Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Ермоленко Максим Анатольевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ОТБОРА ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ ПО РАЗМЕРУ И ФОРМЕ В ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫХ ЛОВУШКАХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
01.04.08 - физика плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Санкт-Петербург 2012
Работа выполнена на кафедре общей физики I Физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.
Научный консультант: доктор физико-математических наук, доцент Карасев Виктор Юрьевич
Официальные оппоненты: Баранов Александр Васильевич доктор физико-математических наук, профессор, СПбГУ ИТМО, заведующий лабораторией Брюховецкий Александр Павлович кандидат физико-математических наук, доцент, ФГБОУ ВПО НИУ МЭИ, заведующий лабораторией
Ведущая организация: Петрозаводский государственный университет
Защита диссертации состоится л28 июня 2012г. в 13 час. 00 мин.
на заседании диссертационного совета Д 212.232.45 при СанктПетербургском государственном университете (198504, г. СанктПетербург, Петродворец, ул. Ульяновская, д. 1, Малый конференц-зал физического факультета).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М.Горького СПбГУ.
Автореферат разослан л___ ________ 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета, д. ф.-м. н. Ионих Ю.З.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
.
Актуальность. На сегодняшний день физика пылевой (комплексной) плазмы представляет собой достаточно новую и бурно развивающуюся область знаний.
Область исследований простирается от астрофизических объектов до технологических приложений в субмикронном и наноразмерном диапазонах, в энергетике, но основными являются фронтальные фундаментальные исследования.
Значение комплексной плазмы в современной физике отражено в ряде обзоров и монографий, в частности [1Ц5]. Она является объектом междисциплинарных исследований, объединяющих физику плазмы, оптику, физику твердого тела, кристаллов, статистическую физику, астрофизику. Также пылевая плазма является наиболее удобным объектом для изучения самоорганизованных структур. Пылевые частицы в случае исследования комплексной плазмы в лабораторных условиях, как правило, имеют размер несколько микрометров, эффективно рассеивают свет, межчастичное расстояние в формируемых ими структурах составляет доли миллиметров, внешняя среда - газоразрядная плазма - является прозрачной.
Совокупность этих факторов позволяет вести наблюдения на кинетическом уровне непосредственно в оптическом диапазоне.
Разделение частиц с отличающимися свойствами, отбор требуемой фракции из полидисперсного порошка - являются современными технологическими задачами, с появлением комплексной плазмы возникла возможность ее применения для решения данных задач. Вместе с тем, изучение самого процесса отбора частиц с определенными свойствами - фундаментальная задача, поскольку такой отбор является частью процесса формирования плазменно-пылевых структур при самоорганизации в комплексной плазме. В 90-х годах было высказано предложение использовать силы неэлектрической природы для разделения порошков, чтобы не оказывать существенного воздействия на параметры фоновой плазмы. Такими силами в пылевой плазме оказались темофоретическая и сила, действующая со стороны магнитного поля. Для реализации данного подхода потребовались дополнительные фундаментальные исследования и новые средства диагностики.
Для разделения порошков ферромагнитных и парамагнитных частиц в [6] и др. было применено сильно неоднородное магнитное поле. В [7] и др.
производилось разделение полидисперсных порошков при неравномерном тепловыделении. В работе [8], выполненной с полидисперсными частицами сферической формы зарегистрирован эффект пространственной сепарации в двух соседних пылевых образованиях. Литературные данные показывают, что решение этой задачи требует развития и применения методик, диагностирующих левитирующие частицы как правильной, так и произвольной формы, а также динамики изменения формы, например, при деградации материала частиц в плазме [9].
Примененные и развитые в настоящей работе методы прямого определения размеров и формы пылевых частиц открывают новые возможности исследования эффекта сепарации и отбора пылевых гранул в процессе самоорганизации пылевой компоненты. Все сказанное говорит об актуальности представленной задачи.
Цель работы. Целью работы являлось проведение исследований, направленных на детальное определение размеров и формы пылевых частиц левитирующих в объёмных плазменно-пылевых образованиях в тлеющем разряде, исследование отбора разрядом пылевых гранул с определенными характеристиками в процессе формирования пылевых структур, а также развитие оптических бесконтактных методов диагностики, необходимых для данной задачи.
Научная новизна 1. Впервые проведено количественное исследование эффекта сепарации пылевых частиц по фактору формы и среднему размеру в двух пылевых ловушках в тлеющем разряде.
2. Впервые создана объемная плазменно-пылевая структура в тлеющем разряде над нижней стенкой разрядной трубки вблизи поворота канала тока, содержащая до 30000 частиц. Исследованы условия её формирования, проведён анализ левитирующих в ней частиц по размеру и фактору формы.
3. Разработан метод определения угловой скорости собственного вращательного движения отдельных пылевых гранул с использованием направленной лазерной подсветки и развертки изображения частицы. В качестве объекта наблюдения применялись полые прозрачные микросферы.
4. Обнаружена зависимость угловой скорости собственного вращения уединенных пылевых частиц от разрядного тока. Выявлена связь между угловой скоростью частицы и её индивидуальными особенностями.
Практическая ценность работы В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, об отборе пылевых частиц при формировании пылевых структур и особенностях сепарации пылевых частиц плазмой тлеющего разряда.
Разработан и реализован метод сбора пылевых частиц, непосредственно левитировавших в разряде, на базе созданной установки специальной конструкции.
Метод применён для определения истинного размера полидисперсных пылевых частиц, левитировавших в разряде.
На основе проведённых исследований предложен метод разделения порошков в плазме по размеру и форме.
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.
Обнаружена и исследована новая область для левитации пылевых частиц над нижней стенкой трубки в области поворота токового канала, с условиями, позволяющими производить сепарацию частиц с характеристиками, отличающимися от характеристик частиц, левитирующих в стратах. В данной области реализуется более тонкая сепарация пылевых гранул, как по размеру, так и по фактору формы, чем в стратах. Также, в ней возможно создание и исследование объёмных пылевых структур, содержащих до 30000 частиц.
Проведенные качественные эксперименты показывают возможность оценки электрического поля в разряде, как в стоячих стратах, так и во вновь обнаруженной области левитации.
Разработанный метод определения вращения отдельных пылевых гранул с помощью развёртки изображения позволяет регистрировать собственное вращение частиц с частотами до 2000 Гц без использования видео устройств с соответствующей скоростью записи изображения.
Обнаруженная зависимость угловой скорости вращения частиц от разрядного тока позволяет изучить механизмы вращения уединенных пылевых частиц в условиях тлеющего разряда.
Положения, выносимые на защиту:
1. Результаты количественного исследования эффекта сепарации пылевых частиц по плотности, фактору формы и среднему размеру в двух пылевых ловушках в тлеющем разряде.
2. Создание объемной плазменно-пылевой структуры в тлеющем разряде над нижней стенкой разрядной трубки вблизи поворота канала тока, содержащей до 30000 частиц.
3. Метод определения собственного вращательного движения отдельных пылевых гранул, использующий направленную подсветку и развертку изображения частицы.
4. Существование собственного вращения уединенных пылевых частиц с угловой скоростью, зависящей от особенностей частицы и произвольно ориентированной.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП (Петрозаводск 2011), школах и симпозиуме молодых ученых (Петрозаводск 2005, 2009), на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям ФППТ (Минск 2006, 2009), на конференции по оптическим методам исследования потоков ОМИП (М. 2009); на международном симпозиуме по физике плазмы ICPP (2008); на международной конференции по физике пылевой плазмы и процессов горения (Одесса 2007); на международной конференции по неидеальной плазме PNP-13 (Черноголовка 2009); представлялись на международной конференции по физике пылевой плазмы PCPDP-5 (2008), конференции студентов и молодых ученых СПбГУ Физика и прогресс (Санкт-Петербург 2006), а также докладывались и обсуждались и на заседаниях кафедры Общей физики I Физического факультета СПбГУ (2005 - 2012).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 статьях, в том числе, в 8 из списка ВАК, а также в тезисах докладов, список которых приводится в конце автореферата.
ичный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 5 глав, разделенных на параграфы, Заключения и Списка литературы. Общий объем диссертации 108 страниц, включая 47 рисунков и список цитированной литературы из 107 позиций.
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 I приведен обзор литературы. В нем содержатся как общие принятые на настоящий момент представления о силах, действующих на уединённую частицу в плазме, так и описание некоторых экспериментов, близких к тематике работы. Описаны условия формирования объемных пылевых образований в ВЧ разрядах и в разряде постоянного тока. Отдельно рассмотрены эксперименты по созданию сложных структур в условиях существования градиента температуры в области левитации. Также обсуждены известные на сегодняшний день работы по исследованию сепарации полидисперсных порошков в плазме.
В Главе II описана методика, реализованная непосредственно с целью определения размеров частиц, извлечённых из разряда.
Для извлечения пылевых частиц из ловушки в разряде была разработана разрядная камера, Рис. 1. Она состояла из стеклянной трубки диаметром 1.8 см с длиной вертикального участка 12 см, и имела два верхних и два нижних боковых отростка. В верхних отростках располагались контейнер с засыпным порошком и анод, в нижних - катод, а также устройство для сбора и извлечения из разряда левитирующих частиц. Устройство представляло собой металлическую пластину - каретку, перемещаемую с помощью магнита по горизонтальному отростку, на которую сверху помещалась стеклянная полоска. Последняя с попавшим на ее поверхность порошком, извлекалась из разряда и помещалась под микроскоп для определения размеров частиц. Применялись полидисперсные полые микросферы диаметром от 10 до 120 мкм и плотностью 0.1 - 0.4 г/см3 и полидисперсные частицы кварца.
Рис. 1. Разрядная камера. 1 - подвижная диафрагма, 2 - магнит, 3 - страты, 4 - контейнер с частицами, 5 - устройство для сбора частиц, - лазер, 7 - катод, 8 - анод, 9 - кран, 10 - пылевое образование над нижней стенкой камеры в области поворота канала тока.
Эксперимент проводился следующим образом. При выбранных условиях зажигался разряд, в него инжектировались пылевые частицы. Некоторое их количество зависало в ловушках, что наблюдалось визуально при подсветке. Под собираемую пылевую структуру подводилось устройство для сбора частиц. Далее пылевая структура обрушивалась путём гашения разряда. Процесс падения пылевых гранул и попадания их на поверхность собирающего устройства контролировался съемкой. Собранные частицы вместе с устройством извлекались из разрядной камеры. Число попадавших на стекло частиц в одном эксперименте составляло несколько тысяч.
Размеры извлечённых частиц определялись в оптический микроскоп. Если частица имела сферическую форму, то ей сопоставлялся радиус а. Если применяемые частицы имели несферическую форму, то определялись их наибольший x и наименьший y размеры. Частицам сопоставлялся характерный размер d = (x + y)/2, а также фактор формы, определяемый как f = x/y. Для получения достоверных статистических результатов, обсчитываемое число частиц составляло, как правило, 400 частиц или более. По результатам строились гистограммы распределений частиц по размеру.
При проверке применимости методики использовались полые стеклянные микросферы. Было установлено, что при подобранных условиях размеры извлеченных частиц соответствуют размерам засыпного порошка. Интерпретация на основе баланса сил показала, что в разряде частицы отбираются по плотности.
В Главе III содержится исследование отбора полидисперсных частиц кварца в пылевых ловушках в тлеющем разряде в стратах. Первоначально для проверки идеи о том, что в разряде происходит отбор гранул по их параметрам - размеру, форме, плотности - было решено применить порошок, имеющий широкий максимум в распределении по размерам, и с произвольной формой частиц. Был применен полидисперсный кварц с плотностью материала 2.5 г/см3. Частицы имели размер 1 - 45 мкм, сильно выраженный максимум дисперсности при 30 - 35 мкм и произвольную форму, Рис. 2а.
а) б) Рис. 2. Распределение по размерам а) частиц кварца, подготовленных для инжектирования в разряд, б) левитировавших частиц, извлеченных из разряда. Условия: рабочий газ Ne, Р = 1 Торр, i = 1 мА. Оба распределения построены по 100 частицам.
В предварительных опытах число собираемых на подложку частиц составляло несколько сотен. Рис. 2б показывает распределение частиц по размеру при выборке в 100 частиц. Сравнение Рис. 2а и Рис. 2б показывает, что средний размер извлечённых частиц почти на порядок отличается от среднего размера засыпного порошка.
Отметим, что на всех гистограммах, построенных для левитировавших в разряде частиц, наблюдались два максимума. Первый в области 5.0 мкм, другой, менее выраженный, при 2.5 мкм. Поскольку засыпной порошок представлял собой частицы разной формы, отдельно производилась выборка по фактору формы, чтобы выяснить, связано ли распределение по размерам левитирующих в стратах частиц с их формой. Была произведена выборка частиц компактной формы (отношение размеров f не более чем 1.25), которая показала наличие двух групп частиц отличающихся размеров. Распределение для остальных, некомпактных частиц (вытянутой формы), имеет максимум при 4.5 мкм. Второй максимум (2.мкм) почти целиком представлен частицами с f > 1.25. Основной (первый) максимум состоит из суперпозиции распределений для частиц с f < 1.25 и более пологого распределения для частиц с f > 1.25.
Данный результат означает, что в одной и той же области пылевой ловушки в страте могут левитировать частицы разной формы, (и, следовательно, разной массы и с различным поверхностным зарядом).
Для детального исследования обнаруженного эффекта далее была проведена новая серия экспериментов, в которых параметры разряда варьировались, а число собираемых частиц было не менее 400. Был выбран рабочий порошок кварца с существенно большей долей мелкой фракции.
Далее была проведена серия экспериментов с использованием различных газов - Ne, Kr, смеси Ne и Kr с воздухом в различных пропорциях - с целью подтверждения существования эффекта в других газах, а также, исследования зависимости размеров и формы левитирующих частиц от сорта рабочего газа.
Число попадавших на стекло частиц в одном эксперименте составляло несколько тысяч.
Сравнение размеров левитирующих частиц в двух газах. Область разрядных параметров (сорт газа, давление, ток разряда) существования плазменно-пылевых структур большого объёма в Kr оказалась существенно меньше, чем в Ne. Поэтому приведем данные при оптимальных условиях в криптоне и, для сравнения, в неоне при подобных условиях (давление 0.1 - 0.3 Торр, ток 1.5 - 2.2 мА). Рис. 3а показывает распределение по характерным размерам d частиц, извлеченных из ловушки в страте в Kr при оптимальных условиях формирования объемной структуры. Гистограмма показывает наличие двух максимумов распределения при d 2 и 6 мкм.
Был проведен анализ распределений частиц по фактору формы, соответствующая гистограмма представлена на Рис. 4а. Она показывает, что левитирующие в стратах частицы разнятся по форме. Большинство частиц имеет фактор формы от f = 1 до f = 2. Исключив из общего распределения частицы с отношением размеров меньшим либо равным 1.25, можно получить распределение по размерам только вытянутых частиц. Рис. 3б показывает соответствующую выборку. Отчетливо видно распределение с максимумом d = 4.5 мкм, частицам соответствует средний f = 2.
Рис. 5а. показывает пример распределения левитирующих частиц по размеру в Ne также с явно выраженной бимодальной зависимостью с максимумами при d = 3 мкм и d = 6.5 мкм. Распределение этих частиц по фактору формы дано на Рис. 4б.
Исключая компактные частицы, получаем распределение по размерам вытянутых частиц, Рис. 5б. Характерный размер составил d = 7 мкм при тех же средних пропорциях, как и в Kr f = 2.
Размеры левитирующих частиц в зависимости от давления. Для рабочего газа Ne были проведены сборы частиц при изменении давления от 0.2 до 0.7 Торр.
При уменьшении давления характерный размер левитирующих частиц несколько увеличивается.
Интерпретация эффекта отбора пылевых частиц по размеру и форме.
Численные оценки условий левитации частиц проще дать для неона, поскольку для него имеются данные о заряде частиц в стратах в зависимости от размера [10].
Масса компактной частицы, соответствующая среднему размеру на гистограмме, Рис. 5, равна 10-13 кг. Согласно [10], мы оцениваем её заряд как 2104 элементарных.
Из баланса силы тяжести и электростатической силы для частиц с известными размерами и зарядом в стратах получается следующее. Вертикальное электрическое поле в случае компактных частиц равно 10 В/см Гистограммы, Рис. 5, показали, что в стратах большая часть частиц имеет некомпактную форму.
Можно сказать, что с точки зрения левитации, такая форма более выгодна, поскольку при одинаковой с компактными частицами площади поверхности, они имеют несколько большую электроёмкость и несколько больший электрический заряд. Согласно приведённым выше оценкам, для их левитации требуется несколько меньшее электрическое поле.
a) б) Рис. 3. Размеры частиц, извлеченных из пылевой ловушки в страте в Kr. a) - все частицы;
б) - частицы не компактной формы. Условия: Р = 0.3 Торр, i = 1.6 мА.
a) б) Рис. 4. Распределение частиц по фактору формы в стратах в Kr - a), в Ne - б). Условия: Р = 0.3 Торр, i = 1.6 мА.
а) б) Рис. 5. Размеры частиц, извлеченных из пылевой ловушки в страте в Ne. a) - все частицы;
б) - частицы не компактной формы. Условия: Р = 0.3 Торр, i = 1.6 мА.
Если обратить внимание на меньший максимум гистограммы, Рис. 5а., то видно, что существует относительно небольшая доля частиц, имеющих существенно меньший средний размер d = 2.5 - 3 мкм. Оценка электрического поля, необходимого для их левитации, даёт величину 1 - 3 В/см. Такие мелкие частицы могут левитировать в страте в области не максимального электрического поля.
На основании сделанных оценок, можно видеть, что левитация частиц происходит в соответствии с балансом сил. Из всей массы частиц засыпного порошка разряд отбирает частицы произвольной формы, так, что у всех отобранных частиц отношение заряда к массе одинаково при одинаковой напряжённости продольного удерживающего электрического поля.
Аналогичная интерпретация верна и в случае Kr. Нужно заметить, что при прочих сходных разрядных условиях в Ne размер частиц всегда несколько больше, чем в Kr, что связано с большей величиной продольного электрического поля неона в данном диапазоне давления [11].
Зависимость характерного размера левитирующих частиц от давления также можно объяснить ростом продольного электрического поля с уменьшением давления [11].
Знание характеристик сепарированных частиц позволяет объяснить эффект формирования сложных пылевых структур в стратах в тлеющем разряде.
Сложные образования существуют в горизонтальном и вертикальном сечении.
Проведенная интерпретация показала, что частицы в горизонтальных сложных структурах сепарированы по фактору формы, в вертикальных сепарированы по размеру.
В Главе IV описано создание структуры в ловушке над нижней стенкой трубки. Эксперимент проводился в разрядной камере, описанной в Главах II и III, её конструкция и область расположения обнаруженной структуры над стенкой трубки схематически показаны на Рис. 1, фото на Рис. 6а. Использовались те же полидисперсные частицы кварца. Пылевые структуры создавалась в Ne и Kr. Было обнаружено, что при давлениях меньших, чем 1 Торр в Ne, над нижней стенкой камеры в области поворота канала тока формируется ещё одно пылевое образование. После смены рабочего газа на Kr обнаруженная структура сформировалась вновь. Подчеркнём, что данная структура левитировала вне токового канала. Таким образом, впервые наблюдалось пылевое образование в тлеющем разряде, сформированное над нижней стенкой разрядной камеры. Мы изучили распределение частиц, формирующих пылевую структуру над стенкой камеры, по размерам и форме, а также исследовали некоторые свойства этого нового плазменно-пылевого образования. Пример изображений вертикального сечения структуры показан на Рис. 6б.
В Kr стабильная структура существует в диапазоне давлений от 0.1 до 0.Торр. Область разрядных параметров, при которых структура существует в Ne, больше, чем в Kr, от 0.1 до 0.7 Торр. Она может содержать порядка 30000 частиц, что почти на порядок превышает количество частиц в пылевых структурах в стратах.
а) б) Рис. 6. а) Область расположения обнаруженной структуры над стенкой трубки. Условия:
Ne, i = 2 мА, Р = 0.4 Торр. б) Увеличенное изображение типичной структуры над нижней стенкой разрядной камеры. Вертикальное сечение. Условия: Ne, i = 2.2 мА, Р = 0.3 Торр.
Горизонтальный размер изображения а) 4,5 см, б) 0.8 см.
Отбор частиц в ловушке над нижней стенкой трубки. Извлечение пылевых частиц из ловушки над нижней стенкой трубки производилось следующим образом. После формирования структур в данной ловушке, мы удаляли путём теплового воздействия частицы из страт. Далее каретка с покровным стеклом подводилась под структуру, частицы осаждались на неё также с помощью термофореза. Число собранных таким способом частиц составляло несколько тысяч. Визуальные наблюдения извлечённых частиц в оптический микроскоп показали, что их характерные размеры существенно меньше, чем характерный размер частиц, извлечённых из страт.
На Рис. 7 показаны примеры распределений извлеченных частиц по размеру и по фактору формы, которые получены в Kr при оптимальных для создания структуры условиях, обеспечивающих при однократной инжекции максимальные размер и стабильность пылевого формирования (давление 0.3 Торр, ток 1.6 мА).
Характеристики частиц следующие: средний размер d = 2.17 мкм, фактор формы f = 1. При проведении экспериментов в Ne, при тех же, что и в Kr условиях, характеристики частиц совпали в пределах точности используемого нами микроскопа.
Было замечено, что в пылевой структуре, формирующейся при длительном инжектировании, характеристики левитирующих частиц меняются. Измененные распределения, при неизменных условиях разряда, даны на Рис. 8. Фактор формы f меняется от 1 до 2, вместе с ним увеличивается характерный размер d, от 2.17 мкм до 2.35 мкм.
После прохождения длительного времени (порядка десятков минут) в ловушке остаются лишь частицы с первоначальными характеристиками. Таким образом, в пылевой ловушке при уменьшении количества частиц происходит отбор частиц по параметрам d и f.
a) б) Рис.7. Распределение частиц по размеру - a) и по фактору формы - б) в пылевой ловушке над нижней стенкой камеры. Условия: Kr, i = 1.6 мА, Р = 0.3 Торр. Средний размер d = 2.17 мкм. Преобладают частицы с фактором формы 1 - 1.25.
a) б) Рис.8. Распределение частиц по размеру а) и фактору формы б) в протяженной структуре, формируемой при длительном инжектировании частиц, над нижней стенкой камеры в Kr.
Условия: i = 1.6 мА, Р = 0.3 Торр. Появляется существенная часть частиц с фактором формы 1.5 - 2. Средний размер частиц в криптоне d = 2.35 мкм.
Обсудим характеристики пылевых частиц, выполнив элементарные оценки.
Во-первых, пылевые структуры в данной ловушке формируются в мёртвом объеме в отростке вне канала тока. Вероятно, точные значения распределений концентрации и температуры плазмы, а также электрического поля неизвестны [11]. Характеристики ловушки можно оценить из условия баланса сил при левитации частиц. В вертикальном направлении вес частиц компенсируется электрической силой, связанной с радиальным полем в отростке трубки.
Горизонтальный баланс сил обеспечивается силами термофореза, действующей слева, и электрической силой, действующей справа, см. Рис. 1, вызванной градиентом концентрации плазмы в отростке напротив поворота канала тока.
Определение точных размеров пылевых частиц в ловушке позволяет выполнить оценки электрического поля в ней. Оценка вертикального поля для Ne дает величину от 4 В/см, горизонтального - от 1 В/см.
Во-вторых, обсудим возможную причину обнаруженного отбора частиц.
q= aU fl Заряд компактных частиц (f = 1) представим как, заряд вытянутых l q= U fl l (цилиндрических) как, что для размеров собранных частиц 2ln a q= 1.4aU fl выражается. Здесь l - длина, а - радиус модельной частицы.
U fl Потенциал частиц разных форм (плавающий потенциал), в соответствие с представлением из теории зондов [12] в наших условиях существенно не отличается. Если частицы в результате флуктуаций теряют свой заряд (например, из-за флуктуации электронной температуры Те, или концентрации электронов ne в отростке трубки), то пылинки вытянутой формы будут терять на 40 % заряда больше по сравнению с компактными, что может привести к преобладающим потерям из данной пылевой ловушки именно вытянутых частиц.
Поскольку в данной ловушке пылевое образование наблюдалось впервые, то представляло интерес рассмотреть его общие свойства. Было обнаружено существование неустойчивости связанной с градиентом заряда пылевых частиц, возникновение пылеакустической волны, исследована упорядоченность пылевой структуры. Фазовое состояние структуры определено как жидкостно-подобное, межчастичное расстояние 0.22 мм, что несколько меньше, чем в пылевых структурах в стратах, в горизонтальном сечении обнаружены элементы гексагональной решетки.
В Главе V представлено описание метода наблюдения крупных частиц непосредственно в разряде, результаты прямого определения их размера и исследования их вращения. Для проведения экспериментов была сконструирована разрядная камера, позволяющая наблюдать отдельные частицы. Вертикальная трубка камеры имела длину 20 см, радиус 1.2 см. Положением страт в ней можно управлять посредством подвижной узкой диафрагмы, находящейся в нижней части перед катодом. При соответствующем положении рабочей страты находящиеся в ней частицы попадали в поле зрения оптической системы, расположенной сверху над плоским торцевым окном. Оптическая система позволяла получать изображение находящейся в разряде частицы с увеличением порядка 100. Для визуализации частиц применялась лазерная подсветка в горизонтальной плоскости с помощью лазерного модуля, либо использовалось рассеянное излучение снизу.
Для левитации пылевых частиц максимального размера были использованы полые стеклянные микросферы. На Рис. 10а представлен типичный кадр с левитирующей микросферой, полученный с помощью описанной выше оптической системы.
Частица имеет сферическую форму и размер 40 мкм. Обнаружилось, что некоторая доля частиц имеет отклонение от сферической формы и почти все частицы обладают собственным вращательным движением. Чем больше отклонение формы частицы от сферической, тем быстрее она вращается.
Собственное вращение представляет самостоятельный интерес [13], но затрудняет определение размеров наблюдаемых частиц. Поэтому было решено исследовать обнаруженное вращение в зависимости от характеристик частиц, а также от параметров разряда. Для регистрации быстрых вращений была предложена методика координатной развертки, ее принцип показан на Рис. 10б.
Тонкостенные стеклянные сферы имеют дефекты поверхности, на которых более интенсивно рассеивается свет подсветки. При вращении частицы рассеянный свет будет модулирован с частотой, равной частоте вращения. При поступательном движении регистрирующей системы (жестко связанных микроскопа и видеокамеры) на ПЗС-матрице прописывается развертка во времени отраженного света. Направление подсветки проходит по оси OY, регистрируемого отраженного света по OZ, направление возвратного поступательного движения регистрирующей системы - вдоль оси OX. При отражении параллельного пучка света изображением полой сферической частицы на ПЗС-матрице являются два пятна, а при развертке - две линии.
а) б) Рис. 10. а) Типичный кадр с левитирующей микросферой. Цена деления шкалы 14 мкм. б) Процесс создания координатной развертки. 1 - частица, 2 - области поверхности частицы, отражающие свет в направлении регистрирующей системы, 3 - дефект на поверхности, - образ, засвечиваемый частицей на ПЗС-матрице, 5 - лазерная подсветка.
Рис. 11. Пример координатной развертки (а), (б) и поясняющая схема (в).
Условия: Ne, Р = 0.7 Toрр, i = 1.5mA.
а) (а) - (б) изображения, созданные наложением трех последовательных кадров. (а) частицы, движущейся слева направо. (б) частицы, движущейся справа б) налево. Горизонтальный размер обоих изображений 1.1 мм. (в) 1 - поверхность частицы, 2 - дефект на поверхности, 3 - результирующая траектория.
в) В зависимости от взаимного направления подсветки, угловой скорости вращения частицы и смещения оптической системы на развертке сигнала прописывается различная структура полос. Наглядный пример структуры сигнала для случая перпендикулярно ориентированных вектора угловой скорости, направления подсветки и направления развертки, а также поясняющая схема показана на Рис. 11. На Рис. 11а наложены три последовательных кадра, соответствующие движению частицы относительно регистрирующей системы слева направо. На треке наблюдается следующая структура: верхняя полоса представляет собой набор отрезков, в то время как нижняя - набор точек. При изменении направления смещения рисунки на полосах меняются местами, Рис. 11б.
Интерпретация данного наблюдения представлена на Рис. 11в. Движение дефекта представляет собой суперпозицию его вращательного движения и поступательного относительно регистрирующей системы (вектор угловой скорости вращения частицы направлен по оси OZ). Из получающейся циклоиды на реальной фотографии (Рис. 11а и Рис. 11б) видны только те участки, которые попадают в засвеченные полосы (набор отрезков и точек). Регистрационная система позволяет записывать сигнал модуляции с частотой до 2 кГц.
В условиях стратифицированного тлеющего разряда при параметрах ток 1 - 4 мА, давление - 0.3 - 0.7 Торр, газ Ne зарегистрировано вращательное движение уединенных пылевых частиц. Вращение обладает следующими свойствами.
1. Каждая частица имеет свою угловую скорость . Частицы одинакового размера могут иметь различную угловую скорость. Измеренные угловые скорости для разных частиц в одинаковых условиях лежат в диапазоне от 0 до 12000 рад/с.
Большие частоты наблюдаются у частиц, форма которых отличается от сферической.
2. Для каждой частицы при неизменных условиях частота вращения не изменяется со временем.
3.Угловая скорость в пределах погрешности не меняется при изменении положения частицы в горизонтальном сечении. В равновесии одиночная частица располагается в центре горизонтального сечения страты. В эксперименте пылинка посредством тепловых манипуляций смещалась с оси разряда на расстояние до половины радиуса трубки.
4. Угловая скорость вращения в данном диапазоне тока линейно возрастает с увеличением тока разряда, Рис. 12, = Ki.
Зависимость угловой скорости вращения от индивидуальных особенностей частицы говорит о роли взаимодействия плазменного потока с ее поверхностью.
Вероятно, касательная составляющая импульса, появляющаяся в плазменном потоке, идущем на асимметричную частицу, ее раскручивает. Рассмотрим почти сферическую частицу. Существование вращения у нее мы связываем с ненулевым моментом импульса Mid, передаваемым положительными ионами, попадающими на ее поверхность в единицу времени при поддержании стационарного заряда.
Момент возникает, вероятно, из-за того, что в ионном потоке на частицу присутствует касательная составляющая, что может быть связано с наличием незначительных неровностей на ее поверхности. Аналогичный эффект от электронов на несколько порядков меньше. Введем коэффициент , характеризующий долю касательной составляющей ионного потока.
Наблюдающаяся стационарность вращения указывает на то, что момент силы, действующий со стороны ионов, скомпенсирован моментом силы трения о нейтральный газ Mfr. Приравняв Mid и Mfr, рассчитанный для вращающейся с частотой частицы со средним радиусом а, получим:
9eni qd =, (1) 2 o nV aTn где ni - концентрация ионов, qd - заряд пылевой частицы, n - плотность газа, VTn - тепловая скорость газа, о - диэлектрическая постоянная.
Оценки угловой скорости по формуле согласуются с экспериментально измеренной, например, для частицы № 4 из графика на Рис. 12 при подстановке соответствующих параметров, совпадение получается, если положить 0.1.
Также дана интерпретация линейной зависимости от i. На основании формулы (1) вычислен коэффициент пропорциональности, совпадающий с измеренным тангенсом угла наклона на Рис. 12.
Обнаруженное вращательное движение частиц может вносить ошибку в определение размеров и формы частиц прямым оптическим способом. Образом пылевой частицы на записывающей ПЗС матрице является пятно засветки, размер которого зависит не только от реального размера частицы, но и от её поступательного и вращательного движения. Согласно произведённым исследованием с полыми стеклянными микросферами, для определения их размера, целесообразно производить фотографирование с выдержкой, не превосходящей 1/2000 с.
Рис. 12. Зависимость частоты модуляций рассеянного частицей света от разрядного тока для нескольких частиц (1 - 11). Условия: Ne, P = 0.Торр.
В заключении перечислим основные результаты диссертации:
Проведено исследование, направленное на определение размера и формы пылевых частиц, левитирующих в объёмных плазменно-пылевых образованиях в тлеющем разряде.
Количественно исследован эффект сепарации пылевых частиц по фактору формы и среднему размеру в двух пылевых ловушках, существующих в тлеющем разряде.
Создана объемная плазменно-пылевая структура в тлеющем разряде над нижней стенкой разрядной трубки вблизи поворота канала тока, содержащая до 30000 частиц.
Предложен метод определения собственного вращательного движения отдельных пылевых гранул, использующий направленную подсветку и развертку изображения частицы.
На основе знания точного размера пылевых частиц произведена оценка величины электрических полей в плазменно-пылевых ловушках в тлеющем разряде.
Зарегистрировано и исследовано собственное вращательное движение уединенных пылевых частиц с угловой скоростью, по величине зависящей от особенностей частицы и имеющей произвольное направление в пылевой ловушке в страте.
Цитированная литература 1. Dusty Plasmas: Physics, Chemistry, and Technological Impact in Plasma Processing / Edited by A. Bouchoule. NewYork: John Wiley & Sons, 1999. 408 p.
2. Fortov V.E., Mofill G.E. Complex and dusty plasmas: from laboratory to space.
NewYork: Taylor & Francis Group, 2010. 418 p.
3. Ваулина О. С., Петров О. Ф., Фортов В. Е., Храпак А. Г., Храпак С. А. Пылевая плазма эксперимент и теория. М.: Физматлит, 2009. 315 с.
4. Цытович В. Н. Развитие физических представлений о взаимодействии плазменных потоков и электростатических полей в пылевой плазме // УФН. 2007.
Т. 177. № 4. С. 427Ц472.
5. Материалы лекций школ по физике низкотемпературной плазмы / Под ред. А. Д.
Хахаева. Петрозаводск: ПетрГУ, 2001. 360 с.
6. Hitoshi A., Toshiro K., Motoi W. Behaviors of dusty plasmas in inhomogeneous magnetic field // Science and Engineering Review of Doshisha Univ Y. 2006. V. 47. №2.
P.71-78.
7. Василяк Л. М., Ветчинин С. П., Поляков Д. Н., Фортов В. Е. Формирование пылевых структур сложной формы в плазме при неоднородном выделении тепла // ЖЭТФ 2005. Т. 127. № 5. С. 1166-1172.
8. Васильев М.М., Антипов С.Н. Сепарация пылевых частиц по размерам в плазменно-пылевых структурах в тлеющем разряде постоянного тока // Труды XLVI научной конференции МФТИ. М., 2003. Ч.VIII, С.1.
9. Stoffels W.W., Stoffels E., Swinkels G.H.P.M., Boufnichil M. Etching a single micrometer-size particle in a plasma // Phys. Rev. E. 1999. V.59. P.2302.
10. Fortov V. E., Nefedov A. P., Molotkov V. I., Poustylnik M. Y. and Torchinsky V.
M. Dependence of the Dust-Particle Charge on Its Size in a Glow-Discharge Plasma // Phys. Rev. Lett. 2001. V. 87. P. 205002.1-205002.4.
11. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 с.
12. Козлов О. В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969. 292 с.
13. Sato N. Spinning motion of fine particles in plasmas // AIP Conference Proceedings.
New York: AIP, 2005. V. 799. P. 97-104.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Karasev V.Yu., Dzlieva E.S., Ivanov A.Yu., EikhvalТd A.I., Golubev M.S., Ermolenko M.A. Single dust-particle rotation in glow-discharge plasma // Phys. Rev. E. 2009. V.79.
P.026406.
2. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu., EikhvalТd, A. I. Golubev M.S., Ermolenko M.A., Macrospin of the dusty particle // Plasma and Fusion Research Series.
2009. V.8. P.312-315.
3. Карасев В.Ю., Эйхвальд А.И., Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А. Сепарация полидисперсных пылевых частиц в тлеющем разряде // Вестник СПбГУ. Серия 4.
2009. В.1. С.140-144.
4. Карасев В.Ю., Дзлиева Е.С., Голубев М.С., Ермоленко М.А., Эйхвальд А.И.
Детектирование вращательного движения полых прозрачных микросфер, помещенных в низкотемпературную плазму // Вестник СПбГУ, Серия 4. 2008. № 4.
С. 115-118.
5. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., EikhvalТd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M. S.
Observation of Rotational Motion of Single Dusty Particle // AIP Conf. Proc. 2008. V.
1041. P. 247-250.
6. V.Yu. Karasev, E. S. Dzlieva, A. I. EikhvalТd, A. Yu. Ivanov, Ermolenko M. A., Golubev M. S. Magnetic tops in dusty plasmas // Contr. Plasma Phys. 2011. V.51. №6.
P.509-513.
7. Карасев В.Ю., Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А. Пылевые волчки в слабом магнитном поле // Вестник СПбГУ, Серия 4, В.3. 2011. C. 103-105.
8. Иванов А.Ю., Голубев М.С., Дзлиева Е.С., Ермоленко., М.А.. Методы исследования пылевого облака // Ученые записки Петрозаводского университета.
Естественные и технические науки, 2010. №2 (107). С.83-85.
9. Голубев М.С., Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А., Иванов А.Ю., Карасев В.Ю.
Управление плазменными структурами и отдельными частицами в газовых разрядах // Ученые записки Петрозаводского университета. Естественные и технические науки, 2009. №. 11 (105). С. 95-103.
10. Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А., Карасев В.Ю. Определение размеров левитирующих частиц в пылевой плазме в тлеющем разряде // ЖТФ 2012. Т.82.
№1. С.147-150.
11. V.Yu. Karasev, E.S.Dzlieva, M.A.Ermolenko, A.Yu.Ivanov, M.S.Golubev Properties of different size particle structures formed in a stratum under the action of a magnetic field // Ukr. J Phys. 2011. V.56. №12. P. 1281-1284.
12. E.S.Dzlieva, M.A.Ermolenko, M.S.Golubev, A.Yu.Ivanov, V.Yu. Karasev. Selfrotational dynamics of dust grains in a magnetic field // Ukr. J Phys. 2011. V.56. №12. P.
1270-1272.
13. Dzlieva E. S., Karasev V. Yu., ikhvalТd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M. S.
Polidisperse dust particles separation in glow discharge // Intern. Conf. PPPT-V. Minsk, 2006. V. II. P. 435Ц438.
14. Ермоленко М.А., Карасев В.Ю. и др. Сепарация и левитация полидисперсных частиц. // Физика и прогресс, конференция студентов и молодых ученых, СПбГУ, 2015. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ermolenko M. A.. Macrospin of the dust granule // in Proceedings ICPP 2008, Fukuoka, Japan, Sept. 7 - 12. 2008.
16. Павлов С. А., Дзлиева Е. С., Карасёв В. Ю., Ермоленко М. А. Исследование свойств стратифицированного разряда с помощью отдельных пылевых частиц // Мат. конф. ОМИП-2009. М.: МЭИ, 2009. C. 100-103.
17. Karasev V.Yu., Dzlieva E. S., Ermolenko M.A., Ivanov A. Yu., Golubev M.S.
Magnetic tops in dusty plasmas // PNP-13, 2009. P.70.
18. Karasev V.Yu., Dzlieva E.S., Ermolenko M.A., Golubev M.S., Ivanov A.Yu.
Behavior of different size particle structures formed in stratum under magnetic field affection // DPA, Odessa, 2010, Book of Abstracts, P.28.
19. Dzlieva E.S., Ermolenko M.A., Golubev M.S., Ivanov A.Yu. Dust grains self rotation in magnetic field // DPA, Odessa, 2010, Book of Abstracts, P.15.
20. Dzlieva E.S., Ermolenko M.A., Golubev M.S., Ivanov A.Yu., Karasev V.Yu. Dust grains self rotation in magnetic field // DPA, Odessa, 2010. P.37-39.
21. Karasev V.Yu., Dzlieva E.S., Ermolenko M.AGolubev., M.S. Behavior of different size particle structures formed in stratum under magnetic field affection // in Proceedings 3nd International Conference DPA, Odessa, 2010. P.56-59.
22. Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А., Карасев В.Ю. Создание объемных плазменнопылевых образований в тлеющем разряде над нижней стенкой разрядной камеры // ФНТП-2011. Т.2. C.201-204.