Плазменно-пылевые структуры в условиях микрогравитации: методы получения и результаты экспериментов

Липаев, Андрей Михайлович

Плазменно-пылевые структуры в условиях микрогравитации: методы получения и результаты экспериментов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Липаев, Андрей Михайлович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Плазменно-пылевые структуры в условиях микрогравитации: методы получения и результаты экспериментов»

Автореферат диссертации на тему "Плазменно-пылевые структуры в условиях микрогравитации: методы получения и результаты экспериментов"

На правах рукописи

ЛИПАЕВ Андрей Михайлович

ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

□ОЗ1Т4

Москва - 2007

003174194

Работа выполнена в Объединенном институте высоких температур РАН

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических наук, старший научный сотрудник В И Молотков

доктор физико-математических наук, профессор В С Воробьев,

доктор физико-математических наук,

профессор

ЕЛ Ступицкий

Московский инженерно-физический институт (государственный университет)

Защита состоится

« 7 » И 2007 г в И ч 00

мин на заседании

Диссертационного совета Д-002 110 02 при Объединенном институте высоких температур РАН по адресу 125412, Москва, Ижорская ул 13/19

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Объединенного института высоких температур РАН

Отзывы на автореферат просьба присылать по адресу 125412 Москва, Ижорская ул 13/19, ОИВТ РАН

Автореферат разослан « /» 10 2007]

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002 110 02 _ доктор физико-математических наук I -

А Л Хомкин

5 Объединенный институт высоких температур РАН, 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы С середины 90-х годов наблюдается бурный рост исследований низкотемпературной плазмы с макроскопическими частицами (пылевой плазмы) Сильно возросший интерес к этой области физики плазмы вызван открытием кристаллизации в системе сильнозаряженных пылевых частиц в лабораторных условиях в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда [1], [2], [3] Повышенный интерес к изучению пылевой плазмы связан также с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, при производстве тонких пленок и наночастиц [4], [5] В настоящее время пылевая плазма является бурно развивающейся областью исследований, включающей в себя вопросы физики плазмы, гидродинамики, кинетики фазовых переходов, а также прикладные проблемы (плазменные технологии, создание новых материалов) Большой объем полученной к настоящему времени новой научной информации о явлениях в пылевой плазме содержится в недавних обзорах [6], [7], [8], [9], [10]

Свойства пылевой плазмы значительно многообразнее свойств обычной многокомпонентной плазмы электронов и ионов Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов, а иногда и источником электронов за счет фотоэмиссии, вторичной электронной эмиссии или термоэмиссии В силу этого пылевая компонента может существенно влиять на ионизационное равновесие Вследствие большого заряда, который приобретают пылевые частицы микронного размера в плазме, их потенциальная энергия взаимодействия велика, и неидеальность системы пылевых частиц реализуется намного легче, чем неидеальность электрон-ионной подсистемы

Пылевая плазма является эффективным инструментом для исследования фундаментальных свойств сильнонеидеальной плазмы, что обусловлено такими особенностями, как относительная простота получения, наблюдения и управления параметрами, малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения Имеется возможность проводить измерения с прямым определением функции распределения пылевых частиц по координатам и импульсам, позволяя исследовать многие процессы на кинетическом уровне, что поможет в понимании явлений в других системах, где проведение кинетических измерений невозможно

Критическим фактором в формировании плазменно-пылевых образований в лабораторных исследованиях на Земле является гравитационная сила В большинстве случаев в лабораторных экспериментах реально достижимы достаточно тонкие, так называемые "двух с половиной" (2'/-Ю) мерные или просто двумерные пылевые структуры Это вызвано тем, что действующая на пылевую частицу сила тяжести может быть скомпенсирована только в узких

областях (приэлектродный слой пространственного заряда в ВЧ-разряде или страта в разряде постоянного тока) за счет большой напряженности имеющегося там электрического поля В условиях микрогравитации для достижения левитации пылевых частиц нет необходимости в наличии сильного электрического поля

В лабораторных условиях на Земле невозможно изучение поведения массивных пылевых частиц большого размера, исследование поведения пылевых систем под действием ультрафиолетового излучения, получение и исследование больших (с числом частиц более миллиона) плазменно-пылевых 3-мерных (30) систем Поэтому сразу же после открытия "плазменных кристаллов и жидкостей" в лабораторных условиях ставился вопрос о необходимости проведения исследований пылевой плазмы в условиях микрогравитации

Проведение таких исследований позволяет существенно расширить круг рассматриваемых явлений и получить новую научную информацию о процессах самоорганизации сильнонеидеальной пылевой плазмы в широком диапазоне параметров пылевой компоненты и плазмы, особенностях плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей, фазовых переходах в больших пылевых системах, эффектах, связанных с наличием в плазме сильнозаряженных частиц большого диаметра, неустойчивостях пылевой компоненты Получение таких знаний о пылевой плазме представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения

На начало диссертационной работы упорядоченные пылевые структуры (плазменный кристалл) были получены только в приэлектродном слое ВЧ-разряда (несколько слоев частиц) и косвенным образом в термической плазме наблюдались жидкостные структуры [И], [12]

Цели диссертационной работы состояли в получении трехмерных плазменно-пылевых структур в условиях микрогравитации различными методами (в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока, в системе, состоящей из макрочастиц, положительно заряженных в результате фотоэмиссии, в пылевой плазме высокочастотного емкостного разряда) и в экспериментальном изучении условий их формирования и существования, степени упорядоченности, особенностей кристаллизации, определении зарядов макрочастиц и волновых свойств пылевой компоненты Научная новизна работы состоит в следующем

1 Экспериментально получены объемные (до 104 частиц) упорядоченные пылевые структуры и проведено исследование условий их образования в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести Обнаружена перестройка пылевой структуры -нарушение дальнего порядка Результаты выполненных исследований

послужили основой экспериментов по изучению пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации

2 Впервые экспериментально получены упорядоченные пылевые структуры из макрочастиц большого диаметра в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации Зарегистрированы экстремально высокие заряды макрочастиц (до 10б е), изменение степени корреляции пылевых структур

3 Впервые экспериментально получены образования из макрочастиц, положительно заряженных путем фотоэмиссии в условиях микрогравитации Определены заряды частиц

4 Получены большие (свыше миллиона частиц) 3-мерные плазменно-пылевые системы с высокой степенью изотропности Впервые наблюдалось распространение фронта кристаллизации в пылевой плазме в условиях микрогравитации Обнаружена кристаллизация трехмерной пылевой подсистемы при уменьшении давления Измерены дисперсионные соотношения пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем в 3-мерной пылевой плазме Экспериментально определены остаточные заряды пылевых частиц при релаксации пылевой плазмы

Научная и практическая ценность. Пылевая плазма является сравнительно новой областью физики, для развития которой необходимы постановка и выполнение поисковых экспериментальных исследований, на что и направлена данная работа Предложенные методы получения пылевой плазмы можно применять для широкого круга исследований

В диссертационной работе получены новые данные о зарядке макроскопических частиц в различных условиях, особенностях формирования структур сильнозаряженных пылевых частиц, впервые получены большие 3-мерные плазменно-пылевые системы, обнаружены новые эффекты в поведении плаз-менно-пылевых структур Полученные результаты используются при постановке новых экспериментов по пылевой плазме в условиях микрогравитации, в частности, по исследованию фазовых переходов в пылевой подсистеме, а также при создании экспериментальных плазменных установок нового поколения

Результаты экспериментов привели к пересмотру теории силы ионного увлечения, которая является одной из главных сил в пылевой плазме Точное знание этой силы совершенно необходимо для анализа явлений в пылевой подсистеме Многие из проведенных экспериментов представляют интерес для специалистов, занимающихся физикой сплошных сред, поскольку имеется уникальная возможность для наблюдения системы на кинетическом уровне и извлечения статистических параметров объекта и их сопоставления

Научные положения, выносимые на защиту.

• Результаты экспериментального исследования условий образования объемных упорядоченных пылевых структур и перестройки пылевой структуры (дальний - ближний порядок) в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести, послужившие основой экспериментов по изучению пылевой плазмы в условиях микрогравитации

• Экспериментальные результаты изучения особенностей формирования (изменение степени корреляции, величина зарядов) упорядоченных пылевых структур из макрочастиц большого диаметра в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации

• Экспериментальное доказательство возможности получения образований из макрочастиц, положительно заряженных путем фотоэмиссии в результате воздействия солнечного излучения в условиях микрогравитации

• Результаты экспериментального исследования больших 3-мерных пылевых систем с различной степенью изотропности в плазме высокочастотного емкостного разряда в условиях микрогравитации распространение фронта кристаллизации в пылевой компоненте, кристаллизация пылевой подсистемы при уменьшении давления, распространение пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем, определение остаточных зарядов макрочастиц при релаксации плазмы

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, научных семинарах Института внеземной физики Общества М Планка, на 13-й Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Франция, Тулуза, 1997), на 2-й Международной конференции по физике пылевой плазмы (Хаконе, Япония, 1999), 5-м Европейском Совещании по пылевой и коллоидной плазме ( Потсдам, Германия, 2001 ), 3-й Международной конференции по физике пылевой плазмы (Дурбан, Южная Африка, 2002 ), 5-й Международной научно-практической конференции "Пилотируемые полеты в космос" (Звездный городок, Россия, 2003), 31-й Международной конференции Европейского физического Общества по физике плазмы (Лондон, Великобритания, 2004), Международной конференции по пылевой плазме и ее приложениям (Одесса, Украина, 2004 ), 4-й Международной конференции по физике пылевой плазмы (Орлеан, Франция, 2005), 18-й Международной конференции Европейского физического Общества по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Лечче, Италия, 2006), научно-координационных сессиях "Исследования неидеальной плазмы" (Президиум РАН, Москва, 2003, 2006), Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы

(Петрозаводск, 2007), 2-й Международной конференции по пылевой плазме и ее приложениям (Одесса, Украина, 2007)

Публикации. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, изложены в 21 статье, из них 15 публикаций в реферируемых российских и зарубежных журналах

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы Содержание работы изложено на 136 страницах, включая 44 рисунка и 7 таблиц Список литературы состоит из 72-х наименований

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность работы, поставлены цели, отображена научная новизна и сформулированы положения, выносимые на защиту

В первой главе приводятся результаты исследования упорядоченных структур в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока в лабораторных условиях на Земле

В разделе 1.1 отмечается, что к моменту начала работ упорядоченные плазменно-пылевые структуры были получены только в приэлектродном слое ВЧ-разряда (несколько слоев частиц) и косвенным образом в термической плазме наблюдались жидкостные структуры Плазменно-пылевые структуры в ВЧ-разряде носили 2 - 2% мерный характер, тк формировались в области двойного слоя вблизи нижнего электрода Была поставлена задача получить плазменно-пылевые структуры, которые были бы существенно 3-мерными Для постановки таких экспериментов в качестве источника плазмы был выбран тлеющий разряд постоянного тока Тлеющий разряд постоянного тока привлекателен тем, что положительный столб такого разряда характеризуется высокой однородностью параметров и наличием электрического поля, сила которого, действующая на заряженные частицы в плазме, могла бы скомпенсировать силу тяжести, действующую на те же частицы С другой стороны, высокая однородность электрического поля в положительном столбе при полной компенсации силы тяжести приводит к тому, что частицы будут находиться в положении безразличного равновесия То есть, несмотря на то, что требуется высокая однородность, необходимо наличие небольших неоднородностей, вблизи которых частицы могли бы оказаться в положении устойчивого равновесия В ходе работы было предложено использовать режим разряда со стоячими стратами в положительном столбе В этом случае возможно компенсировать силу тяжести в широком диапазоне размеров и плотностей частиц, так как величина напряженности электрического поля в голове страты достигает достаточно высоких величин и получить достаточно протяженные и сравнительно однородные структуры

В данной главе исследуется образование упорядоченных структур заряженных макрочастиц различных размеров в плазме тлеющего разряда постоянного тока в неоне. Изучается влияние параметров разряда на возможность существования квазикристаллических структур пылевых частиц. Рассматривается вопрос о виде потенциала взаимодействия между макрочастицами, а также о влиянии самих макрочастиц на условия поддержания разряда.

В разделе 1.2 дано описание экспериментальной установки.

Тлеющий разряд создавался в неоне в цилиндрической, стеклянной, вертикально расположенной трубке с холодными электродами. Схема установки приведена на рис. 1.

Внутренний диаметр трубки составлял 3 см, длина трубки - 60 см, расстояние между электродами, размещенными в боковых отростках трубки составляло 40 см. Разрядный ток варьировался в диапазоне от 0,1 до 10 мА, давление неона от 0,2 до 2 торр. В этом диапазоне существовали режимы разряда со стоячими стратами. Частицы микронного размера, вводимые в плазму, размещались в цилиндрическом контейнере, расположенном в верхней части газоразрядной трубки. При встряхивании контейнера частицы попадали в положительный столб разряда. Визуализация частиц осуществлялась с помощью подсветки в горизонтальной или вертикальной плоскостях зондирующим лазерным лучом. Луч от аргонового лазера формировался цилиндрической линзой в плоский сходящийся пучок с толщиной перетяжки в центре разрядной трубки 150 мкм и шириной 20 мм. Отраженный от частиц свет наблюдался с помощью ПЗС-камеры.

В разделе 1.3 приводятся результаты экспериментов и их обсуждение.

В разделе 1.3.1 описывается формирование упорядоченных структур в стратах положительного столба. В экспериментах использовались два типа частиц:

частицы из боросиликатного стекла (р = 2,3 г/см3), представляющие собой полые тонкостенные сферы диаметром 50-63 мкм с толщиной стенки 1-5 микрон (масса частиц Мр лежит в диапазоне от 2-10"8 до 10"7 г) и частицы А1203 (р = 4 г/см3) с диаметром 3-5 мкм (Мр лежит в диапазоне от 6-10'" до 3-10"10 г).

При наличии в положительном столбе разряда стоячих страт микроскопические частицы, высыпавшиеся из контейнера, зависали в виде облака в центре светящейся части страты. Захваченные в страте заряженные микроскопические частицы образовывали упорядоченные квазикристаллические структуры, размеры и форма которых зависели от параметров разряда.

На рис. 2 приведены оцифрованные изображения структур частиц А1203, полученные в горизонтальной плоскости для двух значений разрядного тока 1Р. 0,4 и 3,9 мА при давлении неона р = 0,3 торр. На рис. 3 представлены функции распределения и(г), полученные в результате обработки соответствующих изображений рис. 2. Видно, что при /р = 0,4 мА наблюдается дальний порядок в исследуемой пылевой плазме.

Рис. 2. Видеоизображения структур частиц АЬ03 в горизонтальной плоскости при р=0,5 торр. Слева /р=0,4 мА; справа /р=3,9 мА

л(г)Ю5. т'2 п(г). |05,(лп-2

Рис. 3. Функции распределения для структур, приведенных на рис. 2 а) 1Р = 0,4 мА; б)1р = 3,9 мА. 1 - п(г) для центральной части сечения; 2 - для всего сечения

Из приведенных изображений и корреляционных функций следует, что при увеличении разрядного тока происходит разрушение дальнего порядка ("плавление"), и при 1Р = 3,9 мА наблюдается лишь ближний порядок. Центральная часть образования сохраняет прежний порядок. Кроме того, по мере увеличения 1Р наблюдаются спонтанно возникающие осцилляции

отдельных макрочастиц При этом такие частицы движутся по окружностям, радиусы которых увеличиваются по мере удаления от центра структуры Круговые осцилляции частиц наблюдались также в пылевой плазме радиочастотного разряда при уменьшении давления газа [13]

Проведенные эксперименты выявили возникновение необычных образований заряженных макрочастиц в отдельных режимах разряда при исчезновении видимых стоячих страт образуются протяженные нитевидные структуры, простирающиеся от темного катодного пространства вверх по высоте трубки Длина этих структур достигает 60 мм Вблизи темного катодного пространства число нитей в вертикальном сечении составляет 7-8, а в верхней части их число сокращается до 1-2 Число частиц в одной нити (цепочке) достигает 100-120 штук Отметим, что протяженные нитевидные структуры наблюдаются для обоих типов микроскопических частиц, используемых в экспериментах Далее приводятся оценки заряда частиц 2 и параметра неидеальности Г

где а - среднее расстояние между частицами

Отмечается, что полученная величина параметра Г остается слишком большой, чтобы объяснить наблюдаемое «плавление» структур Важной причиной является то, что вследствие флуктуирующих плазменных микрополей заряженные до больших 2 частицы имеют среднюю кинетическую энергию Тр, значительно превышающую температуру газа Этот эффект ранее наблюдался в радиочастотном разряде [13] В обоих случаях с удалением от кривой плавления энергия частиц достигала очень большой величины порядка 50 эВ Такой рост может объяснить наблюдаемое "плавление" пылевых кристаллов

Раздел 1.3.2 посвящен формированию упорядоченных структур в двойном электрическом слое Показано, что левитация макрочастиц в разряда постоянного тока возможна не только в стратах, но и в специально организованном двойном электрическом слое Для этого был использован эффект изменения параметров плазмы при варьировании поперечного сечения положительного столба [14]

В разделе 1.3.3 рассмотрено влияние пылевых частиц на параметры разряда При не слишком высоких давлениях и стационарных условиях потери зарядов в слабоионизированной плазме связаны с амбиполярной диффузией к стенкам разрядной камеры [15] При этом температура электронов (и соответственно продольное электрическое поле) в положительном столбе тлеющего разряда может быть определена из равенства частоты ионизации частоте амбиполярных диффузионных уходов Наличие пылевых частиц в разряде может существенно изменить данную ситуацию Дело в том, что при

достаточной концентрации макрочастиц гибель зарядов на их поверхности становится преобладающей по сравнению с уходом на стенки камеры Представление об эффективности двух процессов гибели заряженных частиц может быть составлено путем сопоставления соответствующих частот частоты амбиполярных уходов и частоты гибели электронов на поверхности пылевой частицы В условиях описываемого эксперимента основным каналом гибели зарядов, по - видимому, является гибель на пылевых частицах При этом, увеличение их плотности должно сопровождаться ростом частоты ионизации, необходимой для поддержания стационарного режима разряда Это очевидно означает рост электронной температуры и, следовательно, электрического поля в области нахождения макрочастиц Если это поле возрастет до достаточной величины, оно будет препятствовать падению частиц под действием силы тяжести Описанный механизм позволяет качественно объяснить обнаруженное в эксперименте зависание протяженной упорядоченной структуры пылевых частиц в отсутствии стратификации положительного столба тлеющего разряда и снять количественное несоответствие между значениями электрического поля, требующегося для компенсации силы тяжести, и поля, обычно наблюдаемого в голове страты, в случае тяжелых стеклянных частиц В разделе 1.4 сформулированы выводы по первой главе Результаты выполненных исследований послужили основой для разработки экспериментальной установки для изучения пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации

Вторая глава посвящена одному из первых экспериментов по изучению динамики макрочастиц в условиях микрогравитации, которые были выполнены на борту космической станции «Мир»

В разделе 2.1 отмечается, что эта работа является логическим продолжением исследований пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока, выполненных в земных условиях, тк отсутствие гравитационной силы дает потенциальную возможность получения значительно более протяженных и более однородных, те более «3-мерных» структур, а также изучения пылевой плазмы с частицами большого диаметра, и следовательно с огромными зарядами на частицах, что приводит к экстремально большим параметрам неидеальности С другой стороны, необходимы дополнительные меры для компенсации силы со стороны электрического поля в положительном столбе, с целью устранения дрейфа отрицательно заряженных макрочастиц в направлении анода

В разделе 2.2 дано описание эксперимента Основным элементом рабочей камеры являлась газоразрядная трубка радиусом Л, = 1,6 см, заполненная неоном с давлением Р = 1 торр Расстояние между плоскими анодом и катодом составляло 28 см На расстоянии 4,5 см от анода был расположен изолированный электрод, который состоял из двух стальных сеток (диаметр

проволоки 60 мкм, шаг ячейки 150x150 мкм), расстояние между сетками - 1 см. Во время экспериментов электрод находился под плавающим потенциалом и препятствовал уходу отрицательно заряженных макрочастиц на анод. Бронзовые сферические частицы диаметром 70-180 рм, помещались между сеточным электродом и катодом.

Для диагностики макрочастиц использовался плоский лазерный пучок ("лазерный нож" с толщиной перетяжки ~ 300 рм, длиной волны излучения 0,67 рм). Изображение регистрировалось видеокамерой.

Эксперименты проводились при различных значениях разрядного тока (/=0,1 - 0,8 мА). В исходном состоянии частицы бронзы находились на стенках трубки. Поэтому после «зажигания» разряда с заданным значением тока I выполнялось динамическое воздействие на систему для стряхивания частиц со стенок трубки. После динамического воздействия частицы бронзы двигались к изолированным сеточным электродам, вблизи которых происходило формирование упорядоченных структур (рис. 4).

В разделе 2.3 приведены экспериментальные данные и проводится анализ результатов измерений.

В разделе 2.3.1 представлены результаты измерения средней скорости Ур дрейфа частиц из области положительного столба (поле А, рис. 4) к сеточному

Рис. 4. Видеоизображение газоразрядной трубки (слева) и траектории движения частиц (справа) из области положительного столба разряда к изолированным сеточным электродам

Так как скорость движения частиц в измерительном объеме сохранялась практически постоянной, величина их зарядов е1р может быть получена из уравнения движения:

трёУр/^—у/гШр Ур+Ее1Р=0.

(2)

где тр - масса частицы, a vrr - коэффициент трения пылевых частиц. Полагая £[В/см] = 1,5(//12)й (здесь j в ¡xA/см2), получим, что заряд Zp~ 10* частиц практически не зависит от разрядного тока (рис. 5) и соответствует достаточно высоким поверхностным потенциалам (ps = eZp/ap ~ 35 - 37 В.

В разделе 2.3.2 приведены сведения о формировании жидкостных пылевых структур. Характерные размеры пылевых облаков, формирующихся вблизи сеточного электрода (поле В, рис. 4), составляли около 2 см в радиальном направлении и ~ 0,7 - 1,3 см в направлении от края сетки по оси трубки. Парные корреляционные функции g(í) для различных разрядных токов / приведены на рис. 6: 1-1 = 0,1 мА; 2-1 = 0,4 мА; 3-1 = 0,8 мА. Межчастичное расстояние lp ~ 720 - 1000 |дм.

Видно, что с уменьшением I степень упорядоченности частиц в пылевом облаке растет вместе с ростом концентрации частиц ир. Наличие достаточно выраженных вторичных максимумов g(!) свидетельствует о сильном межчастичном взаимодействии и слабой экранировке частиц (к = /уА < 1 -параметр экранирования, А - длина экранирования).

В разделе 2.3.3 проводится анализ экранировки макрочастиц и делается заключение о возможности слабой экранировки в условиях эксперимента.

2,5

2,0 1,5 1,0 0,5 0,0

■gfl) 1

: ^ А li V

: /1г W^

: з / / V7

тр 1 _1-

Рис. 5. Зависимость заряда частиц 2Р от разрядного тока I, полученная из уравнения движения для <Ор> = 62,5 мкм

Рис. 6. Парные корреляционные функции £(/) от ///рДЛя пылевых структур, формирующихся вблизи сеточных электродов (поле В, рис. 2)

В разделе 2.3.4 рассматривается кинетика зарядки пылевых частиц и показано, что экспериментальные оценки зарядов макрочастиц соответствовали поверхностным потенциалам -30-40 В, что соответствует зарядам частиц в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока, полученным в главе 1 и в работе [16], но значительно выше величин, прогнозируемых теорией ограниченных орбит (ОМЬ). Данное отличие может быть связано как с уменьшением эффективного ионного потока на частицы с радиусом больше длины свободного пробега ионов, так и с увеличением электронной температуры в пылевом облаке. Показано, что изменение процессов равновесной ионизации в

плотных пылевых облаках могут приводить к значительному увеличению средних энергий электронов и концентрации плазменной компоненты В разделе 2.4 приводятся выводы по второй главе

В третьей главе приводятся результаты эксперимента по исследованию пылевой плазмы, индуцированной солнечным излучением, в условиях микрогравитации

В разделе 3.1 отмечается, что с развитием космических исследований выяснилась большая роль пыли и пылевых структур в образовании звезд, планетных систем и планетарных колец Одним из механизмов зарядки пылевых частиц в условиях космического пространства при наличии интенсивных потоков ультрафиолетового излучения является фотоэмиссия При этом макрочастицы с размерами несколько микрон могут приобретать положительный заряд порядка 102-105 заряда электрона [17] Представляет интерес изучение пылевых облаков, ионизованных ультрафиолетовым излучением в условиях микрогравитации, и возможности создания системы, в которой полностью отсутствуют внешние силовые поля, что представляет большой интерес с фундаментальной точки зрения

Экспериментальные исследования поведения ансамбля заряженных макрочастиц, заряженных солнечным излучением, в условиях микрогравитации проводились на борту орбитальной станции "Мир"

В разделе 3.2 приводятся сведения о подготовке экспериментов по образованию упорядоченных структур макрочастиц под воздействием солнечного излучения

В разделе 3.2.1 приводится информация о выборе материалов, исходя из работы выхода электронов (Се02, ЬаВ6, бронза с цезиевым покрытием), и размеров макрочастиц, выполнены оценки возможных зарядов, параметра неидеальности

В разделе 3.2.2 выполнены оценки времени зарядки, времени торможения частиц в рабочей камере с буферным газом при двух различных давлениях В качестве буферного газа для проведения исследований был выбран неон, вследствие своей химической инертности к материалу и цезиевому покрытию частиц, спектральной прозрачности и высокого потенциала ионизации Выбор двух различных давлений буферного газа (0,01 и 40-70 торр) определялся возможностью наблюдения динамики формирования упорядоченных структур при различных величинах заряда частиц

В разделе 3.3 приводятся сведения о проведении эксперимента В разделе 3.3.1 описывается экспериментальная установка (рис 7) Сменные стеклянные ампулы представляли собой стеклянные цилиндры (диаметр - 30 мм, длина - 60 мм), один торец которых являлся плоским увиолевым окном и был предназначен для освещения частиц солнечным

излучением Непосредственно перед проведением эксперимента ампула устанавливалась в держатель рабочей камеры плоским торцом к иллюминатору орбитальной станции «Мир» с расширенной полосой пропускания в УФ-диапазоне Диагностика макрочастиц аналогична диагностике, описанной во второй главе Эксперименты проводились при трех значениях давления Р\ = 0,01 торр (для всех типов исследуемых частиц) и Р2 = 40 торр (для частиц бронзы) и Р3 = 70 торр (для частиц ЬаВ6 и Се02)

В разделе 3.3.2 приведены экспериментальные сведения о поведении структуры макрочастиц в условиях микрогравитации В исходном состоянии частицы находились на стенках ампулы, поэтому эксперимент проводился по следующей схеме динамическое воздействие на систему и релаксация к исходному состоянию - уход на стенки Проведенные эксперименты показали, что проводить исследования возможно только с частицами бронзы, частицы окиси церия и борида лантана плохо стряхиваются со стенок, быстро слипаются, налипают на стенки колбы, затеняя рабочую область

Наблюдения за движением частиц показали, что вектора скорости частиц на начальной стадии направлены хаотически, и частицы уходят на стенки без выделенного направления, в дальнейшем обычно появляется выделенное, причем в колбе с высоким давлением движение по определенным траекториям проявляется сильнее (рис 8) Анализируя динамическое поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда

В разделе 3.3.3 приведены данные об определении заряда частиц Определение заряда частиц основано на решении уравнения движения частицы в известном электрическом поле Определив скорость V и ускорение а частиц по траекториям их движения, заряд частицы можно вычислить по формулам

лазер

Рис 7. Схематическое изображение экспериментальной установки

■у2 —_р

2 Г" . е ттпрЯс

(У+а)тр

Z 2 Г" >

е тЬгппрЯс

Л =0,01 торр, (3)

Р2 = 40 торр, (4)

гстемы частиц бронзы в ампуле с давлением Р2 = 40 торр после динамического воздействия на систему

Таблица 1

Результаты измерений заряда Zчастиц по траекториям их движения

где Не - радиус колбы; пр, тр, хы ~ концентрация, масса и время торможения макрочастиц. В Таблице 1 приведены полученные значения зарядов макрочастиц. _

№ Р, торр Пр, см'3 а, м/сек2 V, м/сек 2

1 0,01 10' 6-ю-1 2,5-10"3 5-Ю4

2 310' 1,2-1&3 6-10"3 105

3 5-101 1,6-10'3 1,2-10"2 8-10"

4 40 310' 1,5-КГ* 7-10'5 3-10"

Несмотря на высокие заряды частиц и большую величину параметра взаимодействия, сильную корреляцию наблюдать не удалось.

В разделе 3.4 сформулированы выводы по третьей главе.

Четвертая глава посвящается исследованиям упорядоченных структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего высокочастотного разряда в условиях микрогравитации, выполненным на Международной космической станции.

В разделе 4.1 отмечается, что плазма в межэлектродном промежутке высокочастотного емкостного разряда обладает высокой степенью однородности параметров, и следует ожидать получения больших 3-мерных плазменно-пылевых систем с высокой степенью изотропности в условиях микрогравитации.

В разделе 4.2 приводится описание экспериментальной установки «Плазменный кристалл-3» (ПК-3). Аппаратура ПК-3 состоит из экспериментального блока, размещенного внутри герметичного закрытого контейнера, и блока «Те-лесайенс». Основным элементом аппаратуры является вакуумная плазменная камера (рис. 9). Для обеспечения предварительного вакуума в установке используется открытый космос. Турбомолекулярный насос обеспечивает высокий вакуум. Рабочие давления аргона в ходе экспериментов составляли от 122 до 976 мкбар. Оптическая система для наблюдения за пылевыми структурами, включая две ПЗС камеры и два полупроводниковых лазера, смонтирована на

подвижной плите, которую можно перемещать вдоль оси ПЗС камер шаговым двигателем, освещая, таким образом, различные срезы плазменно-пылевой структуры, что дает возможность при определенных условиях восстановить трехмерную картину пылевого облака. В экспериментах использовались монодисперсные частицы из меламинформальдегида диаметром 3,4 мкм и 6,8 мкм.

В разделе 4.3 приводятся результаты экспериментов.

В разделе 4.3.1 проводится сопоставление баланса сил, действующих на частицы при наличии гравитации и в условиях микрогравитации. Показано, что при отсутствии силы тяжести силы взаимодействия в решетке на два порядка превышают объемные силы, т.е. напряжения в кристаллической структуре слабые и системы, получаемые в условиях микрогравитации, наиболее изотропные и свободные от напряжений.

На рис. 10 представлено видеоизображение вертикального сечения плазменно-пылевой структуры для макрочастиц диаметром 6,8 мкм. Характерной особенностью, присущей многим наблюдавшимся образованиям, является наличие в центре зоны 1, свободной от отрицательно заряженных пылевых частиц (войда). Размеры этой зоны зависят от вводимой в разряд мощности, давления нейтрального газа и размера макрочастиц. Основными силами, действующими в области войда являются электростатическая сила, сила ионного увлечения и термофоретическая сила. Другой зоной, свободной от пылевых частиц, является зона приэлектродного двойного электрического слоя 2. Напряженность электрического поля в приэлектродном слое максимальна у электрода 3. В лабораторных условиях пылевая компонента заполняет всего лишь несколько слоев вблизи нижнего электрода. В области 4 вокруг вертикальной оси плазменной камеры наблюдается формирование хорошо упорядоченной плазменно-пылевой структуры - трехмерного плазменного кристалла. В периферийной зоне 5 наблюдаются вихревые движения заряженных частиц.

Рис. 9. Вакуумная плазменная камера Рис. 10. Пылевая структура

В разделе 4.3.2 приводятся результаты экспериментов по формированию пылевых структур с полным заполнением межэлектродного пространства. Одной из основных идей при постановке экспериментов по исследованию

пылевой плазмы в условиях микрогравитации является получение и изучение структур в центральной части, где напряженность электрического поля в плазме близка к нулю, и плазма изотропна Основной причиной образования войда является превалирование силы ионного увлечения Р„ направленной от центра камеры к электродам и стенкам, над электрической Ре, имеющей противоположное направление Анализ силы ионного увлечения в области слабого электрического поля, выполненный в бесстолкновительном приближении, дает следующее соотношение [18], [19]

ВД~0,5Шл (5)

где I, - длина свободного пробега ионов, ло, - дебаевский радиус экранирования (здесь ионный дебаевский радиус) Из приведенного соотношения следует, что при определенных условиях возможно заполнение центральной части межэлектродного промежутка частицами, что и удалось реализовать в ряде экспериментов Число пылевых частиц в плазменно-пылевой структуре при полном заполнении промежутка превышает 106 частиц

Получен набор экспериментальных данных, который позволяет прогнозировать получение структур с полным заполнением плазменного объема и осуществить изучение упорядоченных плазменно-пылевых образований при весьма малых электрических полях

В разделе 4.3.3 отмечается, что характерной особенностью является наличие резкой границы между плазменной областью и окружающей пылевой плазмой В граничной области наблюдается сжатие пылевой компоненты Протяженность граничной области составляет несколько межчастичных расстояний Приводятся результаты одного из экспериментов по изучению динамики поведения границы плазма - пылевая плазма при снижении вводимой в разряд мощности

Рис 11 демонстрирует изменение распределения пылевой плотности на границе плазма - пылевая плазма при уменьшении напряжения на электродах Как видно, при сравнительно большом напряжении плотность пылевых частиц на границе примерно вдвое превышает плотность пыли в основной зоне пылевой плазмы При дальнейшем снижении £4/,,;,, а следовательно и уменьшении концентрации ионов и электронов, плотность пылевой компоненты на границе возрастает и достигает максимальной величины (2 105 см"3, что на порядок выше плотности пыли в основной зоне) при иэфф = 16,8 В Далее наблюдается дальнейшее снижение плотности пылевой компоненты при уменьшении напряжения Важно отметить, что одновременно с уменьшением плотности А^ происходит расширение граничной области и заполнение всего пространства Образовавшееся плазменно-пылевое образование дает возможность исследовать 3-мерные пылевые структуры с минимальными внутренними напряжениями

О 1 2 3 4 5 6 х. тт 7

Рис. 11. Изменение распределения пылевой плотности на границе плазма — пылевая плазма при уменьшении напряжения на электродах

В разделе 4.3.4 исследовалась динамика формирования плазменно-пылевой структуры (кристаллизация) в условиях невесомости на достаточно протяженном отрезке времени (до 40 минут) при постоянных параметрах высокочастотного разряда. В экспериментах выявлено, что размер зоны кристаллизации возрастает с течением времени. Средняя скорость распространения фронта кристаллизации по вертикальной оси составляет примерно 90 мкм/мин - в течение 3-х минут фронт кристаллизации продвигается на одно межчастичное расстояние.

В разделе 4.3.5 описывается впервые наблюдавшийся эффект кристаллизации 3-мерной пылевой компоненты при снижении давления газа в отличие от экспериментов в 2-мерной структуре при наличии силы тяжести, где при снижении давления наблюдалось плавление.

В разделе 4.3.6 обнаружено, что после рекомбинации ионов и электронов при выключении разряда остается облако заряженных пылевых частиц. По амплитудам осцилляций пылевых частиц в низкочастотном электрическом поле был определен остаточный заряд (600 - 800е).

В разделе 4.3.7 приведены результаты первых экспериментов по исследованию распространения пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем в 3-мерной пылевой плазме. Наличие пылевой компоненты не только изменяет спектр волн, существующих в плазме, свободной от пылевых частиц, но и приводит к появлению новых мод. Наиболее ярким эффектом является возникновение пылевой волновой моды, представляющей колебания пылевых частиц относительно квазиравновесного состояния электронов и ионов. Эта мода лежит в низкочастотном диапазоне. Выполненные эксперименты продемонстрировали возможность изучения волн пылевой компоненты в условиях микрогравитации. Частота изменялась при проведении данной серии экспериментов ступенчато от 0,5 до 100 Гц. Длина волны изменяется в

диапазоне от 0,6 до 1,6 мм. Частотный диапазон, в котором возбуждаются волны - 4-25 Гц. Измерена дисперсионная зависимость и проведено сопоставление результатов экспериментов с теорией пылезвуковых волн.

На рис. 12 приведена картина распространения пылезвуковых волн, где выделены две области с различными межчастичными расстояниями: область А - межчастичное расстояние 200 мкм, область В - 100 мкм. Результаты обработки видеоизображений представлены на рис. 13, вставка показывает отношение длины демпфирования к длине волны в зависимости от волнового числа к. Сопоставляя результаты эксперимента с теорией [20], модифицированной с учетом столкновений пылевых частиц с нейтралами, определены длина экранирования и параметр неидеальности.

Рис. 12. Структура пылевого облака с пылезвуковыми колебаниями (смесь частиц 3,4 и 6,8 мкм)

к (сш )

01---.---1-.-1---1---1-

0 20 40 60 80 100

к (ст ')

Рис. 13. Дисперсионные зависимости для областей А и В рис. 12

Раздел 4.4 содержит выводы по четвертой главе.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1. Экспериментально получены объемные (до 104 частиц) упорядоченные пылевые структуры и проведено исследование условий их образования в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести. Обнаружена перестройка пылевой структуры -нарушение дальнего порядка. Результаты выполненных исследований послужили основой экспериментов по изучению пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации.

2. Впервые экспериментально получены упорядоченные пылевые структуры из макрочастиц большого диаметра в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации. Зарегистрированы экстремально высокие заряды макрочастиц, изменение степени корреляции пылевых структур.

3. Впервые экспериментально получены образования из макрочастиц, положительно заряженных путем фотоэмиссии в условиях микрогравитации. Определены заряды частиц.

Содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1 JIunaee А М, Молотков В И, Нефедов А П, Петров О Ф, Торчинский В М, Фортов BE, Храпак А Г, Храпак СА, Упорядоченные структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 1997, 112(6), 2030

2 Fortov, VE, Nefedov, АР, Torchinsky, VM, Molotkov, Vl.Petrov, OF, Samarian, AA, Lipaev, AM, Khrapak, AG, Crystalline structures of strongly coupled dusty plasmas in dcglow discharge strata // PHYSICS LETTERS A, 1997, 229(5), 317322

3 Fortov VE, Lipaev AM, Molotkov VI, Nefedov AP, Petrov OF, Torchinsku VM, Dusty plasma structures in the stratified dc glow discharge // proceedings of International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 1997, 1,1-178 -1-179

4 Nefedov, AP, Vaulina, OS, Petrov, OF, Molotkov, V, Torchinsku, VM, Fortov, VE, Chernyshev, AV, Lipaev, AM, Ivanov, AI,Kaleri, AY, Semenov, YP, Zaletin, SV, The dynamics of macroparticles m a direct current glow discharge plasma under micro-gravity conditions // NEW JOURNAL OF PHYSICS, 2003, 5(108)

5 Нефедов A 77, Ваулина О С, JIunaee A M, Молотков В И, Торчинский В М, Фортов В Е, Чернышев А В, JIunaee А М, Иванов А И, Калери А Ю, Семенов ЮП, Залетин СВ, Динамика макрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 2002,122(4), 778-788

6 Fortov, VE, Vaulina, OS, Petrov, OF, Molotkov, VI, Lipaev,AM, Torchinsky, VM, Thomas, HM, Morfill, GE, Khrapak, SA, Semenov, YP,Ivanov, AI, Krikalev, SK, Kalery, AY, Zaletin, SV, Gidzenko, YP, Transport of microparticles m weakly ionized gas-dischargeplasmas under microgravity conditions // PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2003, 90(24)

7 Фортов BE, Нефедов АП, Ваулина ОС, JIunaee AM, Молотков ВИ, Самарян АА, Никитский ВП, Иванов А И, Савин СФ, Колмыков АВ, Соловьев А Я, Виноградов П В , Пылевая плазма, индуцированная солнечным излучением, в ксловиях микрогравитации эксперимент на борту орбмтальной

станции "Мир" // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 1998, 114(6), 2004 о

8 Nefedov АР, Vauhna OS, Petrov OF, Fortov VE, Dranzhevsku IE, Lipaev AM, Dynamics of dust grains in a two-component dusty plasma induced by solar radiation under microgravity conditions // PLASMA PHYSICS REPORTS, 2003, 29(1), 3141

9 Fortov VE, Nefedov AP, Vaulina OS, Petrov OF, Dranzhevski IE, Lipaev AM, Semenov YP, Dynamics of dust grains in an electron-dust plasma induced by solar radiation under microgravity conditions // NEW JOURNAL OF PHYSICS, 2003, 5(102)

10 Fortov VE, Nefedov AP, Nikitsky VP, Ivanov AI, Lipaev AM, Experimental studies of UV-induced Dusty Plasmas under Microgravity, Frontiers m dusty plasmas, ed Nakomura Y, YokotaT, Shukla PK, Elsevier Science-2000, p 535-538

11 Nefedov, AP, Morfill, GE, Fortov, VE, Thomas, HM,Rothermel, H, Hagl, T, Ivlev, AV, Zuzic, M, Klumov, BA, Lipaev, AM,Molotkov, VI, Petrov, OF, Gidzenko, YP, Krikalev, SK, Shepherd, W, Ivanov, AI, Roth, M, Bmnenbruck, H, Goree, JA, Semenov, YP, PKE-Nefedov plasma crystal experiments on the International Space Station // NEW JOURNAL OF PHYSICS, 2003, 5(33)

12 Фортов В E, Ваулина О С, Петров О Ф, Молотков В И, Чернышев А В, JIunaee А М, Морфилл Г, Томас X, Ротермел X, Храпак С, Семенов Ю П, Иванов А И, Крикалев СК, Гидзенко ЮП, Динамика макрочастиц в пылевой плазме в условиях микрогравитации (первые эксперименты на МКС) // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 2003, 123(4), 798

13 Kretschmer, М, Khrapak, SA, Zhdanov, SK, Thomas, HM, Morfill, GE, Fortov, VE, Lipaev, AM, Molotkov, VI, Ivanov, AI, Turin, MV, Force field inside the void m complex plasmas undermicrogravity conditions // PHYSICAL REVIEW E, 2005, 71(5)

14 Lipaev, AM, Khrapak, SA, Molotkov, VI, Morfill, GE, Fortov, VE, Ivlev, AV, Thomas, HM, Khrapak, AG, Naumkm, VN, Ivanov, AI, Tretschev, SE, Padalka, GI, Void closure m complex plasmas under microgravity conditions // PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2007, 98(26)

15 HM Бударин, А И Иванов, А Ивлев, AM JIunaee, А И Kanepu, С К Крикалев, ЮИ Маленченко, В И Молотков, Г Морфилл, Г И Падалка, X Томас, СЕТрещев, С А Храпак, АВЧернышов, Экспериментальные исследования сильнонеидеальной пылевой плазмы в условиях микрогравитации на международной космической станции в 2003 - 2004 гг // Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, 2004, 7, 237-242

16 Ivlev AV, Kretschmer М, Zuzic М, Morfill GE, Rothermel H, Thomas HM, Fortov VE, Molotkov VI, Nefedov AP, Lipaev AM, Petrov OF, Baturm YM, Ivanov AI, Goree

J, Dechargmg of complex plasmas First kinetic observations // PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2003,90(5)

17 Khrapak S, Samsonov D, Morfill G, Thomas H, Yaroshenko V, Rothermel H, Hagl T, Fortov V, Nefedov A, Molotkov V, Petrov O, Lipaev A, Ivanov A, Baturin Y, Compressional waves m complex (dusty) plasmas under microgravity conditions // PHYSICS OF PLASMAS, 2003, 10(1), 1-4

IB Yaroshenko VV, Annaratone BM, Khrapak SA, Thomas HM, Morfill GE, Fortov VE, Lipaev AM, Molotkov VI, Petrov OF, Ivanov AI, Turin MV, Electrostatic modes in collisional complex plasmas under microgravity conditions // PHYSICAL REVIEW E, 2004, 69(6)

19 ЮМ Батурин, ОС Ваулина, ЮП Гидзенко, ВН Дежуров, А И Иванов, А В. Ивлев, С К Крикалев, А М JIunaee, В И Молотков, ГЕ Морфилл, ТА Мусабаев, О Ф Петров, X Ротермель, ЮП Семенов, ХМ Томас, MB Тюрин, А А Черньшов, С А Храпак, Экспериментальные исследования сильнонеидеальной пылевой плазмы в условиях микрогравитации на международной космической станции в 2001-2002 гг // Научные труды Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, 2002, 5,197-208

20 Thomas, ИМ, GЕMorfill, АР Nefedov, VE Fortov, Н Rothermel, A VIvlev, М Zuzic, А М Lipaev, VI Molotkov, О F Petrov, The Physics of Complex Plasmas and the Microgravity Programme on Plasma Crystal (PK) Research // Proc of the 55th International Astronautical Congress, 2004, IAC-04-T4 03 and IAC-04-J 3 02

21 H M Thomas, G E Morfill, A VIvlev, A P. Nefedov, V E Fortov, HRothermel, M Rubin-Zuzic, A M Lipaev, VI Molotkov, О F Petrov, PKE-Nefedov - Complex Plasma Research on the International Space Station // Microgravity Sci Technol XVI, 2005, 317-321

Цитируемая литература:

1 Thomas, H, Morfill, GE, Demmel, V, Goree, J, Feuerbacher, B, Mohlmann, D II PHYSICAL REVIEW LETTERS 1994 73(5), 652-655

2 Chu, JH, Lin, IИ PHYSICA A 1994 205(1-3), 183-190

3 Hayashi, Y, Tachibana, К II JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 1994 33(6A), L804-L806

4 Selwyn GS, Physics of dusty plasmas, ed by P К Shukla, - World Scientific Publ, Singapore, 1996, 177

5 Ed By A Bouchoule, Dusty Plasmas Physics, Chemistry and Technological Impact m Plasma Processing - J Wiley and Sons, New York, 1999

6 BE Фортов, А Г Храпак, С А Храпак, А Г Храпак, В И Молотков, ОФ Петров И Успехи Физических Наук 2004 174(5), 495-544

7 Fortov, VE, Ivlev, AV, Khrapak, SA, Khrapak, AG, Morfill, GE II PHYSICS REPORTS 2005 421(1-2), 1-103

8 A M Игнатов // Физика плазмы 2005 31(1), 52-63

9 Цытович В Н II Успехи Физических Наук 1997 167(1), 57-99

10 В Н Цытович И Успехи Физических Наук 2007 177(4), 427-472

11 Fortov VE, Nefedov А Р, Petrov ОF, Samarian А А , Cherrtyschev А V, Lipaev А М // Письма в ЖЭТФ 1996 63(3), 176-180

12 Фортов В.Е, Филинов ВС, Нефедов АП, Петров ОФ, Самарян А А, JIunaee АМН Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики 1997 111(3), 889

13 Thomas, HM, Morfill, GE II NATURE 1996 379(6568), 806-809

14 Грановский В Л, Электрический ток в газе Установившийся ток - Москва Наука, 1971

15 Райзер Ю П, Физика газового разряда - Москва Наука, 1987

16 Fortov VE, Nefedov АР, Molotkov VI, Poustylnik MY, Torchinsky VM II PHYSICAL REVIEW LETTERS 2001 87(20)

17 Rosenberg M, Mendts DA II IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE 1995, 23(2), 177-179

18 Khrapak SA, Ivlev AV, Morfill GE, Thomas HM II PHYSICAL REVIEW E 2002 66(4)

19 Ivlev AV, Zhdanov SK, Khrapak SA, Morfill GE II PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION 2004 46(12B), B267-B279

20 Rao NN, Shukla PK, YuMY II Plasma Space Sei 1990 38(4), 543

ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

ЛИПАЕВ Андрей Михайлович

Автореферат

Подписано в печать 24 09 07 Печать офсетная Тираж 100 экз

Уч -издл 1,5 Заказ № 125

Формат 60x84/16 Усл-печл 1,39 Бесплатно

ОИВТ РАН 125412, Москва, Ижорская ул, 13/19

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Липаев, Андрей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

0.1. Актуальность работы.

0.2. Цели работы.

0.3. Научная новизна работы.

0.4. Научная и практическая ценность.И

0.5. Научные положения, выносимые на защиту.

0.6. Апробация работы.

0.7. Публикации.

0.8. Структура и объем диссертации.

ГЛАВА 1. УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Введение.

1.2. Экспериментальная установка.

1.3. Результаты экспериментов и их обсуждение.

1.3.1. Формирование упорядоченных структур в стратах положительного столба.

1.3.2. Формирование упорядоченных структур в двойном электрическом слое.

1.3.3. Влияние пылевых частиц на параметры разряда.

Введение диссертация по физике, на тему "Плазменно-пылевые структуры в условиях микрогравитации: методы получения и результаты экспериментов"

2.2. Описание эксперимента.40

2.3. Экспериментальные данные и анализ результатов измерений. .44

2.3.1. Определение пылевых зарядов по скорости дрейфа макрочастиц.44

2.3.2. Формирование жидкостных пылевых структур.46

2.3.3. Экранировка макрочастиц.48

2.3.4. Кинетика зарядки пылевых частиц.49

2.4. Заключение.52

ГЛАВА 3. ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА, ИНДУЦИРОВАННАЯ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ, В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ: ЭКСПЕРИМЕНТ НА БОРТУ ОРБИТАЛЬНОЙ СТАНЦИИ "МИР".54

3.1. Введение.54

3.2. Образование упорядоченных структур макрочастиц под воздействием солнечного излучения.55

3.2.1. Фотоэмиссионная зарядка частиц.55

3.2.2. Характерные времена динамики формирования пылевых структур.64

3.3. Эксперимент.66

3.3.1. Экспериментальная установка.66

3.3.2. Поведение структуры макрочастиц в условиях микрогравитации.68

3.3.3. Определение заряда частиц.72

3.4. Заключение.75

ГЛАВА 4. УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В НЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ ТЛЕЮЩЕГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ.77

4.1. Введение.77

4.2. Экспериментальная установка «Плазменный кристалл-3».78

4.3. Результаты экспериментов.84

4.3.1. Эффект отсутствия гравитации.84

4.3.2. Плазменно-пылевые образования в области с минимальным электрическим нолем.88

4.3.3. Динамика границы плазмы и пылевой плазмы.93

4.3.4. Формирование плазменного кристалла. Распространение фронта кристаллизации.99

4.3.5. Кристаллизация пылевой компоненты.105

4.3.6. Распад комплексной (пылевой) плазмы.107

4.3.7. Низкочастотные волны плотности пылевой компоненты 112

4.4. Заключение.123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.124

ЛИТЕРАТУРА.126

ВВЕДЕНИЕ

0.1. Актуальность работы.

С середины 90-х годов наблюдается бурный рост исследований низкотемпературной плазмы с макроскопическими частицами (пылевой плазмы). Сильно возросший интерес к этой области физики плазмы вызван открытием кристаллизации в системе сильнозаряженных пылевых частиц в лабораторных условиях в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда [1], [2], [3]. Повышенный интерес к изучению пылевой плазмы связан также с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, при производстве тонких пленок и наночастиц [4], [5]. В настоящее время пылевая плазма является бурно развивающейся областью исследований, включающей в себя вопросы физики плазмы, гидродинамики, кинетики фазовых переходов, а также прикладные проблемы (плазменные технологии, создание новых материалов). Большой объем полученной к настоящему времени новой научной информации о явлениях в пылевой плазме содержится в недавних обзорах [6], [7], [8], [9], [10].

Свойства пылевой плазмы значительно многообразнее свойств обычной многокомпонентной плазмы электронов и ионов. Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов, а иногда и источником электронов за счет фотоэмиссии, вторичной электронной эмиссии или термоэмиссии. В силу этого пылевая компонента может существенно влиять на ионизационное равновесие. Вследствие большого заряда, который приобретают пылевые частицы микронного размера в плазме, их потенциальная энергия взаимодействия велика, и неидеальность системы пылевых частиц реализуется намного легче, чем неидеальность электрон-ионной подсистемы.

Пылевая плазма является эффективным инструментом для исследования фундаментальных свойств сильнонеидеальной плазмы, что обусловлено такими особенностями, как относительная простота получения, наблюдения и управления параметрами, малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения. Имеется возможность проводить измерения с прямым определением функции распределения пылевых частиц по координатам и импульсам, позволяя исследовать многие процессы на кинетическом уровне, что поможет в понимании явлений в других системах, где проведение кинетических измерений невозможно.

Критическим фактором в формировании плазменно-пылевых образований в лабораторных исследованиях на Земле является гравитационная сила. В большинстве случаев в лабораторных экспериментах реально достижимы достаточно тонкие, так называемые "двух с половиной" (2/4D) мерные или просто двумерные (2D) пылевые структуры. Это вызвано тем, что действующая на пылевую частицу сила тяжести может быть скомпенсирована только в узких областях (приэлектродный слой пространственного заряда в ВЧ - разряде или страта в разряде постоянного тока) за счет большой напряженности имеющегося там электрического поля. В условиях микрогравитации для достижения левитации пылевых частиц нет необходимости в наличии сильного электрического поля.

В лабораторных условиях на Земле невозможно изучение поведения массивных пылевых частиц большого размера, исследование поведения пылевых систем под действием ультрафиолетового излучения, получение и исследование больших (с числом частиц более миллиона) плазменно-пылевых 3-х мерных (3D) систем. Поэтому сразу же после открытия "плазменных кристаллов и жидкостей" в лабораторных условиях ставился вопрос о необходимости проведения исследований пылевой плазмы в условиях микрогравитации.

Проведение таких исследований позволяет существенно расширить круг рассматриваемых явлений и получить новую научную информацию о процессах самоорганизации сильнонеидеальной пылевой плазмы в широком диапазоне параметров пылевой компоненты и плазмы, особенностях плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей, фазовых переходах в больших пылевых системах, эффектах, связанных с наличием в плазме сильнозаряженных частиц большого диаметра, неустойчивостях пылевой компоненты. Получение таких знаний о пылевой плазме представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.

На начало диссертационной работы упорядоченные пылевые структуры (плазменный кристалл) были получены только в приэлектродном слое ВЧ разряда (несколько слоев частиц) и косвенным образом в термической плазме наблюдались жидкостные структуры [11], [12].

0.2. Цели работы.

Цели диссертационной работы состояли в получении трехмерных плазменно-пылевых структур в условиях микрогравитации различными методами (в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока; в системе, состоящей из макрочастиц, положительно заряженных в результате фотоэмиссии; в пылевой плазме высокочастотного емкостного разряда) и в экспериментальном изучении условий их формирования и существования, степени упорядоченности, особенностей кристаллизации, определении зарядов макрочастиц и волновых свойств пылевой компоненты.

0.3. Научная новизна работы.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Экспериментально получены объемные (до 104 частиц) упорядоченные пылевые структуры и проведено исследование условий их образования в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести. Обнаружена перестройка пылевой структуры - нарушение дальнего порядка. Результаты выполненных исследований послужили основой экспериментов по изучению пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации.

2. Впервые экспериментально получены упорядоченные пылевые структуры из макрочастиц большого диаметра в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации. Зарегистрированы экстремально высокие заряды макрочастиц (до 106 ё), изменение степени корреляции пылевых структур.

4. Получены большие (свыше миллиона частиц) 3-х мерные плазменно-пылевые системы с высокой степенью изотропности. Впервые наблюдалось распространение фронта кристаллизации в пылевой плазме в условиях микрогравитации. Обнаружена кристаллизация трехмерной пылевой подсистемы при уменьшении давления. Измерены дисперсионные соотношения пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем в 3-х мерной пылевой плазме. Экспериментально определены остаточные заряды пылевых частиц при релаксации пылевой плазмы.

0.4. Научная и практическая ценность.

Пылевая плазма является сравнительно новой областью физики, для развития которой необходимы постановка и выполнение поисковых экспериментальных исследований, на что и направлена данная работа.

Предложенные методы получения пылевой плазмы можно применять для широкого круга исследований.

В диссертационной работе получены новые данные о зарядке макроскопических частиц в различных условиях, особенностях формирования структур сильнозаряженных пылевых частиц, впервые получены большие 3-х мерные плазменно-пылевые системы, обнаружены новые эффекты в поведении плазменно-пылевых структур. Полученные результаты используются при постановке новых экспериментов по пылевой плазме в условиях микрогравитации, в частности, по исследованию фазовых переходов в пылевой подсистеме, а также при создании экспериментальных плазменных установок нового поколения.

Результаты экспериментов привели к пересмотру теории силы ионного увлечения, которая является одной из основных сил в пылевой плазме. Точное знание этой силы совершенно необходимо для анализа явлений в пылевой подсистеме. Многие из проведенных экспериментов представляют интерес для специалистов, занимающихся физикой сплошных сред, поскольку имеется уникальная возможность для наблюдения системы на кинетическом уровне и извлечения статистических параметров объекта и их сопоставления.

0.5. Научные положения, выносимые на защиту.

• Результаты экспериментального исследования больших 3-х мерных пылевых систем с различной степенью изотропности в плазме высокочастотного емкостного разряда в условиях микрогравитации: распространение фронта кристаллизации в пылевой компоненте, кристаллизация пылевой подсистемы при уменьшении давления, распространение пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем, определение остаточных зарядов макрочастиц при релаксации плазмы.

0.6. Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались:

1. на семинарах Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН,

2. научных семинарах Института внеземной физики Общества М. Планка,

3. на 13-ой Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Франция, Тулуза, 1997).

4. на 2-ой Международной конференции по физике пылевой плазмы (Хаконе, Япония, 1999),

5. 5-м Европейском Совещании по пылевой и коллоидной плазме (Потсдам, Германия, 2001 ),

6. 3-ей Международной конференции по физике пылевой плазмы (Дурбан, Южная Африка, 2002 ),

7. 5-ой Международной научно-практической конференции "Пилотируемые полеты в космос" (Звездный городок, Россия, 2003),

8. 31-ой Международной конференции Европейского физического Общества по физике плазмы (Лондон, Великобритания, 2004),

9. Международной конференции по пылевой плазме и ее приложениям (Одесса, Украина, 2004),

10.4-ой Международной конференции по физике пылевой плазмы (Орлеан, Франция, 2005),

11.18-ой Международной конференции Европейского физического Общества по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Лечче, Италия, 2006),

12. научно-координационных сессиях "Исследования неидеальной плазмы" (Президиум РАН, Москва, 2003, 2006),

13.Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2007),

14.2-ой Международной конференции по пылевой плазме и ее приложениям (Одесса, Украина, 2007).

0.7. Публикации.

Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, изложены в 21 статье, из них 16 публикаций в реферируемых российских и зарубежных журналах [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33].

0.8. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 136 страницах, включая 44 рисунка и 7 таблиц. Список литературы состоит из 72 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально получены объемные (до 104 частиц) упорядоченные пылевые структуры и проведено исследование условий их образования в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести. Обнаружена перестройка пылевой структуры - нарушение дальнего порядка. Результаты выполненных исследований послужили основой экспериментов по изучению пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации.

Автор считает своим долгом отметить, что весь цикл работ был начат под научным руководством академика Фортова Владимира Евгеньевича и Нефедова Анатолия Павловича. Влияние Анатолия Павловича распространяется и на сегодняшнюю работу диссертанта, несмотря на то, что его уже нет с нами. Светлая ему память.

В завершении автор выражает благодарность В.И. Молоткову за неоценимую помощь в работе над диссертацией, JI.M. Василяку и

A.Г. Храпаку за критические обсуждения диссертации. Автор искренне благодарит всех российских космонавтов, проводивших эксперименты на орбитальных космических станциях («Мир» и МКС), А.Я. Соловьева, П.В. Виноградова, С.В. Авдеева, Г.И. Падалка, А.Ю. Калери, С.В. Залетина, С.К. Крикалева, Ю.П. Гидзенко, Ю.М. Батурина, Т.А. Мусабаева, М.В. Тюрина, В.Н. Дежурова, Н.М. Бударина,

B.Г. Корзуна, С.Е. Трещева, Ю.И. Маленченко, С.Ш. Шарипова, сотрудников ЦПК им. Ю.А. Гагарина, участвовавших в подготовке космонавтов, А.И. Шурова, Т.Н. Ростопирова, П.А. Сабурова и

A.В. Древеля; специалистов РКК «Энергия» и ЦУПМ, оказавших неоценимую помощь в подготовке аппаратуры и организации экспериментов, и в особенности В.П. Никитского, А.И. Иванова, Д.М. Сурина, А.В. Калмыкова, М.С. Кудашкину, И.Е. Рославцеву, М.Ю. Беляева, О.Н. Волкова и M.JI. Пронина.

Автор выражает благодарность сотрудникам ИТЭС ОИВТ РАН, оказавшим поддержку при выполнении данной работы, О.Ф. Петрову, О.С. Ваулиной, С.А. Храпаку, А.В.Чернышеву, А.А. Самаряну,

B.М. Торчинскому, В.Ф. Косову, JI.B. Депутатовой, В.И. Владимирову,

C.С. Богачеву.

Автор благодарит сотрудников Института внеземной физика Общества им. М. Планка Г.Е. Морфилла, Х.М. Томаса, А.В. Ивлева, Г. Ротермель, Т.К. Хагль за совместную работу.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Липаев, Андрей Михайлович, Москва

1. Thomas, Н; Morfill, GE; Demmel, V; Goree, J; Feuerbacher, B; Mohlmann, D, Plasma crystal - coulomb crystallization in a dusty plasma // PHYS1.AL REVIEW LETTERS, 1994, 73(5), 652-655.

2. Chu, JH; Lin, I, Coulomb lattice in a weakly ionized colloidal plasma // PHYSICAA, 1994,205(1-3), 183-190.

3. Hayashi, Y; Tachibana, K, Observation of coulomb-crystal formation from carbon particles grown in a methane plasma // JAPANESE JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 1994, 33(6A), L804-L806.

4. Selwyn GS, Physics of dusty plasmas, ed. by P. K. Shukla, . World Scientific Publ., Singapore, 1996.

5. Ed. By A. Bouchoule, Dusty Plasmas: Physics, Chemistry and Technological Impact in Plasma Processing // J. Wiley and Sons, New York, 1999.

6. B.E. Фортов, А.Г. Храпак, C.A. Храпак, А.Г. Храпак, В.И. Молотков, О.Ф. Петров, Пылевая плазма (Обзоры актуальных проблем) // Успехи Физических Наук, 2004, 174(5), 495-544.

7. Fortov, VE; Ivlev, AV; Khrapak, SA; Khrapak, AG; Morfill, GE, Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives // PHYSICS REPORTS, 2005,421(1-2), 1-103.

8. A.M. Игнатов, Физические процессы в пылевой плазме // Физика плазмы, 2005,31(1), 52-63.

9. Цытоеич В.Н., Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака // Успехи Физических Наук, 1997,167(1), 57-99.

10. В.Н. Цытоеич, Развитие физических представлений о взаимодействии плазменных потоков и электростатических полей в пылевой плазме // Успехи Физических Наук, 2007, 177(4), 427-472.

11. Fortov V.E., Nefedov А.Р., Petrov O.F., Samarian A.A., Chemyschev A.V., LipaevA.M., Experimental observation of Coulomb ordered structure in spray of thermal dusty plasmas // Письма в ЖЭТФ, 1996, 63(3), 176-180.

12. JIunaee A.M., Молотков В.И., Нефедов А.П., Петров О.Ф., Торчинский В.М., Фортов В.Е., Храпак AT., Храпак С.А., Упорядоченные структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 1997, 112(6), 2030.

13. Fortov, VE; Nefedov, АР; Torchinsky, VM; Molotkov, VI;Peirov, OF; Samarian, A A; Lipaev, AM; Khrapak, AG, Crystalline structures of strongly coupled dusty plasmas in dcglow discharge strata // PHYSICS LETTERS A, 1997,229(5), 317-322.

14. Fortov VE, Lipaev AM, Molotkov VI, Nefedov AP, Petrov OF, Torchinskii VM, Dusty plasma structures in the stratified dc glow discharge // proceedings of International Conference on Phenomena in Ionized Gases, 1997, 1(), 1-178 1179.

15. Nefedov АР, Vaulina OS, Petrov OF, Fortov VE, Dranzhevskii IE, Lipaev AM, Dynamics of dust grains in a two-component dusty plasma induced by solar radiation under microgravity conditions // PLASMA PHYSICS REPORTS, 2003, 29(1), 31-41.

16. Fortov VE, Nefedov AP, Vaulina OS, Petrov OF, Dranzhevski IE, Lipaev AM, Semenov YP, Dynamics of dust grains in an electron-dust plasma induced by solar radiation under microgravity conditions // NEW JOURNAL OF PHYSICS, 2003, 5(102), 102.

17. Fortov VE, Nefedov AP, Nikitsky VP, Ivanov AI, Lipaev AM, Experimental studies of UV-induced Dusty Plasmas under Microgravity, Nakomura Y., Yokota Т., Shukla PK Elsevier Science, 2000.

18. Kretschmer, М; Khrapak, SA; Zhdanov, SK; Thomas, HM; Morfill, GE; Fortov, VE; Lipaev, AM; Molotkov, VI; Ivanov, AI; Turin, MV, Force field inside the void in complex plasmas undermicrogravity conditions // PHYSICAL REVIEW E, 2005, 71(5),.

19. Yaroshenko VV, Annaratone BM, Khrapak SA, Thomas HM, Morfill GE, Fortov VE, Lipaev AM, Molotkov VI, Petrov OF, Ivanov AI, Turin MV, Electrostatic modes in collisional complex plasmas under microgravity conditions // PHYSICAL REVIEW E, 2004, 69(6),.

20. Thomas, ИМ; Morfdl, GE, Melting dynamics of a plasma crystal // NATURE, 1996,379(6568), 806-809.

21. Melzer, A; Trottenberg, T; Piel, A, Experimental-determination of the charge on dust particles forming coulomb lattices // PHYSICS LETTERS A, 1994, 191(3-4), 301-308.

22. Райзер Ю.П., Основы современной физики газоразрядных процессов // , 1980.

23. Райзер Ю.П., Физика газового разряда // Москва: Наука, 1987.

24. Голубовский Ю.Б., Иисшов С.У., Сулейменов Н.Э., О двумерном характере страт в разряде низкого давления в инертных газах. I. // Журнал Технической Физики, 1994, 64(), 54.

25. Голубоеский Ю.Б., Нисимов С.У., О двумерном характере страт в разряде низкого давления в инертных газах. II. // Журнал Технической Физики, 1995, 65(1), 46-55.

26. Allen JE, Probe theory the orbital motion approach // PHYSICA SCRIPTA, 1992,45(5), 497-503.

27. Daugherty JE, Porteous RK, Graves DB, Electrostatic forces on small particles in low-pressure discharges // JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 1993, 73(4), 1617-1620.

28. Daugherty JE, Porteous RK, Kilgore MD, Graves DB, Sheath structure around particles in low-pressure discharges // JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, 1992, 72(9), 3934-3942.

29. Грановский В.JI., Электрический ток в газе. Установившийся ток. // Москва: Наука, 1971.

30. Fortov VE, Nefedov АР, Molotkov VI, Poustylnik MY, Torchinsky VM, Dependence of the dust-particle charge on its size in a glow-discharge plasma // PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2001, 87(20),.

31. E.M. Лифшиц, Л.П. Питаевский, Физическая кинетика // Москва: Наука, 1979.

32. N.A. Fuchs, The mechanics of aerosols // Dover, New York, 1964.

33. Allen JE, Probe theory the orbital motion approach // PHYSICA SCRIPTA, 1992,45(5), 496-503.

34. Nitter T, Levitation of dust in fr and dc glow discharges // PLASMA SOURCES SCIENCE & TECHNOLOGY, 1996,5(1), 93-111.

35. Vaulina OS, KhrapakSA, SamarianAA, Petrov OF, Effect of stochastic grain charge fluctuation on the kinetic energy of the particles in dusty plasma // PHYSICA SCRIPTA, 2000, T84(), 229-231.

36. Каплан С.А., Межзвездная среда и происхождение звезд // Москва: Знание, 1977.

37. Горькавый Н.Н., Фридман A.M., Физика планетных колец // Успехи Физических Наук, 1990, 160(2), 169-237.

38. Melandso F, Havnes О, Oscillations and resonances in electrostatically supported dust rings // JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH-SPACE PHYSICS, 1991, 96(A4), 5837-5845.

39. Rosenberg M, Mendis DA, UV-induced coulomb crystallization in a dusty gas // IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, 1995, 23(2), 177-179.

40. Грилихес В.А., Орлов П.П., Попов Л.Б., Солнечная энергия и космические полеты //Москва: Наука, 1984.

41. Epstein PS, On the Resistance Experienced by Spheres in their Motion through Gases // Phys. Rev., 1924, 23(), 710-733.

42. Сивухин Д.В., Общий курс физики (том 1). Механика // М.: Наука,.

43. Khrapak SA, IvlevAV, Morfill GE, Thomas HM, Ion drag force in complex plasmas // PHYSICAL REVIEW E, 2002, 66(4),.

44. Ivlev AV, Zhdanov SK, Khrapak SA, Morfill GE, Ion drag force in dusty plasmas // PLASMA PHYSICS AND CONTROLLED FUSION, 2004, 46(12B), B267-B279.

45. IvlevAV, Zhdanov SK, Khrapak SA, Morfill GE, Kinetic approach for the ion drag force in a collisionial plasma // PHYSICAL REVIEW E, 2005, 71(1),.

46. Khrapak SA, Ivlev AV, Zhdanov SK, Morfill GE, Hybrid approach to the ion drag force // PHYSICS OF PLASMAS, 2005,12(4),.

47. Ivlev AV, Khrapak SA, Zhdanov SK, Morfill GE, Joyce G, Force on a charged test particle in a collisional flowing plasma // PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2004, 92(20),.

48. Gozadinos G, Ivlev AV, Boeuf JP, A fluid model for colloidal plasmas under microgravity conditions // NEW JOURNAL OF PHYSICS, 2003, 5(32),.

49. Biyant PM, The structure of the complex plasma boundary // NEW JOURNAL OF PHYSICS, 2004, 6(60),.

50. Rao N.N., Shukla P.K., Yu M.Y., Dust-acoustic waves in dusty plasmas // Plasma Space Sci., 1990,38(4), 543.

51. Barkan A, Merlino RL, Dangelo N, Laboratory observation of the dust-acoustic wave mode // PHYSICS OF PLASMAS, 1995,2(10), 3563-3565.

52. Молотков В.И., Нефедов А.П., Торчинский В.М., Фортов В.Е., Храпак А.Г., Пылезвуковые волны в плазме тлеющего разряда постоянного тока // Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, 1999, 116(3), 902.

53. Fortov VE, Khrapak AG, Khrapak SA, Molotkov VI, NefedovAP, Petrov OF, Torchinsky VM, Mechanism of dust-acoustic instability in a direct current glow discharge plasma // PHYSICS OF PLASMAS, 2000, 7(5), 1374-1380.

54. PieperJB, GoreeJ, Dispersion of plasma dust acoustic waves in the strong-coupling regime//PHYSICAL REVIEW LETTERS, 1996, 77(15), 3137-3140.

55. Ohta H, Hamaguchi S, Molecular dynamics evaluation of self-diffusion in Yukawa systems // PHYSICS OF PLASMAS, 2000, 7(11), 4506-4514.

56. Hamaguchi S, Farouki RT, Dubin DHE, Triple point of Yukawa systems // PHYSICAL REVIEW E, 1997, 56(4), 4671-4682.