенствованную в отношении скорости.

В пункте 4.2 описан эксперимент по оптическому сканированию пылевой структуры в страте. Структуры были трехмерными, содержали несколько тысяч частиц, имели 15-20 межчастичных расстояний в горизонтальном сечении и 20-30 горизонтальных слоев. Для изменения свойств осуществлялась вариация условий разряда: рабочим газом был неон и его смесь с водородом в пропорции 2:1 и 3:1, давление Р = 0.7 - 1.3 торр, ток I = 0.5 - 2.0 тА, диаметр разрядной трубки 3.2 см. В качестве пылевой компоненты использовался порошок ниобата лития. Дополнительно проведенный эксперимент показал, что частицы, зависающие в страте, имеют размеры 1 + 0.2 мкм.

Пример исследуемой плазменно-пылевой структуры представлен на Рис. 7а (центральное вертикальное сечение структуры). Схема сканирования представлена на Рис. 76. В плоскости ХУ горизонтальным лазерным ножом выделялось сечение, толщина которого не превышала среднее расстояние меэвду соседними частицами в вертикальном направлении. Толщина лазерного ножа составляла 200 мкм, ширина - 1 см (подсвечивалось все сечение). Плоскость подсветки перемещалась в направлении OZ с постоянной скоростью. Применяемый длиннофокусный объектив обеспечивал глубину фокусировки, достаточную для наблюдения всей структуры. Видеозапись осуществлялась скоростной видеокамерой, скорость съемки могла выбираться из диапазона 30 - 300 кадров в секунду. Скорость съемки и скорость сканирования подбирались так, чтобы при сканировании расстояния между двумя соседними частицами было снято не менее 10 видеокадров. Сканирование производилось в направлении снизу вверх. Для определения координаты г,

определялась интенсивность каждого из пятен в кадре, динамика этой интенсивности по направлению ог проиллюстрирована на Рис. 7в. Каждый локальный максимум на кривой указывает на частицу и её положение.

Для созданных в экспериментах пылевых структур были определены координаты частиц, анализ массива которых производился на основе построения трехмерных трансляционных парных корреляционнь/х функций g(r), рассчитываемых аналогично двумерному случаю. Распознавание координат частиц в структуре и все вычисления производились с помощью разработанного автором программного обеспечения.

Рис. 7. а) Вид сбоку центрального вертикального сечения пылевой структуры. Вертикальный размер изображения 8 мм, толщина плоскости подсветки 0.4 мм. Условия: частицы LiNbCb размером 1 мкм, газ - смесь неона с водородом в отношении 3:1 при давлении Р = 1 Topp, 1 = 2 мА. б) Схематическое изображение установки и метода сканирования. 1 - пылевая структура; 2 - подсвеченное сечение пылевой структуры; 3 -лазерный нож; 4 - система сканирования; 5 - видеокамера с длиннофокусным объективом; 6 - интерференционный фильтр, в) Пример распознавания положений частиц в цепочке вдоль направления сканирования OZ. Ломаная линия - соответствует относительной яркости образов частиц, гладкая - аппроксимация. По горизонтальной оси отложена координата z, по вертикальной - интенсивность в произвольных единицах.

На Рис. 8. показан пример функции g(r), построенной по полученным координатам частиц в одной из типичных структур. Она имеет ряд максимумов (A-F). Первые два максимума (А,В) связаны с анизотропией структуры (пики А и В соответствуют вертикальному и горизонтальному межчастичным расстояниям).

Для определения типа упаковки в структуре использовалось сравнение с модельной упаковкой по функциям g(r). Для создания модельной упаковки необходимо учесть основные параметры структуры, такие как: среднее межчастичное расстояние, наличие анизотропии и других основных особенностей структуры. Значения межчастичных расстояний должны быть получены из массива координат частиц до построения модельной структуры. Возмущая положения частиц в модельной решетке, можно получить график g*(r) для сравнения с g(r) полученной из эксперимента. Сравнение полученной из эксперимента функции g(r) и

№

/•S

¥

у

•ч

1.5 г, ми а)

Рис. В. а) Пример корреляционной функции пылевой структуры. Пики А и В соответствуют продольному (oz) и поперечному (горизонтальному)

межчастичным расстояниям, что демонстрирует анизотропию в расположении частиц, пики C-F показывают "дальний" порядок трехмерной структуры. Условия структуры, газ Ne, давление Р = 0.85 Topp, ток 1 = 1 мА, частицы 1л№Оз диаметром 1 мкм.

рассчитанной для модельных решеток с разными типами упаковок g*(r) позволяет поставить в соответствие структуре тип её упаковки. Описанным способом были проведено сравнение корреляционных функций нескольких десятков структур, созданных при различных условиях разряда. В некоторых случаях пылевой структуре как целому оказалось возможным сопоставить один конкретный тип расположения частиц — гранецентрированную решетку, Рис. 9. В большинстве случаев нельзя было выявить единый для всей структуры тип упаковки. Корреляционные функции, построенные для различных областей структур, соответствовали разным модельным типам расположения частиц: простому гексагональному

Рис. 9. Сравнение g(r) высокоупорядочешой структуры с функцией g*(r) модельной ромбической (модифицированной

гранецентрированной fee) решеткой, координаты которой возмущены случайной величиной, распределенной по нормальному закону со средним отклонением в 3 % от величины межчастичного расстояния. Структура получена при условиях: газ Ne, давление Р = 0,85 Topp, ток I = 1 мА, частицы LiNb03 1 мкм.

Рис. 10. Сравнение g(r) для фрагмента структуры с g*(r) модельной решетки, координаты которой возмущены случайной величиной 3%. Точки и сплошная линия - g(r), темная заливка - возмущенные дельта функции тетрагональной (модифицированной кубической) решетки - g*(r). Условия создания структуры: газ неон с водородом в пропорции 2:1, давление Р = 1.2 Topp, I = 0.7 mA, частицы LiNbOs 1 мкм.

и тетрагональному ("анизотропному кубическому"). Рис. 10. показывает сравнение g(r) для фрагмента структуры с g*(r) тетрагональной решетки.

Кроме описания с помощью статистических методов, фазовое состояние пылевой структуры можно описывать непосредственно по визуальному наблюдению, что оказывается эффективным для областей структуры с небольшим числом частиц. На Рис. 11 показаны фрагменты фотографий пылевой структуры, снятой сверху и сбоку одновременно, рассмотрение которых позволяет вьивить гранецентрированную упаковку в области. Визуальный анализ небольших фрагментов структур также необходим при рассмотрении промежуточных областей между доменами с разным типом упаковки. Так, между участками с гексагональной упаковкой в нескольких структурах наблюдается переходное винговое расположение частиц, вызванное тем, что частицы в одной из вертикальных цепочек смещены относительно "кристаллических плоскостей".

Рис. 11. Прямое наблюдение отдельного участка структуры с различным расположением частиц. Расположение частиц, соответствует

гранецентрированной решетке. Характерное горизонтальное расстояние (Д) на всех рисунках * »V* равно 0.75 мм. Толщина лазерного ножа 0.2 мм. z* *. ° )г Условия: газ смесь Ne с Нз в пропорции 3:1, Д давление Р = 0.85 Topp, ток I = 0.9мА, частицы —LiNb03 размером 1 мкм.

Исследование расположения частиц в объемных пылевых структурах в условиях тлеющего разряда в настоящей работе [14] проведено впервые, поэтому результаты, в основном, можно сопоставить только с наблюдениями в условиях ВЧ разряда [3, 4, 10-12], Существование одного типа расположения частиц и сосуществование двух наблюдалось ранее. Мы обнаружили формирование тетрагональной решетки, не обнаруженной ранее. Все созданные структуры, в отличие от условий в ВЧ разряде, существенно анизотропны. Также ранее не наблюдалось винтовое расположение частиц.

В заключении сформулированы основные результаты работы. Проведено исследование фазовых состояний плазмснно-пылевых структур сформированных в стратах тлеющего разряда.

Изучен фазовый переход типа плавления пылевых структур, инициированный магнитным полем.

В стратифицированном разряде создана объемная стабильная высокоупорядоченная структура с большим числом частиц. Разработан и применен метод распознавания координат частиц на изображении сечения структуры. Фазовое состояние структуры описано с помощью автокорреляционных функций, рассчитанных для частиц находящихся в одном

горизонтальном сечении структуры. Для определения неодюродностей в структурах предложен метод построения карты упорядоченности. Обнаружено, что исследованная структура имеет неоднородности по упорядоченности, в том числе в ней присутствует крупномасштабный домен, упорядоченность которого выше чем в среднем по структуре.

Осуществлено управление расположением частиц в структуре с помощью формирования её границ контролируемым термофоретическим воздействием. Обнаружено влияние границ на реализуемый в объеме структуры тип упаковки частиц.

Осуществлено оптическое сканирование стабильной трехмерной пылевой структуры с большим числом частиц. Разработан и применен метод распознавания трехмерных координат частиц из видеоданных сканирования структуры.

Предложен метод определения типа упаковки высокоупорядоченной структуры с помощью сравнения парной корреляционной функции с функциями модельных упаковок, положения частиц которых возмущены случайным образом.

Выявлен тип упаковки малых областей структуры при прямом визуальном наблюдении.

Цитированная литература.

1. Quinn R. A., Cui С., Goree J., Pieper J. В., Thomas H., Morfill G. E. Structural analysis of a Coulomb Lattice in a dusty plasma // Phys. Rev. E. 1996. V. 53. N.2. P. R2049 - R2052.

2. Kosterlitz J.M., Thouless D.J. Ordering, metastability and phase transitions in two-dimentional systems//J. Phys. C. 1973. V. 6. P. 1181.

3. Morfill G. E., Thomas H., Konopka U., Zuzic M. The plasma condensation: Liquid and crystalline plasmas // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. P. 1769 -1780.

4. Chu J. H., Lin I. Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. P.4009 - 4012.

5. Trottenberg Th., Melzer A., Piel A. Measurement of the electric charge on particulates forming Coulomb crystals in the sheath of a radiofrequency plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 1995. V. 4. P. 450-458.

6. Липаев A. M, Молотков В. И, Нефедов А. П. и др. Упорядоченные структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда // ЖЭТФ. 1997. Т. 112. В. 6. С. 2030.

7. Konopka U., Samsonov D., Ivlev А. V., Goree J., Steinberg V., Morfill G. E. Rigid and differential plasma rotation induced by magnetic fields // Phys. Rev. E. 2000. V. 61. № 2. P. 1890- 1898.

8. Karasev A. I., Eichvald A. I., Dzlieva E. S, Ivanov A. Yu. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. E. 2006. V .74. № 6. P. 066403. 1-12.

9. Васильев M. M., Дьячков Л. Г., С. Н. Антипов, Петров О. Ф., Фортов В. Е. Плазменно-пылевые структуры в магнитных полях в разряде постоянного поля // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86. В. 6. С. 414-419.

10. Pieper J. В., Goree G., Quin R. A. Three-dimensional structure in a crystallized dusty plasma// Phys. Rev. E. 1996. V. 54. P. 5636-5640.

11.Zuzic M., Ivlev A. V., Goree J. et al. Three-Dimensional Strongly Coupled Plasma Crystal under Gravity Conditions // Phys. Rev. Let. 2000. V. 85. P. 4064 - 4067.

12. Анисимов А. Л., Бульба А. В., Луизова Л. А. Хахаев А. Д., Штыков А. С. // Химия высоких энергий. 2006. Т. 40. С. 233. // Химия высоких энергий. 2006. Т. 40. № 3. С. 233 -237.

13. Antipov S. N., Khrustalyov Yu. V., Pctrov О. F. et al. Structure and melting of 3D anisotropic dust crystals in DC glow discharges // Proc. 33rd EPS Conf. on Plasma Phys. Rome, 2006. V. 301. D-5.028.

14. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С., Иванов А. Ю., Голубев М. С., Ермоленко М. А. Оптическое сканирование пылевых структур формируемых в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2009. Т. 106. № 6. С. 914 - 918.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Ivanov A. Yu., Dzlieva Е. S., Eichvald A. I., Karasev V. Yu. The Effect of a Longitudinal Magnetic Field on Plasma-Dust Structures in Strata of Glow Discharge // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics. Kiev, 2006. E31p.

2. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S,, Eichvald A. I., Ivanov A. Yu. Dusty Structures in Strata of Glow Discharge in Magnetic Filed // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics. Kiev, 2006. E34p.

3. Дзлиева E. С., Иванов А. Ю., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. О возможности фазовых переходов в плазменно-пылевых структурах под воздействием магнитного поля // Опт. и Спектр. 2006. Т.101. № 5. С. 882 - 887.

4. Эйхвальд А. И., Карасев В. Ю., Дзлиева Е. С., Иванов А. Ю. Об управлении плазменно-пылевыми структурами в лабораторных экспериментах и технологических процессах // Сб. 'Лазерные исследования в СПбГУ'. 2006. С. 114 -127.

5. Korolev A. I., Ivanov A. Yu., Dzlieva Е. S., Eichvald A. I., Karasev V. Yu. Correlational Functions in Investigations of Phase States of Plasma-Dust Structures in Magnetic Field // Intern. Conf. PPPT-V. Minsk, 2006. V. II. P. 412 - 415.

6. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S, Ivanov A. Yu., Eichvald A. I. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. № 6. P. 066403 (1 -12).

7. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu., Eichvald A. I. Variations of dusty plasma phase state in magnetic field // in Proceedings of Dusty Plasma in Applications. Odessa, 2007. P. 70 -72.

8. Карасев В. Ю., Иванов А. Ю., Дзлиева Е. С., Эйхвальд А. И. Об упорядоченных пылевых структурах формируемых в тлеющем разряде // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. В. 2. С. 460 - 466.

9. Эйхвальд А. И., Карасев В. Ю., Дзлиева Е. С.,, Иванов А. Ю. Упорядоченные плазменно-пылевые структуры в стратах тлеющего разряда // Вестник СПбГУ. Серия 4. 2008. В. 1. С. 36-41.

10. Karasev V. Yu., Dzlieva Е. S., Ivanov A. Yu. Polycrystalline Structure of Dust Formations Formed in Striations in Glow Discharge // in Proceedings ICOPS-2008. Karlsruhe, Germany, 2008.

11. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu. Changing the Structure Boundary Geometry // in Proceedings ICPDP 5. Ponta Delgada, 2008.

12. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu. Changing the Structure Boundary Geometry // Proc. AIP Conf. 2008. V. 1041. P. 239 - 240.

13. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ermolenko M. A., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Macrospin of the Dust Granule // in Proceedings ICPP-2008. Fukuoka, 2008.

14. Karasev V. Yu, Dzlieva E. S., Eikhval'd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Investigation of Single Dust Particles Rotation (Spin) in Glow Discharge Plasma // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. № 2. P. 026406 (1-6).

15. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Eikhval'd A. I., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Macrospin of the dusty particle // Plasma and Fusion Research Series. 2009. V. 8. P. 312 - 315.

16. Эйхвальд А. И., Дзлиева E. С., Иванов А. Ю., Голубев M. С., Ермоленко M. А. Оптическое сканирование пылевых структур формируемых в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2009. Т. 106. № 6. С. 914 - 918.

Основной вклад в опубликованные работы сделан автором диссертации.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 16.11.09 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. печ. л.1. Тираж 100 экз., Заказ № 1015/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929-43-00.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. НАБЛЮДЕНИЯ ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ И ПЕРЕХОДОВ В ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУРАХ, КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ.

1.1. Методы описания фазового состояния плазменно-пылевых структур. 8 1.1.1 .Определение трансляционного порядка.

1.1.2. Определение ориентационного порядка.

1.1.3. Описание фазового перехода.

1.2. Наблюдения различных фазовых состояний в эксперименте. Количественная оценка состояний.

1.3. Эксперименты, в которых наблюдалось изменение фазового состояния пылевых структур.

1.4. Постановка задачи

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ФАЗОВЫМ СОСТОЯНИЕМ ПЫЛЕВОЙ СТРУКТУРЫ В СТРАТИФИЦИРОВАННОМ РАЗРЯДЕ.

2.1. Техника эксперимента о 32'

2.1.1. Схема экспериментальной установки

2.1.2. Метод наблюдения

2.1.3. Условия разряда и параметры частиц

2.2. Создание структуры высокой упорядоченности 35 2.4. Изменение порядка в расположении частиц посредством формирования границ структуры термофоретическим воздействием.

ГЛАВА 3. ПЕРЕХОД ТИПА ПЛАВЛЕНИЯ, ИНИЦИИРОВАННЫЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ. 47 3.1. Описание механического состояния исследуемой пылевой структуры.

-3.2. Описание эксперимента по наблюдению-фазового состояния пылевой структуры при изменении магнитного поля

3.3. Количественное описание изменения фазового состояния пылевой структуры с ростом магнитного поля

3.3.1. Характеристика последовательных состояний структуры при изменении магнитного поля с позиции теории двумерного плавления КТНМУ.

3.3.2. Характеристика последовательных состояний структуры при изменении магнитного поля с позиции феноменологического подхода.

ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР ФОРМИРУЕМЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ.

4.1. Литературный обзор; Наблюдения фазовых состояний в трехмерных пылевых структурах, количественные методы описания.

4.2. Эксперимент по оптическому сканированию пылевой структуры в . страте.

4.3. Количественное описание фазового состояния трехмерной структуры по результатам сканирования.

Актуальность темы. Пылевая (комплексная) плазма представляет собой многокомпонентную плазму, в которой пылевая компонента (макрочастицы размером 0.01 - 100 мкм) находится в состоянии сильной связи или сильных корреляций [1-Ю]. Попадая в газоразрядную плазму, пылинки приобретают значительный отрицательный заряд (до 106 элементарных), что позволяет им удерживаться и левитировать в разрядной камере в области сильного электрического поля.

Поскольку используемые частицы имеют размеры порядка мкм и более, они эффективно рассеивают свет. Среднее расстояние между пылинками в разряде обычно составляет доли миллиметра, что позволяет в экспериментах регистрировать пылевые структуры в оптическом диапазоне методом прямой визуализации.

Одним из методов изучения пылевой плазмы является наложение разного рода внешних воздействий: тепловых градиентов, оптических и радиоактивных излучений, ударных волн, постоянных и переменных электрических и магнитных полей, а также нескольких воздействий разной природы одновременно.

Среди приложений пылевой плазмы сегодня известны экология, энергетика, технологические процессы. Но основным приложением пока являются фундаментальные исследования: процессы самоорганизации, фазовые переходы, взаимодействие плазмы с веществом, нелинейные явления и др.

В пылевой компоненте формируются структуры жидкостного или кристаллического типов, если параметр связи Г = и/(кТ) (и — потенциальная энергия взаимодействия пылевых частиц, Т — их температура) достигает величины 1 и более. В 1986 г. Икези [11] было высказано предположение о возможной кристаллизации пылевой компоненты в неравновесной газоразрядной плазме. В 1994 г. плазменно-пылевой кристалл экспериментально наблюдался в плазме высокочастотного разряда, вблизи нижнего электрода на границе прикатодной области.

Упорядоченные состояния структур, сформированных в газовом разряде, обладают целым рядом уникальных свойств. К ним следует отнести простоту получения и наблюдения объекта и управления его параметрами, а также малые времена установления равновесия и отклика на внешние возмущения; возможность проводить измерения на кинетическом уровне: напрямую определять функцию распределения пылевых частиц, детально исследовать фазовые:переходы и процессы самоорганизации в структуре.

Все перечисленное составляет актуальность исследований пылевых структур в Тазовом разряде. Кроме того, эта область исследований представляет междисциплинарный интерес, относясь к физике твердого тела;« физике плазмы, оптике, термодинамике и астрофизике что существенно усиливает её актуальность.

Цель работы. Получение в эксперименте упорядоченных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде. Количественный анализ их' упорядоченности. Применение внешних воздействий для изменения фазового состояния структуры. Исследование -упорядоченности и типов упаковки пылевой структуры в страте методом оптического сканирования.

Научная новизна

Впервые наблюдался и количественно зарегистрирован фазовый переход типа плавления пылевой структуры в тлеющем разряде при изменении магнитного поля. Установлено, что магнитное поле является управляющим параметром для изменения состояния пылевой структуры.

Создана объемная стабильная структура в страте тлеющего разряда содержащая более 6000 частиц. На основе изображений двумерных сечений структуры описано фазовое состояние с помощью корреляционных функций.

Установлено существование высокоупорядоченных областей с гексагональной упаковкой.

Впервые произведено преобразование типа упаковки в пылевой структуре посредством изменения формы её границ с помощью внешнего термофоретического воздействия.

Впервые исследовано объемное расположение частиц в трехмерной пылевой структуре, сформированной в стратах тлеющего разряда, с помощью оптического сканирования. Установлены существующие в ней типы упаковки.

Практическая ценность работы:

В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, о состоянии плазменно-пылевых структур в магнитном поле. Выявлена роль магнитного поля, как параметра влияющего на упорядоченность плазменно-пылевой структуры.

Исследование объемных структур при различных воздействиях важно для понимания процессов формирования упорядоченных структур и изменения их степени порядка. В частности, для экспериментального, моделирования кристаллов и изучения фазовых переходов. В работе подобраны условия газового разряда постоянного тока; в которых созданы объемные высокоупорядоченные структуры. Такие структуры могут послужить объектом исследований фазовых состояний и фазовых переходов на кинетическом уровне как модель вещества в кристаллическом состоянии.

Предложен и применен метод активного контроля упаковкой частиц с помощью выстраивания границ структуры в регулируемом температурном поле. Этот метод может быть использован для изучения возможных устойчивых упаковок в твердой фазе вещества и их свойств.

Предложен способ уплотнения и перераспределения расположения частиц посредством многократной вариации разрядного тока.

Усовершенствован метод определения объемного расположения частиц в плазменно-пылевой структуре с большим числом частиц.

Полученные новые результаты используются в учебном процессе.

Положения, выносимые на защиту

1. Наблюдение фазового перехода типа плавления, инициированного магнитным полем, в пылевых структурах, сформированных в стратах тлеющего разряда.

2. Создание объемной стабильной структуры в стратифицированном разряде. Описание её фазового состояния с помощью автокорреляционных функций, рассчитанных для частиц, находящихся в одном двумерном сечении структуры.

3. Управление расположением частиц в структуре с помощью формирования её границ контролируемым термофоретическим воздействием.

4. Распознавание типа объемной упаковки высокоупорядоченной структуры с помощью оптического сканирования положений её частиц.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах [30-32, 36-38, 52-54, 56, 59, 61, 68, 76, 77].

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

4.4. Выводы.

В Главе 4 исследовано расположение частиц в объемных пылевых структурах, сформированных в тлеющем разряде, для чего в отношении скорости съемки был усовершенствован метод оптического сканирования. Полученные ЗБ координаты частиц были анализированы с помощью парных корреляционных функций, либо для малых областей структур прямым наблюдением. Все структуры существенно анизотропны. В зависимости от разрядных условий пылевые образования имели объемную упаковку гранецентрированного типа, либо сосуществование в разных частях простой гексагональной и ромбической упаковок. Впервые обнаружено расположение частиц, обладающее винтовой симметрией, разделяющее участки с простой гексагональной упаковкой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении перечислим основные результаты диссертации:

Проведено исследование фазовых состояний плазменно-пылевых структур сформированных в стратах тлеющего разряда.

Изучен фазовый переход типа- плавления пылевых структур, инициированный магнитным полем.

В стратифицированном разряде создана объемная стабильная высокоупорядоченная структура с большим числом частиц. Разработан и применен метод распознавания координат частиц на изображении сечения структуры. Фазовое состояние структуры описано с помощью автокорреляционных функций, рассчитанных для частиц находящихся в одном горизонтальном сечении структуры. Для определения неоднородностей в структурах предложен метод построения карты упорядоченности. Обнаружено, что исследованная структура1 имеет неоднородности по упорядоченности, в том числе в ней присутствует крупномасштабный домен, упорядоченность которого выше чем в среднем по структуре.

Осуществлено управление расположением частиц в структуре с помощью формирования её границ контролируемым термофоретическим воздействием.

Обнаружено влияние границ на реализуемый в объеме структуры тип упаковки частиц.

Осуществлено оптическое сканирование стабильной трехмерной пылевой структуры с большим числом частиц. Разработан и применен метод распознавания трехмерных координат частиц из видеоданных сканирования структуры.

Предложен метод определения типа упаковки высокоупорядоченной структуры с помощью сравнения парной корреляционной функции с функциями модельных упаковок, положения частиц которых возмущены случайным образом.

Выявлен тип упаковки малых областей структуры при прямом визуальном наблюдении.

Автор выражает благодарность научному руководителю, доценту В.Ю. Карасеву. Доценту А. И. Эйхвальду и аспиранту М. С. Голубеву за помощь в создании экспериментальных установок, ст. преп. Е. С. Дзлиевой за помощь в проведении экспериментов и обсуждение результатов. Заведующему кафедры Общей физики I И. Ч. Машеку, а также всей кафедре Общей физики I за поддержку и доброжелательность.

1. Цытович В. Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // УФН. 1997. Т. 167. № 1.С. 57-99.

2. Нефедов А. П., Петров О. Ф., Фортов В. Е. Кристаллические структуры в плазме с сильным взаимодействием частиц // УФН. 1997. Т. 167. № 11. С. 1215- 1226.

3. Dusty plasmas / Ed. by A. B'oushoule. Orlean, 1999. 408 p.

4. Shukla P. K., Mamun A. A. Introduction to Dusty Plasma Physics. London: IoP Publishing, 2002. 285 p.

5. Томас В. X., Морфилл Г. Е., Цытович В. Н. Комплексная плазма: III. Эксперименты по сильной связи и дальним корреляциям // Физ. • плазмы.2003. Т. 29. № 11. С. 963 1030.

6. В. Н. Цытович. Развитие физических представлений о взаимодействии плазменных потоков и электростатических полей в пылевой плазме // УФН. 2007. Т. 177. № 4. С. 427 472.

7. Vladimirov S. V., Ostrikov К., Samaryan A. A. Physics and Applications of Complex Plasmas. London: Imperial College, 2005. 439 p.

8. Фортов В. E., Храпак А. Г., Храпак С. А., Молотков В. И., Петров О. Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. С. 495 544.

9. Ikezi Н. Coulomb solid of small particles in plasmas // Phys. Fluids. 1986. V.29. №6. P. 1764- 1766. *

10. Pieper J. В., Goree G., Quin R. A. Three-dimensional structure in a crystallized dusty plasma // Phys. Rev. E. 1996! V. 54. P. 5636 5640.

11. Grier D. G., Murray Ch. A. The microscopic dynamics of freezing in supercooled colloidal fluids // J. Chem. Phys. 1994. V. 100. P. 9088 9095.

12. Quinn R. A., Cui C., Goree J., Pieper J. В., Thomas H., Morfill G. E. Structural analysis of a Coulomb Lattice in a dusty plasma // Phys. Rev. E. 1996. V. 53. № 2. P. R2049 — R2052.

13. Nelson D. R / Phase Transitions and Critical Phenomena ; Ed. by C. Domb and J.L. Leibowitz. London: Academic Press, 1983. V. 7. P. 1-45.

14. Morfill G. E., Thomas H., Konopka U., Zuzic M. The plasma condensation: Liquid and crystalline plasmas // Phys. Plasmas. 1999. V. 6. P. 1769 1780.

15. Kosterlitz J. M., Thouless D. J. Ordering, metastability and phase transitions in two-dimentional systems // J. Phys. C. 1973. V. 6. P. 1181 .1203.

16. Nelson D. R., Halperin В. I. Dislocation-mediated melting in two dimensions // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. P. 2457 2484.

17. Young A. P. Melting and the vector Coulomb gas in two dimensions // Phys. Rev. B. 1979. V. 19. P. 1855 1866.

18. Standburg K. Two-dimensional melting // Rev. Mod. Phys. 1988. V. 60. P. 161 -207.

19. Thomas H., Morfill G. E. Melting dynamics of a plasma crystal <//'- Nature. 1996. V. 379. P. 806-809.

20. Thomas H., Morfill G. E.,' Demmel V. et al. Plasma Crystal: Coulomb Crystallization in a Dusty Plasma // Phys. Rev. Let. 1994. V. 73. № 5. P. 652 -655.

21. Препарата Ф., Шаймос M. Вычислительная геометрия. Введение. М.: Мир, 1989. 478 с.

22. Chu J. Н., Lin I. Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. P: 4009 4012.

23. Trottenberg Th., Melzer A., Piel A. Measurement of the electric charge on particulates forming Coulomb crystals in the sheath of a radiofrequency plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 1995. V. 4. P. 450 458.

24. Липаев А. М, Молотков В. И, Нефедов А. П. и др. Упорядоченные структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда // ЖЭТФ. 1997. Т. 112. В. 6. С. 2030-2044.

25. Куни Ф. М. Статистическая физика и термодинамика. М.: Наука, 1981. 362 с.

26. Хилл Т. Статистическая механика. М.: Изд. Иностр. лит., 1960. 478 с.

27. Konopka U., Samsonov D., Ivlev A. V., Goree J., Steinberg V., Morfill G. E. Rigid and differential plasma rotation induced by magnetic fields // Phys. Rev. E. 2000. V. 61. № 2, P. 1890 1898.

28. Эйхвальд А. И., Карасев В. Ю., Дзлиева Е. С., Иванов А. Ю. Упорядоченн ые плазменно-пылевые структуры в стратах тлеющего разряда // Вестник СПбГУ. Серия 4. 2008. В. 1. С. 36-41.

29. Karasev V. Yu., Dzlieva Е. S., Ivanov A. Yu. Changing the Structure Boundary Geometry // Proceedings ICPDP 5. Ponta Delgada, 2008. P. 417 418.

30. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu. Changing the Structure Boundary Geometry // AIP Conf. Proc. 2008. V. 1041. P. 239 240.

31. Ланда П. С., Мискинова Н. А., Пономарев Ю. В. Ионизационные волны в низкотемпературной плазме // УФН. 1980. Т. 132. В. 4. С. 601 637. 1

32. Грин X., Лейн В. Аэрозоли пыли, дымы и туманы. Л.: Химия, 1969. 427 с.

33. Fukagawa К., Uchida G., Iizuka S., Sato N. Spin Motion of Single Fine Particle in a Magnetic Field // XXV ICPIG Contr. Papers. Nagoya, 2001. V. 3. P. 37-38.

34. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Eikhval'd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Investigation of Single Dust Particles Rotation (Spin) in Glow Discharge Plasma // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. № 2. P. 026406 (1 -6).

35. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ermolenko M. A., Golubev M. S., Ivanov A.Yu. Macrospin of the Dust Granule // Proceedings ICPP-2008. Fukuoka, 2008.

36. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Eikhval'd A. I., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Macrospin of the dusty particle // Plasma and Fusion Research Series. 2009. V. 8. P. 312 -315.

37. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. С. 536.

38. Недоспасов А. В. Страты // УФН. 1968. Т. 94. В. 3. С. 439 462.

39. Молотков'В. И., Нефедов А. П., Торчинский В.-М. и др. Пылезвуковые волны в плазме тлеющего разряда постоянного тока // ЖЭТФ. 1999. Т. 116. В. 3. С. 902-907.

40. Jellum G. М., Graves D. В. Particulates in aluminium sputtering discharges // J. Appl. Phys. 1990. V. 67. P. 6490 6496.

41. Балабанов В. В., Василяк JI. М., Ветчинин.С П. .и др. Влияние градиента температуры газа на пылевые структуры в плазме тлеющего разряда // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. В.1. С. 99 106.

42. Василяк JI. М., Ветчинин С. П., Зимнухов В. С. и др. Пылевые частицы в термофоретической ловушке в плазме // ЖЭТФ. 2003. Т. 123. В. 3. С. 493 -497.

43. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С., Машек И. Ч. Движение и дрейф заряженных частиц. Учебно-методическое пособие. СПб.: Изд. СПбГУ, 2005. 18 с. ,

44. Karasev V. Yu., Eichvald A. I., Dzlieva E. S. Dusty plasma in the striations under affection of magnetic field // Intern. Conf. PPPT-IV. Minsk. 2003, V.II, P. 885 -887.

45. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Изучение вращения плазменно-пылевых структур в магнитном поле // Материалы конф. ФНТП-2004. Петрозаводск, 2004. Т. 1. С. 265 268.

46. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. О вращении плазменно-пылевой структуры в магнитном поле при смещении разрядной трубки // Материалы конф. ФНТП-2004. Петрозаводск, 2004. Т. 1. С. 273 276.

47. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Воздействие магнитного поля на плазменно-пылевые структуры в стратах // Опт. и Спектр. 2005. Т. 98. №4. С. 621 -626.

48. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Пылевая плазма в магнитном поле. Материалы школы молодых ученых 'Фундаментальные проблемы приложений низкотемпературной плазмы'-. Петрозаводск, 2005. С. 244-263.

49. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Возникновение вращательного движения плазмено-пылевых структур в стратах в магнитном поле // Опт. и Спектр. 2006. Т. 100. № 3. С. 503.-510.

50. Эйхвальд А. И., Карасев В. Ю., Дзлиева' Е. С., А. Ю. Иванов. Об управлении плазменно-пылевыми структурами в лабораторных экспериментах и технологических процессах // Сб. 'Лазерные исследования в СПбГУ'. 2006. С. 114-127.

51. Karasev V. Yu., Ivanov A. Yu., Eichvald A. I., Dzlieva E. S. The Effect of a Longitudinal Magnetic Field on Plasma-Dust Structures in Strata of Glow Discharge // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics. Kiev, 2006. E31p.

52. Karasev V. Yu., Eichvald A. I., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu. Dusty Structures in Strata of Glow Discharge in Magnetic Field // Proceedings of 13th International Congress on Plasma Physics. Kiev, 2006. E34p.

53. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Применение зондирующих пылевых частиц для исследования стратифицированного разряда в магнитном поле // Опт. и Спектр. 2006. Т. 101. № 3. С. 521-527.

54. Karasev V. Yu., Eichvald A. I., Dzlieva E. S., Ivanov A.Yu., Korolev A.I.,

55. Correlational Functions in Investigations of Phase States of Plasma-Dust

56. Structures in Magnetic Field // Intern. Conf. PPPT-V. Minsk, 2006. V.II. P. 412415. /

57. Karasev V. Yu., Eichvald A. I., Dzlieva E. S. Investigation of dust structure rotary movement mechanism in glow discharge in a magnetic field using gravity-driven probe grains // Intern. Corif. PPPT-V. Minsk, 2006. V.II. P. 392 395.

58. Karasev V. Yu., Eichvald A. I., Dzlieva E. S. Shearing of dust structure caused by rotation in a magnetic field // Intern. Conf. PPPT-V. Minsk, 2006. V.II, P. 428 -431.

59. Karasev A. I., Eichvald A. L, Dzlieva E. S, Ivanov A. Yu. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. N. 6. P. 066403 (1 12).

60. Карасев В. Ю., Дзлиева Е. С.; Эйхвальд А. И. Исследование возникновения движения пылевой плазмы в магнитном поле // Материалы конф. ФНТП-2007. Петрозаводск, 2007. Т. 1. С. 103 105.

61. Karasev V. Yu., Eichvald А. I., Dzlieva Е. S., Ivanov A. Yu. Variations of dusty plasma phase state in magnetic field // in Proceedings of Dusty Plasma in Applications. Odessa, 2007. P. 70 72.

62. Карасев В. Ю., Дзлиева Е. С., Эйхвальд А. И. Исследование сил, действующих на пробные частицы .в,., стратифицированном разряде в магнитном поле // Мат. конф. ОМИП-2007. Москва, 2007. № 47. г*

63. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И:, Дзлиева Е. С. Влияние магнитного поля на форму пылевых структур // Вестник СПбГУ. Серия 4: 2008. В. 2. С. 120 — 126.

64. Васильев М. М., Дьячков JI. Г., Антипов С. Н., Петров О. Ф., Фортов В. Е. Плазменно-пылевые структуры в магнитных полях в разряде постоянного поля // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86. В. 6. С. 414 419.

65. Zuzic М., Ivlev A.V., Goree J. et al. Three-Dimensional Strongly Coupled Plasma Crystal under Gravity Conditions // Phys. Rev. Let; 2000. V. 85. P. 4064 -4067.

66. Hayashi Y. Structure of a Three-Dimensional Coulomb Crystal in a Fine-Particle Plasma // Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. P. 4764 4767.-aJT cfy. 6 <9- С 7

67. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С., Иванов А. Ю. Об упорядоченных пылевых структурах формируемых в тлеющем разряде // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. В. 2. С. 460 466;

68. Пикалов В. В., Преображенский Н. Г. Вычислительная томография и физический эксперимент // УФН. 1983. Т. 143. В. 3. С. 469 498.

69. Тихонов А. Н., Арсенин В.-Я., Тимонов А. А. Математические задачи компьютерной томографии. М.: Наука, 1987. 351 с. ■ • •

70. Statsenko К. В., Khrustalyov Yu. V., Vasiliev M. M. et al. Three-dimensional "'diagnostics of dusty plasma structures in glow discharge // Proc. 28th ICPIG. • •

71. Prague, 2007. P. 2246-2248.

72. Анисимов A. JL, Бульба А. В, Луизова Л.- А,- Хахаев А. Д., Штыков А. С.; Невозмущающие методы оптической диагностики гетерогенной^ плазмы // > : Химия высоких энергий. 2006. Т. 40. № 3. С. 233 237.

73. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978. 575 с.

74. Дзлиева Е.С., Иванов А.Ю., Карасев В.Ю., Эйхвальд А.И. О возможности фазовых переходов в плазменно-пылевых структурах под воздействием магнитного поля // Опт. и Спектр. 2006. Т.101. № 5. С. 882 887.

75. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С., Иванов А. Ю., Голубев М. С., Ермоленко М. А. Оптическое сканирование пылевых структур .формируемых в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2009. Т. 106. № 6. С. 914