Структурные и динамические свойства сильнонеидеальной пылевой плазмы при воздействии лазерного излучения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

005057182

На правах рукописи

ТИМИРХАНОВ Ринат Асхатович

СТРУКТУРНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 з ДЕК 2012

Москва-2012

005057182

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Объединенном институте высоких температур Российской академии наук.

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Петров О.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Дьячков Л.Г.;

доктор физико-математических наук, Филиппов А.В.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук

Защита состоится "26" декабря 2012 г. в 11 ч. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.110.02 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Объединенного института высоких температур РАН по адресу: 125412, г. Москва, ул. Ижорская, 13, стр. 2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН.

Автореферат разослан "23" ноября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.110.02 доктор физико-математических наук

© Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, 2012

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена экспериментальному изучению эффектов воздействия лазерного излучения на плазменно-пылевые структуры в высокочастотном емкостном газовом разряде.

Актуальность темы исследований

Плазма, содержащая заряженные твердые или жидкие макроскопические частицы, называется пылевой или комплексной. В зависимости от механизмов зарядки (потоки ионов и электронов, фото-, термо-, вторичная электронная эмиссия) частицы в такой плазме приобретают отрицательный или положительный заряд [1]. Пылевая плазма широко распространена в природе — она встречается на поверхностях планет и их спутниках, в планетарных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвёздных пространствах [2]. Пылевая плазма обнаружена также вблизи искусственных спутников, космических станций [3, 4], в пристеночной области установок управляемого термоядерного синтеза [5, 6], камерах для производства элементов микроэлектроники [7-9] и др.

В экспериментальных исследованиях пылевой плазмы довольно часто используются методы внешних воздействий на пылевую структуру. Изучение внешних воздействий на плазменно-пылевые структуры представляет большой интерес по нескольким причинам. Так, методы воздействия, вносящие незначительные возмущения в плазму, могут быть использованы в качестве методов диагностики. Внешние воздействия могут также использоваться для контроля пространственного положения и упорядоченности плазменно-пылевых структур.

Среди внешних воздействий наиболее активно используется воздействие на частицы лазерного излучения. Параметры лазерного излучения (плотность мощности, длительность воздействия, длина волны) могут варьироваться в широких пределах, а характер самого воздействия не приводит к значительным возмущениям в исследуемой плазменно-пылевой системе, что позволяет использовать лазерное излучение как источник зондирующего излучения в оптических методах диагностики пылевой плазмы [8], а также и для диагностики, связанной с манипуляцией пылевыми структурами, отдельными или несколькими пылевыми частицами.

Таким образом, экспериментальное исследование различных эффектов воздействия лазерного излучения на плазменно-пылевые структуры представляет как фундаментальный так и прикладной интерес, связанный с созданием дисперсных композитных материалов, сепарацией частиц по размерам, а также с разработкой космических электростатических двигателей нового поколения.

Цель диссертационной работы

Основной целью данной работы является изучение эффектов воздействия лазерного излучения на плазменно-пылевые структуры в высокочастотном емкостном газовом разряде.

Основными задачами данной работы являются: экспериментальное изучение течений в плазменно-пылевых структурах, создаваемых при помощи воздействия лазерного излучения; экспериментальное изучение колебательных состояний отдельной пылевой частицы, инициированных воздействием лазерного излучения на плазменно-пылевые структуры; экспериментальное изучение вакансий в плазменно-пылевом кристалле, созданных при импульсном воздействии лазерного излучения на отдельную пылевую частицу; экспериментальное изучение зависимости формы межчастичного потенциала взаимодействия в плазменно-пылевом кластере.

Научная новизна работы:

1. Получены новые экспериментальные данные о коэффициентах сдвиговой вязкости в монослойных плазменно-пылевых кристаллических структурах.

2. Получены новые экспериментальные данные о коэффициентах сдвиговой вязкости для слабоупорядоченных плазменно-пылевых структур.

3. Выполнено возбуждение долгоживущего автоколебательного состояния отдельной макрочастицы в плазменно-пылевой ловушке при помощи воздействия лазерного импульса.

4. Получены новые экспериментальные данные о профилях парного потенциала межчастичного взаимодействия в плазменно-пылевых кластерах с различной упорядоченностью.

Практическая и научная ценность результатов

Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением физических свойств сильнонеидеальных кулоновских систем, в частности сильнонеидеальной плазмы. Исследования транспортных характеристик пылевой подсистемы в неидеальной плазме представляет фундаментальный интерес.

Результаты данной работы могут быть полезны для ряда приложений, связанных с созданием дисперсных композитных материалов, сепарацией частиц по размерам, а также с разработкой космических электростатических двигателей нового поколения.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования вязкопластических свойств кристаллических и слабоупорядоченных плазменно-пылевых структур.

2. Результаты исследования долгоживущих автоколебательных состояний в жидкостных плазменно-пылевых структурах, созданных при воздействии лазерного излучения на отдельную частицу.

3. Метод определения силы взаимодействия, основанный на формировании вакансии в кристаллической плазменно-пылевой структуре.

4. Результаты исследования зависимости формы профиля парного межчастичного потенциала взаимодействия от степени упорядоченности плазменно-пылевого кластера.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях: XLVI-XLVIII, XLIX и 50-54 Научных конференциях «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва, Долгопрудный, 2004-2011); XX-XXV International Conferences on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter and on Equations of State for Matter (Эльбрус, 2005-2011); Научно-координационных сессиях «Исследования неидеальной плазмы» (Москва, 2006-2011); XXXIII Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 2006); XII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» (Звенигород, 2008); 10-й Юбилейной международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2009); 1-3 International Conferences on the Physics Dusty and Combustion Plasmas (Odessa, Ukraine, 2007, 2010); 31-33, 35, 36 European Physical Society Conferences on Plasma Physics (2005-2006, 2008, 2009); 4, 5 International Conferences on the Physics of Dusty Plasma (2005, 2008); International Conference on Strongly Coupled Coulomb Systems (Moscow, 2005); 13 International Congress on Plasma Physics (Kiev, Ukraine, 2006); 8 Workshop on Fine Particle Plasmas Generation, Growth, Behavior, and Control of Fine Particles in Plasmas (Toki, Japan, 2007); Indo-Russian Workshop on High Energy Density Physics for Innovative Technology and Industry Applications (Pune, India, 2008); 13 International Conference on Physics of Non-Ideal Plasmas (Chernogolovka, 2009); VI International conference on Plasma Physics and Plasma (Minsk, Belarus, 2009) и др.

Публикации

Материалы диссертации опубликованы в 26 печатных работах, из них 4 статьи в рецензируемых журналах [А1 - А4] и 22 статьи в сборниках трудов конференций [А5 - А26] (список публикаций приведен в конце автореферата).

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 113 страниц, из них 102 страницы текста, включая 45 рисунков и 2 таблицы. Библиография включает 121 наименование на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность, научная новизна и практическая значимость проблем, решаемых в работе. Сформулированы цели работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава носит обзорный характер. В ней вводятся необходимые для дальнейшего изложения понятия и выражения, приведен краткий обзор экспериментальных методов, использующих внешние лазерное воздействие на пылевую плазму, сделан вывод об актуальности исследований, представленных в диссертации. Глава состоит из пяти частей, включая выводы.

В разделе 1.1. дан обзор работ, посвященных изучению движения пылевых макрочастиц, находящихся под воздействием лазерного излучения. В приведенных работах показано, что величина фотофоретической силы, вызываемой соударениями молекул газа с неоднородно нагретой поверхностью частицы много больше силы светового давления. Приведены выражения, позволяющие оценить величину фотофоретической .силы для различных экспериментальных условий.

В разделе 1.2. рассмотрены основные теоретические и экспериментальные работы посвященные исследованию различного рода течений, создаваемых в пылевых структурах при помощи воздействия лазерного излучения. Описаны работы, в которых данные течения используется, как эффективный инструмент, для измерения коэффициентов сдвиговой вязкости в плазменно-пылевой жидкости.

В разделе 1.3. представлен обзор работ посвященных исследованию вертикальных колебаний в плазменно-пылевых структурах. Одним из основных методов по изучению данных процессов является подача внешнего периодического возмущающего воздействия на структуры и наблюдение за амплитудой и частотой инициированных затухающих колебаний. Отметим, что

в литературе не встречаются работы, в которых бы упоминалось о генерации незатухающих долгоживущих колебательных состояний в пылевой плазме.

В разделе 1.4. рассмотрены теоретические и экспериментальные работы посвященные исследованием потенциала межчастичного взаимодействия в пылевой плазме. В этих работах значительное внимание уделено наблюдениям за откликом плазменно-пылевой системы на внешнее возмущающее воздействие.

Раздел 1.5. содержит заключение об эффективности исследований пылевой плазмы при внешних воздействиях, в частности при воздействии лазерным излучением.

Вторая глава посвящена экспериментальному изучению воздействия лазерного излучения на кристаллические и слабоупорядоченные плазменно-пылевые структуры, левитирующие в приэлектродном слое высокочастотного емкостного газового разряда. Воздействие лазерного излучения инициировало различного рода стационарные течения в плазменно-пылевых структурах, что в свою очередь позволило исследовать их вязкостные свойства и получить значения коэффициентов сдвиговой вязкости для широкого диапазона параметра неидеальности.

В разделе 2.1. описывается экспериментальная установка, созданная для изучения вязкостных свойств плазменно-пылевых структур в высокочастотном разряде емкостного типа, а также сформулированы возможности этой установки.

В разделе 2.2. представлены результаты экспериментального изучения сдвиговых течений в плазменно-пылевых кристаллах, созданных при помощи воздействия лазерного излучения.

В разделе 2.2.1. представлено описание экспериментальной установки и техники эксперимента (рис. 1). В ходе эксперимента в приэлектродном слое высокочастотного разряда создавался монослойный плазменно-пылевой кристалл из отрицательно заряженных монодисперсных пластиковых частиц. В плазменно-пылевом кристалле инициировалось стационарное течение при помощи воздействия излучения аргонового лазера Всего было выполнено две серии экспериментов. В первой серии использовались частицы диаметром 12,74 мкм, во второй серии - 7,84 мкм. Видеосъёмка пылевых частиц осуществлялась монохромной ССО-камерой, на ПЗС матрицу которой попадал свет лазера подсветки, рассеянный макрочастицами пылевого облака.

Раздел 2.2.2. посвящен технике обработки экспериментальных данных, которая была использована также и в остальных главах. Приведено описание алгоритма фильтрации изображений от различного рода помех, процесса корректного нахождения координат частиц и их траекторий, способа восстановления кинетической температуры частиц и их концентрации,

7

процесса восстановления парных корреляционных функций и эффективного параметра неидеальности Г* [10], связанного с обычным параметром неидеальности Г при помощи следующего выражения: Г*= Г ехр(-/с) (1+К+ЛГ/2), где к — структурный параметр, который равен отношению среднего межчастичного расстояния к радиусу экранирования.

В разделе 2.2.3. представлены результаты, полученные в ходе обработки и анализа экспериментальных данных. Анализ данных показал, что во всех сериях экспериментов в системе присутствовал как ближний порядок так и дальний порядок, а значение параметра неидеальности во всех случаях было больше критического значения Гт* £ 70 [11,12], при котором происходит переход двумерной пылевой структуры из жидкой фазы в кристаллическую. Рассмотрение траекторий пылевых частиц позволило сделать вывод о том, что в плазменно-пылевом кристалле было реализовано равномерное течение струи, а также о том, что профиль скорости потока хорошо аппроксимируется трапецией. Нижнее основание этой трапеции соответствует диаметру движущейся струи, а верхнее приблизительно совпадает с эффективной шириной лазерного луча. Рассмотрение движение отдельной частицы в области действия лазерного излучения, т.е. в средней части струи, позволило оценить эффективное давление, действующее на частицу, находящуюся под воздействием лазерного излучения. Это позволило оценить величину импульса, вкладываемого в поток лазерным излучением. Потеря импульса частицами, находящимися в центральной части потока радиусом происходила двумя путями. Во-первых, из-за взаимодействия частиц с газом и внутреннего трения газовой компоненты и, во-вторых, из-за сдвиговой вязкости т], обусловленной экранированным кулоновским взаимодействием в пылевой подсистеме. Таким образом, записав условие стационарности потока на границе цилиндра радиуса получили коэффициенты сдвиговой вязкости г) для плазменно-пылевых

Рис. 1. Схема экспериментального стенда

кристаллических структур для разных значений параметра неидеальности Г.

В раздел 2.3. представлены результаты экспериментального изучения сдвиговых течений в слабоупорядоченных плазменно-пылевых структурах, созданных при помощи воздействия лазерного излучения.

В разделе 2.3.1. представлено описание эксперимента. На рис. 1 изображена схема эксперимента. В ходе эксперимента в приэлектродном слое высокочастотного разряда создавалось облако из пластиковых монодисперсных частиц диаметром 7,84 мкм. В отличие от плазменно-пылевого кристалла, в полученном облаке отсутствовало разделение частиц на отдельные двухмерные слои. Воздействие лазерного излучения формировало в плазменно-пылевой структуре стационарное течение.

Обработка и анализ экспериментальных данных приведены в разделе 2.3.2. Анализ данных показал, что во всех экспериментах в системе отсутствовал как ближний порядок, так и дальний порядок. Значение эффективного параметра неидеальности находилось в пределах 1<Г*<10. Рассмотрение траекторий пылевых частиц позволило сделать вывод о характере течения плазменно-пылевой структуры и построить распределения скоростей У(г) пылевых частиц вдоль диаметра пучка лазера. Определение коэффициента сдвиговой вязкости г/ плазменно-пылевой структуры осуществлялось путем сравнения экспериментального профиля скорости с профилем скорости вязкого течения в цилиндрически симметричной трубе, описываемого уравнением Навье-Стокса [13] в цилиндрической симметрии:

1 д , дУл ГУ ч г ог дг

где Р(г) - объемная сила, вызывающая течение, связанная линейной зависимостью с мощностью луча лазера. Таким образом были получены коэффициенты сдвиговой вязкости г] для слабоупорядоченных плазменно-пылевых структур.

В разделе 2.4. приведен сравнительный анализ результатов, полученных в разделах 2.2. и 2.3., с данными, полученными в предыдущих численных и экспериментальных работах. На рис. 2. приведены значения нормализованной кинематической вязкости v = 1У(со 1р ), где у - кинематическая вязкость, полученная из эксперимента, со = е2[(1+к+к/2)ехр(-к)п/(тап^]>а - это эффективная пылевая плазменная частота, 1Р - среднее межчастичное расстояние. Анализ показал, что результаты численного расчета [12] сильнонеидеальной системы с экранированным кулоновским потенциалам взаимодействия, в котором учитывалось влияние диссипации энергии пылевых частиц на нейтральных атомах плазмообразующего газ, хорошо согласуются с экспериментальными результатами.

В разделе 2.5. сформулированы выводы ко второй главе.

50оРис.2. Зависимость коэффициента

сдвиговой вязкости от эффективного параметра неидеальности: • - а = 0,95 мкм (Р = 35 Ра, №= 15-22 Щ [14], О - а 1 = 0,95 мкм (Р = 25 Ра, \У= 6-13 [14];

10А - а = 3,92 мкм (/> = 9 Ра, IV = 8-13

Д - а = 3,92 мкм (Р = 5 Ра, ¡^=3,8-6 сплошная линия - усредненные результаты численного моделирования неидеальных систем с нулевой ] диссипацией [15-17]; прерывистые

1 ,0 100 линии: 1 и 2 - результаты численного

моделирования неидеапьной системы с ненулевой диссипацией [12]

Третья глава посвящена экспериментальному изучению структурных и динамических свойств пылевой плазмы при локальном воздействии лазерного излучения на отдельные частицы плазменно-пылевой структуры. При помощи воздействия лазерного излучения в плазменно-пылевой структуре генерировались колебания одиночных частиц, а также создавались вакансии в плазменно-пылевом кристалле.

В разделе 3.1. описывается экспериментальный стенд. Рассмотрены модификации, которые были внесены в экспериментальную установку, описанную во второй главе, для того чтобы перейти от мезоскопического воздействия на плазменно-пылевые структуры к локальному воздействию.

Раздел 3.2. посвящен экспериментальному изучению долгоживущих колебательных состояний в плазменно-пылевой структуре, инициированных воздействием лазерного излучения.

В разделе 3.2.1. представлено описание эксперимента по генерации в плазменно-пылевой структуре колебаний. На рис. 3 изображена схема эксперимента. В ходе эксперимента в приэлектродном слое формировалась монослойная плазменно-пылевая структура жидкостного типа, состоящая из графитовых макрочастиц радиусом 28 - 30 мкм. Воздействие импульса лазера на отдельную пылевую частицу вызывало ее отклонение от равновесного положения и инициировало незатухающие колебания в вертикальном направлении. Следует обратить внимание на то, что лазерное излучение вызывало только начальное отклонение, в дальнейшем же движение макрочастицы осуществлялось свободно без какого-либо воздействия со стороны луча лазера.

Вакуумная камера -

Верхний электрод

ВЧ-генератор

Кольцо-ловушка

Нижний\ электрод

\М

'Цифровая камера

$ Аг-лазера

Аг-лазера

Рис. 3. Схема экспериментальной установки

В разделе 3.2.2. представлены результаты, полученные в ходе обработки и анализа экспериментальных данных. В процессе обработки видеоизображений было установлено, что амплитуда вертикальных колебаний ¿ макрочастиц невозмущенной плазменно-пылевой структуры меньше 0,1 мм, в то время как амплитуда инициированных лазерным воздействием вертикальных колебаний отдельной макрочастицы ¿, приблизительно равна 0,8 мм, что существенно превышает £. Для различных моментов времени были восстановлены координаты макрочастицы, на которую осуществлялось лазерное воздействие. На базе этих данных были построены временные зависимости отклонения макрочастицы от положения равновесия. Анализ зависимостей показал, что характерная частота колебаний составляет 25 Гц. При этом амплитуда колебаний остается неизменной в течение длительного времени I > 20 с, а затем в некоторый момент времени начинает резко уменьшаться, причем характерное время затухания колебаний составляет // = 0,5 с. Таким образом, было установлено, что пылевая частица совершает автоколебания, инициированные лазерным импульсом.

В автоколебательном режиме компенсация диссипированной в процессе движения частицы энергии должна осуществляться за счет поступления энергии из внешнего источника, при этом поле сил, действующее на макрочастицу, оказывается непотенциальным [18]. В работах, посвященных изучению самовозбуждающихся колебаний в низкотемпературной плазме, было отмечено, что причиной подобной непотенциальности может служить запаздывание реального заряда макрочастицы по отношению к равновесному заряду, то есть заряду, приобретаемому пылинкой при выравнивании потоков электронов и ионов на ее поверхность при бесконечно медленном движении частицы [19]. Равновесный заряд макрочастицы самосогласованно связан с параметрами окружающей ее плазмы и если плазма неоднородна, то величина

заряда становится функцией координат. При движении макрочастицы через неоднородную плазму изменяется значение ее заряда. Однако выравнивание потоков заряженных частиц на поверхность пылинки происходит не мгновенно, а с некоторой временной задержкой, поэтому реальный заряд макрочастицы будет отличаться от равновесного и тем сильнее, чем больше скорость макрочастицы и чем сильнее неоднородность плазмы. Этот механизм может приводить к тому, что положительная работа электрического поля при движении макрочастицы становиться по модулю больше отрицательной, то есть в системе реализуются условия для увеличения энергии колебательного движения макрочастицы. Для проверки гипотезы о возможности поддержания автоколебательного движения за счет указанного канала подкачки энергии была рассмотрена модель колебаний одиночной частицы в приэлектродном слое. В соответствии с этой моделью было записано уравнение движения пылевой частицы:

\ек )0 V & )а V &.

где т - масса пылевой частицы, g - ускорение свободного падения, р -коэффициент трения макрочастицы о буферный газ, г- смещение частицы относительно положения равновесия, Q0 и Е0 - заряд частицы и электрическое поле в положение равновесия, т - среднее время запаздывания заряда на частице за период колебания.

Пренебрегая членами второго порядка малости по г, уравнение движения можно записать в виде: г + 2 • 5 • Ь + а>\ - г = 0, где

<Ъ)ъ и , (<Н£-Е)\ 1

2-5 =--=

ск )„ пг

тогда условие нарастания и поддержания амплитуды колебаний, т.е. условие реализации автоколебательного режима, будет иметь вид:

так как E0Q0=mg = 2,5ЛО'9 Н. Подставляя характерные для условий эксперимента значения и (</0о/<&)„, получаем ограничение на время

перезарядки г>2-10"3с. Однако в условиях эксперимента характерное время зарядки и, соответственно, перезарядки уединенной пылевой частицы составляет приблизительно 10 ~ьс [20]. Таким образом, возникновение автоколебаний, наблюдаемых в эксперименте, не может быть объяснено в рамках предложенной модели зарядки.

В качестве гипотезы, объясняющей возникновение автоколебаний, может быть рассмотрено предположение, учитывающее взаимодействие колеблющейся частицы с остальными пылевыми частицами структуры. Важная роль обмена энергией между вертикальным и горизонтальным движением пылевых частиц уже отмечалась ранее в работах посвященных изучению аномальному разогреву пылевых частиц в плазме [21]. Также в пользу предложенной гипотезы говорит тот факт, что частота вертикальных автоколебаний, наблюдаемых в эксперименте, составляет 25 Гц, что практически совпадает с характерным значением частоты колебаний пылевых частиц в слое у, = 19 Гц, полученной методом резонанса в работе [22].

Раздел 3.3. посвящен экспериментальному изучению локального воздействия лазерного излучения на плазменно-пылевой кристалл и создания при этом в его структуре одиночной вакансии.

В раздел 3.3.1. представлено описание эксперимента по генерации в плазменно-пылевом кристалле одиночных вакансий. Схема установки представлена на рис. 3. В ходе эксперимента в приэлектродном слое создавался монослойный плазменно-пылевой кристалл, состоящий из монодисперсных пластиковых частиц диаметром 12,74 мкм. Воздействие импульса лазера на отдельную пылевую частицу сообщала ей импульс достаточных для покидания плоскости плазменно-пылевого кристалла, что вызывало образование вакансии, рис. 4, а. Всего было выполнено две серии экспериментов.

Обработка и анализ экспериментальных данных приведены в разделе 3.3.2. Анализ видеоизображений показал, что вакансия начинала замещаться соседними частицами сразу же после своего образования. Пылевые частицы, находящиеся на расстоянии 1-2 межчастичных расстояний от центра вакансии, в момент ее возникновения /0 начинали двигаться к центру вакансии под воздействием нескомпенсированной силы Данная сила в момент 10 в точности соответствует силе межчастичного взаимодействия в плазменно-пылевом кристалле, т.е. силе, с которой каждая частица кристалла оказывает воздействие на окружающие ее соседние частицы. Для того чтобы получить значение были построены траектории (рис. 4, б) «пронумерованных» частиц (рис. 4, а). В итоге были получены значение силы для первой серии -Г1п1 = (1,0+0,3)-10"8 дин, для второй серии- =(1,5±0,3)-10"8 дин

В разделе 3.4. сформулированы выводы к третьей главе.

Четвертая глава посвящена экспериментальному изучению эффекта влияния воздействия лазерного излучения на упорядоченность плазменно-пылевого кластера. С помощью воздействия лазерного излучения менялась упорядоченность плазменно-пылевого кластера, находящего при одних и тех же условиях окружающего его плазмы. Изучалась зависимость потенциала межчастичного взаимодействия пылевых частиц от упорядоченности кластера.

13

0,15 г(1) , СМ —"•— частица №3

—частица №4

0,13 * частица №5

0,11 • частица №6

—частица №1

0,09 V... —'•— частица №2

А я <3 ¡8 8 а и в Е * в №

0,07 Д Д Д . . 1, С

'

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

а) б)

Рис. 4. а - плазменно-пылевой кристалл в момент возникновения вакансии, цифрами отмечены «пронумерованные» частицы, б - траектории «пронумерованных» частиц, -удаление частицы от центра вакансии.

В разделе 4.1. представлено описание метода, используемого для восстановления потенциала межчастичного взаимодействия. Основная идея метода заключается в решении обратной задачи, описывающей движение взаимодействующих частиц системой уравнений Ланжевена. Метод основан на анализе информации о координатах и смещениях частиц, которая легко фиксируется как в численных, так и в реальных экспериментах, и может применяться как для слабо коррелированных, так и для сильно неидеальны систем, которые состоят из двух или более взаимодействующих частиц. Подробное описание метода представлено в работах [23,24].

В разделе 4.2. приведено описание эксперимента, в ходе которого изучались двумерные плазменно-пылевые кластера содержащие 27 монодисперсных частиц (плотность р ~ 1,5 г/см , радиус Я = 3,92 мкм), в слабоионизованной аргоновой плазме емкостного ВЧ разряда при давлении Р = 0,04 - 0,15 торр и мощности разряда IV ~ 2-6 Вт. Схема эксперимента представлена на рис. 1. Для формирования радиальной ловушки, удерживающей пылевой кластер, на нижний электрод помещалось металлического кольцо диаметром 3 см. Для визуализации частицы подсвечивались в горизонтальной плоскости лазерным ножом с толщиной перетяжки ~ 300 мкм. Для этого использовался Не-Ые лазер с мощностью ~ 100 мВт. Положение частиц в горизонтальной плоскости фиксировалось на скоростную цифровую видеокамеру с временным разрешением ~ 300 - 400 с"1. Движение частиц в вертикальной плоскости фиксировалось на отдельную цифровую видеокамеру. В качестве источника возмущения пылевой подсистемы использовался луч аргонового лазера с интегральной мощностью 4 Вт. При воздействии лазера упорядоченная структура пылевого кластера разрушалась, т.е. происходило плавление. После прекращения воздействия

лазером, пылевое облако возвращалось в равновесное состояние. Длительность отдельного эксперимента (включая возмущение, релаксацию и наблюдение равновесного состояния) составляла примерно 5 секунд.

Обработка и анализ экспериментальных данных приведены в разделе 4.3. На рис. 5 представлены реконструированные изображения положений пылевых макрочастиц в зависимости от времени после выключение внешнего возмущения (аргонового лазера) для мощности газового разряда 4 Вт и разных давлений плазмообразующего газа.

Рис. 5. Положение пылевых макрочастиц в разные моменты времени после возмущающего воздействия лазерного излучения. Верхний ряд - давление в системе 0,135 Topp, мощность разряда - 4 Вт. Нижний ряд - давление 0,04 Topp, мощность разряда - 4 Вт. Момент времени I =0 соответствует отключению возмущающего воздействия лазера.

Предполагалось, что характерное время релаксации 1Г, за которое система возвращается в равновесное состояние, соответствует уменьшению кинетической энергии пылевых макрочастиц в е2 раз после отключения возмущения. Экспериментальные парные корреляционные функции g(Г) для возмущенного пылевого кластера (^ < Iг) и для стационарной структуры (/» представлены на рис. 6, а. Рис. 6, б иллюстрирует уменьшение кинетической энергии в течении релаксации к равновесному состоянию. Было обнаружено, что затухание пропорционально сс ехр(-%г I), где Отметим, что подобное

асимптотическое поведение кинетической энергии ранее уже встречалось при экспериментальном исследовании возмущения пылевого кристалла при помощи приложении короткого электрического импульса к зонду, расположенному вблизи пылевых макрочастиц [25].

Сила межчастичного взаимодействия Р(Г) была измерена при помощи уже описанного выше метода (см. раздел 4.1.). Восстановление силы было выполнены для различных временных интервалов процесса релаксации. Результаты представлены на рис. 7, а. Аппроксимация восстановленной силы межчастичного взаимодействия при помощи кулоновской асимптотики _Д/)ос/~2

и дебаевской Д/)°сГ2ехр(-/Д.)(1+//Г) представлены на рис. 7, б. Профиль силы межчастичного взаимодействия (и соответственно профиль парного

потенциала) восстановленный для равновесного случая и для возмущенного случая имеет разную пространственную асимптотику. Так как параметры плазменно-пылевой ловушки, восстановленные для возмущенного и равновесного пылевого кластера, не претерпели значимых изменений, было сделано предположение, что изменение асимптотики парного потенциала взаимодействия не связано с изменением параметров окружающей пылевой

а) б)

Рис. 6. а - парная корреляционная функция 1 - усредненная для слабокоррелированного случая < < ?г ; 2 — усредненная для равновесной структуры / » tr\ б - нормализованный профиль кинетической энергии пылевых частиц К' = ЩУх2+У/}/{2Т], толстые линии -аппроксимация измеренного профиля К' функцией видаД0= А.1+А2ехр(-х,'), где А, = 1 значение К" для равновесной структуры. Все графики приведены для случая Ж = 4 Ш и Р =0,135 торр.

Полученный результат может быть объяснен качественной разницей в статистическом состоянии между возмущенным пылевым кластером и равновесным. Эта разница отражается в отличиях парных корреляционных функциях (рис. 6, а). Кроме этого ранее дебаевская асимптотика потенциала взаимодействия уже наблюдалась в экспериментальных исследованиях слабокоррелированных пылевых кластеров [26-29]. Кулоновская асимптотика также ранее наблюдалась при изучении равновесных состояний сильнокоррелированных плазменно-пылевых структур [23-24].

Другим объяснением полученного результата может стать ограничение накладываемое двумерной диагностикой трехмерных систем. Так, если бы в экспериментах присутствовало неучтенное движение пылевых макрочастиц в направлении перпендикулярном плоскости плазменно-пылевой структуры, то

результат измерения межчастичного расстояния мог бы быть меньше реального. Тогда значение восстановленной силы межчастичного взаимодействия на основе этих «недооцененных» межчастичных расстояний, могло бы оказаться меньше чем ее реальное значение и профиль силы мог измениться, став похожим на дебаевский. Однако, в проведенных экспериментах было осуществлено наблюдения за вертикальными смещений при помощи дополнительной видеокамеры. И эти наблюдения показали, что вертикальное смещение пылевых макрочастиц 5г во время лазерного воздействия не превышали 9% от среднего межчастичного расстояния /рт. В этом случае ошибка в определении межчастичных расстояний, связанная с вертикальных смещением, может быть оценена как 5///рт = 0.5(5^//ргп)2 « 0.005. Такая ошибка не могла привести к значимым изменением в полученных результатах, так как ее величина сравнима с пространственным разрешением скоростной видеокамеры, использованной для регистрации положения пылевых макрочастиц и их смещения в горизонтальной плоскости.

В разделе 4.4. сформулированы выводы к четвертой главе.

а) б)

Рис. 7. а - результаты восстановления силы межчастичного взаимодействия: IV = 4 Вт и Р = 0.135 торр для разных временных интервалов: 1 -/» /г; 2 - от 0,5(г до 1Г\ 3 - от 0 до 6 - восстановленный профиль Р(1)/М(символы) для разных временных интервалов: 1 - /» Iг, Р = 0,04 торр; 2 -¡»¡Г,Р = 0,135 торр; 3-0 >1> 0.5/,, Р = 0,045 торр; 4-0 > О 0,5гг, 0.115 торр. Сплошные линии соответствуют: 1&2 - кулоновской функции; 3 - дебаевской функции с параметром X = 0,125 см; 4 - дебаевской с параметром X = 0,145 см.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. При воздействии лазерного излучения на плазменно-пылевые структуры получены значения коэффициентов сдвиговой вязкости для кристаллической плазменно-пылевой структуры и для жидкостной плазменно-пылевой структуры. Выполнено сравнение экспериментальных данных с результатами численного моделирования.

2. При воздействии лазерного излучения на отдельные частицы плазменно-пылевых структур были получены вертикальные автоколебания одиночной частицы в жидкостной плазменно-пылевой структуре и созданы вакансии в монослойном плазменно-пылевом кристалле. Из динамики движения частиц при замещении вакансии получено значение силы межчастичного взаимодействия в кристаллической плазменно-пылевой структуре при различных степенях неидеальности.

3. Изучено влияние воздействия лазерного излучения на фазовое состояние плазменно-пылевых кластеров. Получены профили межчастичного потенциала для различных фазовых состояний пылевого кластера. Показано, что при переходе кластера из слабокоррелированного состояния в равновесное состояние потенциал межчастичного взаимодействия меняет асимптотику с дебаевской на кулоновскую.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Фортов В. Е„ Храпак А. Г., Храпак С. А. и др. // УФН. 2004. Т. 174, № 5. С.495-544.

2. Goertz С. К. II Rev. Geophys. 1989. Vol. 27, no. 2. Pp. 271-292.

3. Robinson J., P. A., Coakley P. Spacecraft charging-progress in the study of dielectrics and plasmas // Electrical Insulation, IEEE Transactions on. 1992. Vol. 27, no. 5. Pp. 944-960.

4. Verheest F. II Plasma Phys. Control. Fusion. 1999. Vol. 41, no. ЗА. P. A445.

5. Winter J. И Plasma Phys. Control. Fusion. 1998. Vol. 40, no. 6. P. 1201.

6. Цытович В. H., Винтер Д. II УФН. 1998. Т. 168, № 8. С. 899-907.

7. Complex and Dusty Plasmas: From Laboratory to Space, Ed. by V. E. Fortov, G. E. Morfill. USA: CRC Press, 2010. P. 440. ISBN: 978-1420083118.

8. Ваулина О. С., Фортов В. Е., Петров О. Ф. и др. Пылевая плазма: эксперимент и теория. М.: Физматлит, 2009. С. 316. ISBN: 9785-94052179-2.

9. Kroesen G. М. W„ Stoffels E„ Stoffels W. W. et al. И Ed. by H. SchPuter, A. Shivarova.NATO Science Series. Dordrecht, Boston, London: Kluwer

Academic Publishers, 1999. P. 175. ISBN: 0-7923-5642-X.

10. Vaulina O. S., KhrapakS. A. // JETP. 2000. Vol. 117, no. 2. Pp. 326-328.

11. Liu В., Goree J. U Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. P. 185002.

12. Vaulina O. S„ Drangevski I. E. U Phys. Scripta. 2006. V. 73 P. 577. ХЪ.Лифшиц E., Питаевский Л. П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979. Т.

X из Теоретическая физика. С. 528.

14. Vaulina О. S„ Petrov О. F., Gavrikov А. V. et al. II Physics Letters A. 2008. V. 372. P. 1096.

15. Wallenborn J., Baus M. //Phys. Rev. A. 1978. V. 18. P. 1737.

16. Donko Z„ Nyiri В. II Physics of plasmas. 2000. V. 7. P. 45.

17.Saigo Т., HamaguchiS. II Physics ofplasmas. 2002. V. 9. P. 1210.

18.Жаховский В. В., Молотков В. И., Нефедов А. П. и др. II Письма в ЖЭТФ . 1997. Т. 66. С. 392.

19. Nunomura S„ Misawa Т., Ohno N. et al. II Phys. Rev. Lett. 1999. V. 83. P. 1970.

20. Yaroshenko V. V, Antonova Т., Thomas H. M. et al. II Phys. Plasmas. 2009. V. 16. P. 103505.

21. Норман Г. Э„ Стегайлов В. В., Тимофеев А. В. II ЖЭТФ. 2011. Т. 140, №5. С. 1017.

22.HomannA„ Meter A., Piel A. //Phys. Rev. Е. 2001. V. 59. P. R3835.

23. Vaulina О. S„ Lisin Е. A., Gavrikov А. V. et al. II JETP. 2010. V. 110. P. 662.

24. Vaulina О. S.t Lisin E. A., Gavrikov А. V. et al. // Phys. Rev. Lett. 2009. V. 103. P. 035003.

25. Knapek С. A., Samsonov D„ Zhdanov S. et al. II Phys. Rev. Lett. 2007. V. 98. P. 015004.

26. Vaulina О. S., Petrov О. F., Gavrikov А. V., Fortov V. E. II Plasma Physics Reports. 2007. V. 33. P. 278.

27.Fortov V. E., Gavrikov A. V, Petrov O. F., Shakhova I. A.'II Phys. Plasmas. 2007. V. 14. P. 040705.

28. Fortov V. E, Petrov O. F, Vaulina O. S. II Phys. Rev. Lett. 2008. V. 101. P. 195003.

29. Apfelbaum E. M„ Klumov В. A„ KhrapakA. G„ Moifill G. KU JETP. 2009. V. 90. P. 332.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ

1. Gavrikov А. V., Timirkhanov R. A., Goranskaya D. N. et al. Investigation of non-Newtonian behavior of dusty plasma liquid // Journal of Plasma Physics. 2010. Vol. 76, Special Issue no. 3-4. Pp. 579-592.

2. Ваулина О. С., Васильева Е. В., Тимирханов P.A., Параметры плазмы и условия существования монослойных пылевых структур в

приэлектродном слое вч-разряда // Физика плазмы. 2011, Т. 37, №12. С. 1112-1118.

3. Тимирханов Р. А., Гавриков А. В., Иванов А. С. и др. Лазерное возбуждение долгоживущих колебательных состояний в плазменно-пылевой ловущке И ЖЭТФ. 2012. Т. 141, вып. 6. С. 1222-1227.

4. Vaulina О. S„ Timirkhanov R. A., Petrov О. F., Fortov V. Е„ Viscosity of а strongly coupled dust component in a weakly Ionized Plasma // PRL. 2012. Vol. 109. P. 055002.

5. Тимирханов P. А., Кластерные образования в пылевой плазме высокочастотного газового разряда // труды 50-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М., Долгопрудный:

2007. С. 113.

6. Fortov V. Е„ Timirkhanov R. A., Gavrikov А. V. et al. Viscoplastic deformation of crystal-like dusty plasma structures // Multifacets of Dusty Plasmas: Fifth International Conference on the Physics of Dusty Plasmas / Ed. by J. T. Mendonca, D. P. Resendes, P. K. Shukla. Vol. 1041. AIP, 2008. Pp. 331-332.

7. Фортов В. E, Гавриков А. В., Тимирханов P. А. и др. Вязко-пластические свойства кристаллических плазменно-пылевых образований // Физика Экстремальных Состояний Вещества — 2008. Черноголовка: 2008. С. 274.

8. Гавриков А. В., Горанская Д. Н., Тимирханов Р. А. и др. Кластерные образования в пылевой плазме высокочастотного газового разряда, // Физика Экстремальных Состояний Вещества — 2008. Черноголовка:

2008. С. 276.

9. Ворона Н. А., Гавриков А. В., Тимирханов Р. А. и др. Экспериментальное исследование зарядки пылевых частиц электронным пучком // Физика Экстремальных Состояний Вещества — 2008. Черноголовка: 2008. С. 269-270. .

10.Fortov V. Е„ Timirkhanov R. A., Gavrikov А. V. et al. Experimental investigation of the viscoplastic flow in dusty plasma crystal // Europhysics Conference Abstracts. 35rd EPS Conference on Plasma Physics & 10th International Workshop on Fast Ignition of Fusion Targets. Contributed Papers. Vol. 32D. Hersonissos, Crete, Greece: 2008. P. PI.187.

11. Тимирханов P. А., Гавриков А. В., Жадина E. В., Петров О. Ф. Экспериментальное исследование плазменно-пылевых структур, образованных частицами неправильной (цилиндрической) формы // Труды 51-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М., Долгопрудный: 2008. С. 261.

12. Тимирханов Р. А., Гавриков А. В., Горанская Д. Н. и др.

20

Экспериментальное исследование пластических свойств и структурных характеристик кристаллических плазменно-пылевых образований // Физическое образование в вузах. Приложение «Труды конференции — конкурса молодых физиков». / Под ред. Н. Калачев, М. Шапочкин. Т. 15. М.: Издательский Дом Московского Физического общества, 2009. С. П 53.

13. Timirkhanov R. A., Vasilieva Е. V., Gavrikov А. V., Petrov О. F. Experimental study of dusty plasma with rod-like macroparticles // Physics of Extreme States of Matter — 2009. Chernogolovka: 2009. Pp. 226-227.

14. Тимирханов P. А., Гавриков А. В., Петров О. Ф., Васильева Е. В. Оптическая диагностика плазменно-пылевых структур, образованных цилиндрическими макрочастицами // труды X юбилейной международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» / Москва: 2009. С. 324.

15. Тимирханов Р. А. Антонов Н. Н., Гавриков А. В., Петров О. Ф. Экспериментальное исследование динамики макрочастиц при создании лазерным излучением вакансии в плазменно-пылевой структуре // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М., Долгопрудный: 2009. С. 155-157.

16. Васильева Е. В., Тимирханов В. А., Гавриков А. В., Петров О. Ф. Определение условий формирования мультислоистой пылевой структуры в высокочастотном разряде // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть IV. Молекулярная и биологическая физика. Том 2 / МФТИ. М., Долгопрудный: 2009. С. 44-46.

17. Тимирханов Р. А., Антонов Н. Н., Гавриков А. В. и др. Автоколебания частицы возбуждаемые лазерным излучением в плазменно-пылевой структуре // Труды 53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М., Долгопрудный: 2010. С. 178.

18. Тимирханов Р. А., Антонов Н. Н., Гавриков А. В. и др. Динамика пылевых макрочастиц вблизи дефекта плазменно-пылевого кристалла // Труды 53-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М., Долгопрудный: 2010. С. 179.

19. Гавриков А. В., Тимирханов Р. А., Антонов Н. Н. и др. Экспериментальное исследование колебательных процессов пылевой плазме высокочастотного разряда, индуцированных лазерным излучением // Труды Юбилейной конференции ОИВТ посвященная 50-летию Создания

21

Учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур РАН / ОИВТ РАН. Москва: 2010. С. 445-447.

20 .Гавриков А. В., Тгширханов Р. А., Горанская Д. Н. и др. Экспериментальное исследование вязкостных свойств плазменно-пылевых структур в плазме высокочастотного разряда // Труды Юбилейной конференции ОИВТ посвященная 50-летию Создания Учреждения Российской академии наук Объединенного института высоких температур РАН / ОИВТ РАН. Москва: 2010. С. 467-470.

21. Timirkhanov R. A., Gavrikov А. V., Antonov N. N. et al. Study of vertical autooscillations of a single particle in the quasy-2D dusty plasma structures // Dusty/complex plasmas: basic and interdisciplinary research: sixth international conference on the physics of dusty plasmas / Ed. by Vladimir Yu. Nosenko, Padma K. Shukla, Markus H. Thoma, Hubertus M. Thomas. AIP Conference Proceedings. 2011. Vol. 1397. Pp. 213-215.

22. Timirkhanov R. A., Gavrikov A. V., Antonov N. N. et al. Experimental study of time evolution of a vacancy in the dusty plasma crystal and dynamics of vacancy's nearest neighbors// Dusty/complex plasmas: basic and interdisciplinary research: sixth international conference on the physics of dusty plasmas / Ed. by Vladimir Yu. Nosenko, Padma K. Shukla, Markus H. Thoma, Hubertus M. Thomas. AIP Conference Proceedings. 2011. Vol. 1397. Pp. 215-217.

23. Vasilieva E. V., Timirkhanov R. A., Vaulina O. S. et al. The formation of dust layers in rf-discharge // Physics of Extreme States of Matter - 2011. Chernogolovka: 2011. Pp. 151-152.

24. Timirkhanov R. A., Gavrikov A. V., Antonov N. N. et al. The dynamics of dust macroparticles near the vacancy in the dusty plasma crystal // Physics of Extreme States of Matter - 2011. Chernogolovka: 2011. Pp. 152-154.

25. Васильева E. В., Ваулина О. С., Тимирханов Р. А. Монослойные пылевые структуры и оценка параметров плазмы ВЧ-разряда // Труды 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М., Долгопрудный: 2011. С. 113.

26.Ваулина О. С., Тимирханов Р. А., Гавриков А. В., Петров О. Ф. Экспериментальное исследование пластических свойств и структурных характеристик кристаллических плазменно-пылевых образований // Труды 54-й научной конференции МФТИ «Проблемы фундаментальных и прикладных естественных и технических наук в современном информационном обществе». Часть VIII. Проблемы современной физики / МФТИ. М„ Долгопрудный: 2011. С. 117.

22

ТИМИРХАНОВ Ринат Асхатович

СТРУКТУРНЫЕ И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЫ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Автореферат

Подписано в печать: 21.11.2012 Тираж 100 экз. Заказ №908 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский пр-т д.74 (495)790-74-77 www.reglet.ru