Пылевая плазма в стратах тлеющего разряда постоянного тока тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Введение.

1. Обзор литературы.

2. Особенности плазменно-пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока.

2.1. Экспериментальная установка.

2.2. Страты.

2.3. Плазменно-пылевые структуры в тлеющем разряде постоянного тока.

2.3.1.Структуры из частиц сферической формы.

2.3.2. Пылеакустическая неустойчивость.

2.3.3. Плазменный жидкий кристалл.

2.3.4. Характерные особенности плазменно-пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока.

3. Измерение заряда пылевых частиц.

3.1. Проблема измерения заряда пылевых частиц, левитирующих в стратах тлеющего разряда постоянного тока.

3.2. Методика измерений.

3.3. Результаты измерений.

3.4. Измерения заряда пылевых частиц в плазме в условиях микрогравитации.

3.5. Обсуждение.

3.6. Преимущества и недостатки метода.

4. Диагностика ловушки для пылевых частиц с применением термофоретических сил.

4.1. Предпосылки к экспериментам по термофоретическому воздействию на плазменно-пылевые структуры.

4.2. Схема эксперимента.

4.3. Восстановление профиля температуры в сечении трубки.

4.4. Проведение эксперимента и результаты.

5. Газодинамическое возбуждение пылевых волн.

5.1. Пылеакустические волны в пылевой плазме.

5.2. Схема эксперимента.

5.3. Результаты экспериментов.

5.3.1. Эксперименты «без сетки».

5.3.2. Эксперименты «с сеткой».

5.3.3. Краткое изложение экспериментальных результатов.

5.4. Обсуждение результатов.

5.4.1. Общие замечания.

5.4.2. О зависимости заряда пылевых частицы от их концентрации.

5.4.3.Устойчивость верхней границы плазменно-пылевой структуры.

5.4.4. Распространение уплотнений.

5.4.5. О различии экспериментов «с сеткой» и «без сетки».

5.5. Дополнительные экспериментальные факты.

Актуальность работы

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

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

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

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

Ji = nivi f A> 1

T. i У

2)

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

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

Fe = EZde.

5)

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

Fg = т^,

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

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

Л1Сг

1 1 г + ^г

Ч-1/2

4 ке' т т.

-1/2

8)

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

Г = у (9)

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

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

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

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

Цель диссертацинной работы.

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

Научная новизна работы.

Новизна работы состоит в следующем:

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

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

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

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

Научная и практическая ценность.

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

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

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

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

Апробация работы.

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержание работы изложено на 126 страницах, включая 43 рисунка и 3 таблицы. Список литературы состоит из 69 наименований.

Заключение.

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

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

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

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

1. Н. 1.ezi 11 Phys. Fluids 1986, V. 29, p. 1764

2. B.E. Фортов, И.Т. Якубов, Неидеальная плазма, Энергоатомиздат, М. 1994

3. Н.М. Mott-Smith, I. Langmuir// Phys. Rev. 1926, V. 27, p. 727

4. H. Thomas, G. E. Morfill, V. Demmel et. al// Phys. Rew. Lett. 1994, V. 73, P. 652

5. B.E. Фортов, А.П. Нефедов, О.Ф. Петров, А.А. Самарян, А.В. Чернышев, A.M. Липаев// Письма в ЖЭТФ 1994, Т.63, С. 176

6. Y. Hayashi, К. Tachibana// Jpn. J. Appl. Phys. 1994, V. 33, P. 804

7. J. H. Chu, Lin I// Phys. Rew. Lett. 1994, V. 72, P. 4009

8. В. E. Фортов, А. П. Нефедов, В. M. Торчинский, В.И. Молотков, А.Г. Храпак, О.Ф. Петров, К.Ф. Волыхин// Письма в ЖЭТФ 1996, Т. 64, С. 86

9. Ю.В. Герасимов, А.П. Нефедов, В.А. Синелыциков, В.Е. Фортов// Письма в ЖТФ 1998, Т. 24, С. 62

10. N. Sato, G. Uchida, R. Ozaki et. al, Plasma Research Report, Tohoku University, May 15, 1999

11. В.Е. Фортов, В.И. Владимиров, J1.B. Депутатова, В.И. Молотков, А.П. Нефедов, В.А. Рыков, В.М. Торчинский, А.В. Худяков// Доклады Академии Наук 1999, Т. 366, С. 1

12. В.Е. Фортов, А.П. Нефедов, О.С. Ваулина и др.// ЖЭТФ 1998, Т. 114, С. 2004

13. G.E. Morfill, Н.М. Thomas, U. Konopka et. al.// Phys. Rev. Lett 1999, V. 83, P. 1598

14. А.П. Нефедов, О.С. Ваулина, О.Ф. Петров и др.// ЖЭТФ 2002, Т. 122, С. 778

15. В.Н. Цытович// УФН 1997, V. 167, Р. 57

16. Dusty Plasmas. Physics, Chemistry and Technological Impacts in Plasma Processing. Ed. by A. Bouchoule, J. Wiley and Sons, England, 1999

17. P.K. Shukla, A.A. Mamun, Introduction to Dusty Plasma Physics, IoP Publishing, London, 2002

18. Th. Trottenberg, A. Melzer, A. Piel// Plasma Sources Sci. Technol. 1995, V. 4, P. 450

19. H. Thomas, G. Morfill//Nature (London) 1996, V. 379, P.806

20. U. Konopka, L. Ratke, H.M. Thomas// Phys. Rev. Lett. 1997, V. 79, P. 1269

21. A.V. Ivlev, R. Sutterlin, V. Steinberg, M. Zuzic, G. Morfill// Phys. Rev. Lett. 2000, V. 85, P. 4060

22. A. Homann, A. Melzer, A. Piel// Phys. Rev. E 1999, V. 59, P. R3835

23. A. Homann, A. Melzer, S. Peters, A.Piel// Phys. Rev. E 1997, V. 56, P. 7138

24. A. Homann, A. Melzer, S. Peters, R. Madani, A. Piel// Phys. Lett. A 1998, V. 242, P. 173

25. S. Nunomura, D. Samsonov, J. Goree// Phys. Rev. Lett. 2000, V. 84, P. 5141

26. A. Piel, V. Nosenko, J. Goree// Phys. Rev. Lett. 2002, V. 89, 085004

27. A. Melzer, S. Nunomura, D. Samsonov, Z.W. Ma, J. Goree// Phys. Rev. E 2000, V. 62, P. 4162

28. V. Nosenko, J. Goree, Z.W. Ma, A. Piel// Phys. Rev. Lett. 2002, V. 88, 135001

29. D. Samsonov, A.V. Ivlev, R.A. Quinn, G. Morfill// Phys. Rev. Lett. 2001, V. 88,095004

30. V. Nosenko, J. Goree// Phys.Rev. Lett. 2002, V. 88, 215002

31. U. Konopka, D. Samsonov, A.V. Ivlev, J. Goree, V. Steinberg, G.E. Morfill// Phys. Rev. E 2000, V. 61, P. 1890

32. G. Uchida, R. Ozaki, S. Iizuka, N. Sato// Proceedings of the 15th Symposium on Plasma Processing, Hamamatsu, Japan, 1998, P.152

33. Ed. Thomas, Jr.// Phys. Plasmas 2002, V. 9, P. 17

34. L. Talbot, R.K. Cheng, R.W. Schefer, D.R. Willis// J. Fluid. Mech. 1980, V. 101, P. 737

35. B.B. Балабанов, JI.M. Василяк, С.П. Ветчинин, А.П. Нефедов, Д.Н. Поляков, В.Е. Фортов// ЖЭТФ 2001, Т. 119, С. 99

36. G.M. Jellum, J.E. Daugherty, D.B. Graves// J. Appl. Phys. 1991, V. 69, P. 6923

37. H. Rothermel, T. Hagl, G.E. Morfill, M.H. Thoma, H.M. Thomas// Phys. Rev. Lett. 2002, V. 89, 175001

38. V.E. Fortov et. al.// Phys. Lett. A 1997, V. 229, P. 317

39. A. M. Липаев, В. M. Молотков, А. П. Нефедов и др.// ЖЭТФ 1997, V. 112, Р. 2030

40. Ю.Б. Голубовский, С.У. Нисимов, И.Э. Сулейменов// ЖТФ 1994, Т. 64, С. 54

41. Ю.Б. Голубовский, С.У. Нисимов// ЖТФ 1995, Т. 65, С. 46

42. Ю.П. Райзер, Физика газового разряда, Наука, Москва, 1987

43. D. Samsonov, J. Goree// Phys. Rev. E 1999, V. 59, P. 1047

44. V.E. Fortov, V.I. Molotkov, V.M. Torchinsky// in Frontiers in Dusty Plasmas, ed. By Y. Nakamura, T. Yokota, P.K. Shukla, Elsevier, 2000, P. 445

45. В.И. Молотков, А.П. Нефедов, В.М. Торчинский, В.Е. Фортов, А.Г. Храпак// ЖЭТФ 1999, Т. 116, С. 902

46. V.E. Fortov, A.G. Khrapak, S.A. Khrapak, V.I. Molotkov, A.P. Nefedov, O.F. Petrov, V.M. Torchinsky// Phys. Plasmas 2000, V. 7, P. 1374

47. A.B. Зобнин, А.Д. Усачев, О.Ф. Петров, В.Е. Фортов// ЖЭТФ 2002, Т. 122, С. 500

48. P. S. Epstein// Phys. Rev. 1924, V. 23, P. 710

49. В.И. Молотков, А.П. Нефедов, М.Ю. Пустыльник, В.М. Торчинский, В.Е. Фортов, А.Г. Храпак, К. Ёшино// Письма в ЖЭТФ 2000, Т. 71, С. 152

50. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц, Электродинамика сплошных сред, Гос. издат. физ.-мат. лит., М. 1959

51. В.М. Annaratone, A.G. Khrapak, A.V. Ivlev et.al.ll Phys. Rev. E 2000, V. 63, P.

52. П. де Жен, Физика жидких кристаллов, "Мир", М. 1977

53. V.E. Fortov, A.G. Khrapak, V.I. Molotkov, A.P. Nefedov, M.Y. Poustylmik, V.M. Torchinsky, K. Yoshino// in Proc. of the XXV ICPIG, Nagoya, Japan, 15-22 July 2001, V. 3, P. 35

54. V.E. Fortov, A.P. Nefedov, V.I. Molotkov, M.Y. Poustylnik, V.M. Torchinsky// Phys. Rev. Lett. 2001, V. 87, 205002

55. V.E. Fortov, A.P. Nefedov, V.I. Molotkov, M.Y. Poustylnik, V.M. Torchinsky// Phys. Rev. Lett. 2002, V. 89, 229502

56. M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, Principles of Plasma Discharges and Materials Processing, John Wiley and Sons, USA, 1994

57. П.С. Ланда, H.A. Мискинова, Ю.В. Пономарев// УФН 1980, T.132, С. 601

58. N.A. Fuchs, Mechanics of Aerosols, Dover, New York, 1964

59. J.E. Daugherty, R.K. Porteous, M.D. Kilgore, D.B. Graves// J. Appl. Phys. 1992, V. 72, P. 3934

60. J.E. Daugherty, R.K. Porteous, D.B. Graves// J. Appl. Phys. 1993, V. 73, P. 1617

61. И. Мак-Даниель, Процессы столкновений в ионизованных газах, Мир, Москва, 1967

62. А.В. Зобнин, А.П. Нефедов, В.А. Синельщиков, В.Е. Фортов// ЖЭТФ 2000, Т. 118, С. 554

63. М. Lampe et. all I Phys. Rev. Lett. 2001,V. 86, P. 5278

64. V.E. Fortov, V.I. Molotkov, V.P. Efremov, A.P. Nefedov, M.Y. Poustylnik, V.M. Torchinsky// in Dusty Plasmas in the New Millenium, ed. by R. Bharuthram, M.A. Hellberg, P.K. Shukla, F. Verheest, AIP Conf. Proc. 2002, V.649, P. 390

65. А.Н. Тихонов, А.А. Самарский, Уравнения математической физики, Наука, Москва, 1972

66. N.N. Rao, Р.К. Shukla, M.Y. Yu// Planet Space Sci. 1990, V. 38, P. 543

67. H. Yamaguchi, Y.-N. Nejoh// Phys. Plasmas 1999, V. 6, P. 1048

68. R. Bharuthram, P.K. Sukla// Planet Space Sci. 1992, V. 40, P. 973

69. A.A. Mamun// Astrophys. Space Sci. 1999, V. 268, P. 443