На правах рукописи

ИВАНОВ Артем Юрьевич ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУРАХ, ФОРМИРУЕМЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ Специальность: 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2009 2

Работа выполнена на кафедре общей физики I физического факультета СанктПетербургского государственного университета Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, доцент Карасев Виктор Юрьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, доцент Митюрева Алла Александровна кандидат технических наук, старший научный сотрудник Молотков Владимир Иванович

Ведущая организация: Петрозаводский государственный университет

Защита диссертации состоится л 24 декабря 2009 года в час. на заседании совета Д 212.232.45 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 198504, г. Санкт-Петербург, Петродворец, ул.

Ульяновская, д. 1, Малый конференц-зал Физического факультета.

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

Автореферат разослан л ноября 2009г.

Ученый секретарь совета, доктор физико-математических наук Ионих Ю. З.

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Впервые наблюдался и количественно зарегистрирован фазовый переход типа плавления пылевой структуры в тлеющем разряде при изменении магнитного поля.

Установлено, что магнитное поле является управляющим параметром для изменения состояния пылевой структуры.

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

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

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

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

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

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

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

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

Усовершенствован метод определения объемного расположения частиц в плазменнопылевой структуре с большим числом частиц.

Полученные новые результаты используются в учебном процессе.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рядом авторов для количественной оценки фазовых состояний, наблюдаемых в структурах, была применена методика, основанная на изучении корреляции координат частиц, находящихся в горизонтальном слое структуры [1]. Эта методика позволила сравнивать между собой результаты, полученные в разных условиях, а также соотнести наблюдаемые состояния с состояниями в обыкновенном веществе. При описании фазовых состояний в двумерной решетке отдельно рассматриваются трансляционный и ориентационный порядок в структуре, которые характеризуются соответственно парной корреляционной функцией g(r) и ориентационной корреляционной функцией g6(r).

В литературе встречаются две двумерные модели фазового перехода типа плавления в пылевых структурах. Одна из них - KTHNY (Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young) [2] предсказывает два последовательных перехода от кристаллопобного к жидкостному состоянию через промежуточное состояние, названное гексатической фазой, в которой трансляционный порядок нарушен, а ориентационный - сохраняется. Следуя теории KTHNY, корреляционные функции g(r) и g6(r) изменяют характер поведения в зависимости от состояния, определив который из эксперимента, можно классифицировать наблюдаемое состояние.

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

Классификацию, предлагаемую авторами, далее мы будем именовать феноменологическим подходом при описании плавления пылевой структуры.

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

В работе [6] пылевые структуры впервые наблюдались в стратах тлеющего разряда.

Результаты работы показывают ряд особенностей пылевых структур в тлеющем разряде.

Размер таких структур по вертикали сравним с размерами их горизонтального сечения, частицы выстроены в цепочки. В горизонтальном сечении структуры неоднородны и имеют малую упорядоченность.

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

Последовательность состояний структуры по мере изменения параметров может быть рассмотрена как фазовый переход.

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

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

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

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. Обозначения на рисунке: 1-страты, 2- сужение в трубке для стабилизации страт и катодного слоя, 3- частицы, левитирующие в страте, 4-контейнер с пылевыми частицами, 5-видеокамера, 6система, формирующая лазерный нож, 7интерференционный фильтр, 8-анод, 9- катод.

Разряд зажигался в неоне, а также в смеси неона с водородом. Давление изменялось в пределах от 0.2 до 1.4 Торр, разрядный ток - от 1 до 5 мА. Расстояние между стратами составляло 2 - 2.5 см, длина светящейся части до 1 см. Во всех описанных ниже экспериментах использовались частицы LiNbO3 плотностью 4.6 г/см3. Их характерный размер составлял около 1 мкм.

а) б) Рис. 2. а) Фотография горизонтального сечения структуры, проходящего через ее середину.

Условия: частицы LiNbO3 размером 1 мкм, газ - смесь Ne с Н2 в отношении 3:1, Р = 1.Торр, I = 0.9 мА. Горизонтальный размер изображения 7.7 мм. б) Карта, построенная на основании локального ориентационного параметра g6(0) для Рис. 2а. Светлые участки - гексагональные домены структуры.