Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ На правах рукописи
Карасев Виктор Юрьевич
МАГНИТНЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ В ПЫЛЕВЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ И В ГАЗОВОМ РАЗРЯДЕ
Специальность: 01.04.08 - физика плазмы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург 2010
Работа выполнена на кафедре общей физики I физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.
Научный консультант - доктор физико-математических наук, профессор Машек Игорь Чеславович
Официальные оппоненты:
чл. корр. РАН, доктор физико-математических наук, профессор Петров Олег Федорович доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Майоров Сергей Алексеевич доктор технических наук, профессор Немец Валерий Михайлович
Ведущая организация: Физико-технический институт РАН им. А.Ф.Иоффе
Защита диссертации состоится л 2010г. в час. на заседании диссертационного совета Д 212.232.45 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук 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 2010г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук Ионих Ю.З.
Общие сведения и актуальность. После получения в экспериментах в 1994г. упорядоченных образований в пылевой плазме [1,2], называемых плазменно-пылевыми структурами или плазменными кристаллами, в последующие 10 лет число научных публикаций по данной тематике росло по экспоненциальному закону. Сегодня физика комплексной (пылевой) плазмы является достаточно новой и бурно развивающейся областью знаний. В мире существует несколько десятков ведущих научных групп, проводятся тематические конференции. Тематика исследований простирается от астрофизических объектов, до технологических приложений в субмикронном и наноразмерном диапазонах в энергетике, но основными являются фронтальные фундаментальные исследования. В ряде работ отмечается влияние пылевой компоненты на свойства газового разряда, работу технологических процессов и энергетических установок. Роль комплексной плазмы в современной физике показана в обзорах и монографиях, например [3,4]. Находящиеся в плазме заряженные пылевые гранулы являются телами конечных размеров. Их заряды могут быть велики, до миллиона элементарных. Для поддержания стационарного заряда пылинок, на их поверхность идет непрерывный поток плазменных частиц, действие потока сравнимо с действием электрических полей. Следствием этой физической причины является сильная диссипативность пылевой подсистемы, способность к самоорганизации. Взаимодействие между пылевыми частицами происходит на расстояниях, превышающих обычную длину экранирования.
Теоретически поиск механизмов притяжения между одноименно заряженными гранулами ведется и как следствие нелинейности экранировки, и как следствие результата воздействия коллективных потоков [3,4]. Именно экспериментальные исследования могут подтверждать адекватность предлагаемых моделей.
Актуальность тематики увеличивается в связи с тем, что комплексная плазма является не собственно плазмой, а междисциплинарной областью, объединяющей физику плазмы, оптику, физику твердого тела, кристаллов, статистическую физику, астрофизику и др. разделы.
Изучение самоорганизованных структур именно в пылевой плазме наиболее удобно. Сами гранулы в этих условиях, как правило, имеют размер в несколько микрометров и эффективно рассеивают свет, межчастичное расстояние в формируемых ими структурах составляет доли миллиметров, внешняя среда - газоразрядная плазма - является прозрачной. Все это позволяет вести наблюдения на кинетическом уровне непосредственно в оптическом диапазоне.
Структуру объемных пылевых образований можно исследовать, например, сканируя их сечения лазерным ножом, толщину которого можно уменьшить до десятой миллиметра, т.е. менее межчастичного расстояния.
Представленное исследование пылевой плазмы в тлеющем разряде в магнитном поле начиналось на кафедре Общей физики I физического факультета СПбГУ как логическое продолжение исследования магнитомеханического эффекта в газовом разряде, инициированного М.П. Чайкой в 1992-2000г.
Отметим, что некоторые из представляемых результатов и по магнитомеханическому эффекту, и по пылевой плазме, в настоящее время обсуждаются в периодике и воспроизведены в работах других авторов, что дополнительно говорит о логической связи между различными направлениями содержащихся в работе исследований, об их актуальности и востребованности.
Цель работы. Целью работы являлось получение новых знаний о пылевых структурах и тлеющем разряде, и развитие новых методов исследований с применением внешних воздействий. Это изучение механического состояния и поведения плазменно-пылевых образований, сформированных в тлеющем разряде под воздействием наложенного продольного магнитного поля, а также уединенных микро и мезо тел, исследование структурного состояния пылевых образований и его изменения под воздействием магнитного поля и других внешних воздействий. Изучение особенностей формирования пылевых структур в тлеющем разряде при применении различных порошков по дисперсности и фактору формы. Определение роли нейтрального газа разряда в механических процессах в продольном магнитном поле.
Научная новизна.
o В работе впервые проведены исследования пылевых структур, сформированных в тлеющем разряде при наложении магнитного поля, обнаружено явление вращения.
o Впервые обнаружено изменение направления угловой скорости вращения структуры при изменении только абсолютной величины индукции продольного магнитного поля.
o Впервые зарегистрирован процесс разупорядочивания пылевой структуры под воздействием магнитного поля.
o Впервые обнаружены участки повышенной упорядоченности внутри объемных пылевых структур, сформированных в тлеющем разряде.
o Впервые наблюден эффект сепарации пылевых частиц разрядом, как по дисперсности, так и по фактору формы.
o Впервые созданы пылевые образования сложной формы в вертикальном направлении, содержащие несколько структур.
o Впервые зарегистрировано влияние внешних воздействий на тип расположения частиц и их плотность внутри пылевой структуры.
o Впервые произведено измерение радиального распределения плотности газа разряда в продольном магнитном поле.
o Впервые обнаружен максимум на зависимости момента сил от магнитного поля в магнитомеханическом эффекте в газовом разряде.
o Усовершенствован метод определения направленного движения атомов применением излучения стабилизированного лазера в качестве репера.
Практическая ценность работы.
o В результате проведенных исследований получены новые знания о пылевой плазме, в частности, о состоянии пылевых структур в магнитном поле.
Экспериментальные результаты уже сегодня используются для развития физики комплексной и газоразрядной плазмы при наличии пылевой компоненты.
o Изученные особенности формирования пылевых структур и левитации пылевых гранул в тлеющем разряде используются для конструирования структур с требуемой формой, размерами и свойствами, а также могут быть применены для контроля размеров частиц и управления в технологических процессах, в промышленных и энергетических установках.
o Обнаруженное изменение расположения частиц под действием магнитного поля позволяет использовать магнитное поле как параметр, регулирующий порядок структуры и могущий стимулировать фазовые переходы в экспериментах.
o Показана возможность получения высокоупорядоченных объемных пылевых структур в стратах в тлеющем разряде, что позволяет использовать данный объект как модель для изучения фазовых состояний и переходов, и процессов самоорганизации.
o Обнаруженные структурные, механические, в том числе упругие и пластические, свойства пылевых структур уже используются в учебном процессе, в специализированных и общих курсах физики.
o Полученные экспериментальные результаты необходимы для выяснения природы магнитомеханического эффекта в газовом разряде.
o Полученные данные о свойствах тлеющего разряда в магнитном поле представляют ценность для развития физики газоразрядной плазмы.
o Особая практическая ценность работы в том, что она выполнена на стыке ряда дисциплин - физики плазмы, оптики, физики кристаллов, дисперсных систем, фазовых преобразований.
o Усовершенствован экспериментальный метод регистрации направленного движения атомов по доплеровскому сдвигу частоты с помощью применения излучения стабилизированного лазера в качестве репера. Созданная установка может быть применена для измерения гиромагнитных отношений с высокой точностью.
Объект и метод исследования. Объектом исследования являлись отдельные тела и объемные пылевые структуры, находящиеся в тлеющем разряде. Основным методом служило экспериментальное исследование, наблюдение объекта в тлеющем разряде при наложении внешних воздействий.
Положения, выносимые на защиту 1. Явление вращательного движения объемных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде, в продольном магнитном поле.
2. Сложный характер зависимости угловой скорости вращения пылевых структур от магнитного поля, имеющей градиенты и изменение знака.
Существование различных механизмов вращательного движения пылевой структуры в страте в разных диапазонах магнитного поля.
3. Эффект воздействия магнитного поля на степень упорядоченности пылевой структуры, плавление пылевого кристалла под воздействием магнитного поля.
4. Сепарация пылевых гранул в тлеющем разряде по размеру и фактору формы, создание структур сложной формы и управление ими.
5. Обнаружение поликристаллической структуры горизонтальных сечений объемных упорядоченных пылевых образований.
6. Существование в пылевой структуре нескольких типов объемной упаковки частиц (гранецентрированной, тетрагональной и гексагональной).
7. Отсутствие направленного вращательного движения нейтрального газа разряда, ранее зарегистрированного в условиях магнитомеханического эффекта.
8. Наличие максимума на зависимости момента сил от магнитного поля в магнитомеханическом эффекте.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре по атомной спектроскопии (Черноголовка 1993), на конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП (Петрозаводск 1995, 1998, 2001, 2004, 2007), на семинаре по лазерной аналитике (С-Петербург 2000), школах и симпозиуме молодых ученых (Петрозаводск 2002, 2005, 2009), на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям ФППТ (Минск 1997, 2000, 2003, 2006, 2009), на конференции по оптическим методам исследования потоков ОМИП (Москва 2003, 2005, 2007, 2009); на международном симпозиуме по физике плазмы ICPP (2006, 2008); на международной конференции по физике пылевой плазмы и процессов горения (Одесса 2007); на международной конференции по неидеальной плазме PNP-(Черноголовка 2009); представлялись на международной конференции по физике пылевой плазмы PCPDP-5 (2008) и конференции ICOPS (Karlsruhe 2008), а также докладывались и обсуждались на семинарах в Петрозаводском государственном университете (1998, 2005) и на заседаниях Кафедры Общей физики I физического факультета СПбГУ (1993 - 2010).
ичный вклад. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично, или при его непосредственном участии. В части исследований, связанных с изучением пылевой плазмы, постановка всех задач была сформулирована лично автором.
Публикации. Результаты работы опубликованы в ведущих научных журналах - Оптика и Спектроскопия, Вестник СПбГУ, ЖЭТФ, Phys. Rev. E, и др., всего 33 статьи, 23 из которых опубликованы в журналах из списка ВАК.
Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав, разделенных на параграфы, Введения, Заключения и Списка Литературы. Общий объем диссертации 331 страница, включая 144 рисунка и список цитированной литературы на 232 позициях.
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, отражен личный вклад диссертанта, описана апробация работы, логическая связь между главами диссертации, дана аннотация по главам и приведен список важнейших публикаций, отражающих основное содержание диссертации.
В Главе I содержится краткий обзор некоторых работ, касающихся экспериментов, выполненных с пылевыми структурами в стратах в тлеющем разряде, а также связанных с изучением динамики, в частности, силы ионного увлечения, и воздействий на пылевые частицы. В обсуждаемых публикациях подчеркнуты те аспекты, которые, по мнению автора, оказали влияние на настоящую работу.
Рис.1 Экспериментальная установка. 1Цтрубка;
2Цдиафрагма; 3Цстрата; 4 - левитирующие частицы; 5 - ССD камера; 6 - система, формирующая лазерный нож; 7Цфильтр; 8 - анод; 9 - катод; 10 - контейнер с порошком; - катушки; 12 - оптическое окно.
В Главе II описаны особенности формирования пылевых структур в представленных экспериментах. Даны постановка экспериментов, Рис.1, метод наблюдения, выбор и подготовка порошков, выбор разрядных условий для создания структур с требуемыми качествами. Также в главе содержится описание задачи по извлечению частиц непосредственно из разряда. Исследована сепарация частиц кремния по размеру и форме. Также описаны способы конструирования структур сложной формы, как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях и найденные способы их контроля.
Метод создания объемных пылевых структур в стратах следующий.
Разрядная трубка устанавливается вертикально катодом вниз. Внутрь помещается сужающая канал тока вставка (диафрагма), ее положение задает положение первой стоячей страты, т.е. пылевой ловушки, в удобном для наблюдения месте.
Контейнер с порошками, имеющий сетчатое дно, располагается в верхней части трубки. При его встряхивании пылинки падают и попадают в страту, где формируется плазменно-пылевое образование, Рис.1.
Стандартная визуализация [5], являющаяся сегодня основным способом наблюдения пылевых гранул в плазме, служила основным инструментом наблюдений в настоящей работе. Для освещения структур использовался расширенный пучок излучения лазера. Для визуализвции выбранного двумерного сечения структуры - горизонтального, либо вертикального - применялся лазерный модуль и цилиндрическая линза. В зависимости от геометрии наблюдения (и освещения) сбоку на расстояниях около 10 см, сверху от 40 до см, применялись стеклянные цилиндрические линзы с различным фокусным расстоянием. Основная часть экспериментального материала была получена посредством видеосъемки на аналоговую камеру телевизионного стандарта ПКС-754, связанную через плату захвата видеоизображения Flyvideo EZ с персональным компьютером. Камера располагалась перпендикулярно подсвеченному сечению структуры.
Используя разрядные трубки диаметром 1-3.5 см, рабочие газы - Ar, Ne, Hи их смеси, можно было добиваться существования резких стоячих страт в диапазоне токов и давлений 0.1 - 10 мА, 0.01 - 3 Торр. Область стабильной левитации пылевых структур была существенно меньше: 0.4 - 3 мА и 0.5 - 2.Торр. Откачка трубок производилась ртутным диффузионным насосом, или магниторазрядным.
Эксперименты проводились с несколькими видами пылевых частиц: с Al2O3 и кварцем различной дисперсности. Большая часть экспериментальных наблюдений была проведена с частицами ниобата лития LiNbO3 с плотностью 4.65 г/см3, форма частиц близка к сферической, размер - радиус частиц - от 0.5 до 2 мкм. В большинстве условий размер данных частиц, непосредственно формирующих структуры, был 0.5 мкм, что определялось по методу Стокса.
Частицы кварца имеют меньшую плотность и большую долю мелкой фракции, они подготавливались к использованию следующим образом. С помощью системы последовательных калиброванных сит от 200 до 60 мкм получалась фракция менее 60 мкм. Полученные частицы дополнительно фильтровались по времени осаждения в воде. Были приготовлены фракции с максимумом дисперсности 5, 20, 35 мкм.
При работе с полидисперсными частицами необходимо знать актуальный размер левитирующих частиц. Для этой цели была спроектирована камера, позволяющая извлекать частицы из разряда. Для количественных исследований были использованы частицы кварца, имеющие произвольную форму и сильно выраженный максимум дисперсности при 30 - 35 мкм. При рабочих условиях извлеченные частицы имеют характерный размер от 1 до 8 мкм, что существенно меньше, чем максимум дисперсности засыпного порошка. Это количественно свидетельствует о факте сепарации частиц по размерам. Распределение частиц не равномерное, имеются максимум при 5-6 мкм, а также менее выраженный максимум при 2-3 мкм. Существование двух максимумов связано с разной формой левитирующих частиц. Полученные размеры частиц согласуются с оценками баланса сил.
Создаваемые в магнитном поле структуры из полидисперсных порошков имеют сложные геометрические формы, поэтому практически важно знать условия формирования структур сложной формы. Были созданы и изучены условия формирования структур сложной формы в радиальном, аналогично [6], и продольном направлениях, а также протяженные структуры. Пример полученного пылевого образования и управления относительным размером каждой структуры показан на Рис.2. Кроме того, интерес представляет создание структуры сверхпротяженной. Она была сформирована в отсутствие видимой стратификации, ее длина 6 см. Дальнейшему росту продольного размера структуры препятствовал процесс разрыва структуры. Интерпретация эффекта связывается с действием ионного увлечения в цепочке частиц.
Таким образом, были изучены особенности формирования пылевых образований в тлеющем разряде, которые далее использовались для конструирования структур с необходимыми характеристиками.
а) б) Рис.2. Двойные структуры (вертикальные сечения), сформированные из более легких частиц вверху и более тяжелых внизу. Условия: частицы кварца с характерными размерами 5 и мкм, газ Ne, P = 0.7 Торр, i = 2 мА. Горизонтальный размер изображения а) 7.2 мм, б) 9.5 мм.
Глава III посвящена литературному обзору первых работ по исследованию пылевой плазмы в магнитном поле. Описана серия работ Н. Сато и др., университет г. Тохоку (Япония), устройства разрядных камер с разделенными электродами и наблюдения УвихрейФ пылевых структур в магнитном поле.
Описаны наблюдения Г. Морфилла и др., институт внеземной физики, г. Гархенг (Германия). Обсуждаются предложенные авторами интерпретации вращения.
Кроме того, обсуждаются эксперименты по наблюдению уединенных частиц в магнитном поле и представляются теоретические модели появления собственного вращательного движения пылевых частиц.
В первом типе установок [7] плазма генерировалась в соседних с пылевыми частицами областях камер и за счет диффузии попадала в область левитации частиц над специальным электродом, ниже которого мог располагаться дополнительный разряд. Из-за различного радиального размера электродов диффузия была не только продольной, но и радиальной. Независимым управлением потенциалами основной и дополнительной плазмы можно было контролировать и изменять радиальный профиль потенциала в области левитации частиц. В такого вида камерах, названных создающими диффузный разряд, в магнитном поле впервые наблюдалось вращение пылевых структур. В условиях:
газ Ar, давление 0.22 Tорр, ток основного разряда 0.5 мА вращение показывает постоянную угловую скорость, аналогично вращению твердого тела.
Направления вращения авторы r r назвали диамагнитным, как следует из Рис.3а, оно не совпадает с направлением E B дрейфа, который должен был существовать в r r данной установке, B. Также, данный рисунок показывает наличие продольного градиента скорости.
Второй тип камер создавал УразряднуюФ плазму. Характерной чертой камер был верхний электрод, разделенный на сегменты, его центральной частью был прозрачный диск, на который подавался потенциал VA. Подачей разной величины и полярности VA, до 30 Вольт, контролировался радиальный профиль потенциала в камере и радиальный профиль плазмы. Наиболее чувствительной зависимость угловой скорости вращения от магнитного поля оказалась к приложенному потенциалу VA, Рис.3б. Когда VA<0, вращение происходит в диамагнитном r r r r направлении B, в случае VA>0 вращение обратного направления B.
Вращение останавливается при малом отрицательном потенциале VA, в несколько вольт. Зависимость угловой скорости от В в малых магнитных полях показывает монотонное возрастание, в полях до 4 Тл был обнаружен максимум. Наблюдения также свидетельствуют о пороговом эффекте появления вращения. С единственной вертикальной цепочкой частиц оно не появляется, а при прочих равных параметрах разряда, при двух цепочках, появляется при В=1000 Гс, в то время как при трех цепочках при В=100 Гс. Интерпретацию авторы не приводили.
а б в Рис.3. а) Фотография первого наблюдения движения пылевых структур в магнитном поле. б) Угловая скорость в зависимости от потенциала при разных магнитных полях [7]. в) Пример угловой скорости на разных радиальных координатах при разном давлении [8].
В [8] пылевое образование создавалось в ВЧ разряде, было монослойным, размер частиц сравним с применяемыми в предыдущем обсуждении, почти 5 мкм в радиусе. Рабочим газом был Не при давлении 0.2-3.0 мБар. Магнитное поле было 140 Гс. На Рис.3в. представлены зависимости угловой скорости вращения от радиальной координаты, кривые на графиках получены при разном давлении.
Увеличение вкладываемой мощности, или уменьшение давления, постепенно вызывает дифференциальное вращение, а также изменение направления r r r r вращения, от случая B к случаю B (отрицательно на рисунке).
Неоднородное вращение на Рис.3в., (внутренняя область структуры разупорядочена, периферийная вращается с постоянной угловой скоростью) дала возможность оценить модуль сдвига G как 10-5 дин/см2, модуль упругости этого пылевого образования Е=10-5Ц10-6 дин/см2, на 5-6 порядков меньше, чем в коллоидных кристаллах.
В работе предложено объяснение вращению. Это результат действия силы увлечения, которое оказывают слабо замагниченные ионы при данном значении магнитного поля. Изменение направления вращения авторы связывают с изменением профиля радиального электрического поля под воздействием продольного магнитного. Для количественной оценки рассмотрено вращательное движение отдельной частицы, учтен баланс силы ионного увлечения и торможения о газ. Приведенные оценки согласуются с наблюдениями.
Интерпретация явления вращения также была дана в последующей работе Н. Сато с соавторами. Рассматривалась гидродинамическая модель движения ионов. Радиальное движение управляется двумя причинами: разностью потенциалов на сегментном электроде и радиальным градиентом концентрации, если VA равно нулю. Переданный ионами импульс для средней в сечении частицы и скомпенсированный трением о газ, дает численное значение скорости вращения, согласующееся с наблюдаемой. Еще одна работа, выполненная с двумерными кластерами, частично согласуется с уже описанными наблюдениями. В частности, зарегистрировано появление вращения как порогового эффекта от числа частиц. Авторы подчеркивают, что далеко не все особенности вращения структур в магнитном поле поняты и объяснены в изложенных выше интерпретациях.
В главе также обсуждается эффект вращения отдельных частиц вокруг их собственной оси. В магнитном поле число вращающихся частиц увеличивается, частицы ориентируются векторами угловой скорости против вектора магнитного поля. Обсуждаются модели собственного вращения.
Таким образом, описанные первые литературные работы по исследованию пылевой плазмы в магнитном поле показали ряд закономерностей, изучение которых представляет новую важную задачу по исследованию динамики пылевых структур, только ряд общих для разных экспериментов эффектов нашел интерпретацию.
Глава IV содержит результаты исследования поведения пылевых структур в тлеющем разряде в магнитном поле, обнаружение вращательного движения.
Описаны эффекты обращения угловой скорости структуры при увеличении магнитного поля в области B0 порядка 150 - 250 Гс, существования градиентов угловой скорости. Представлено изменение формы пылевой структуры в магнитном поле. Показано проявление неоднородного вращения в верхней и нижней частях структуры - эффектов сдвиговой деформации и плавления структуры, инициируемого сдвигом.
Явление вращательного движения объемных пылевых структур в тлеющем разряде было обнаружено нами в первых экспериментах в 2001г. Вращение было зарегистрировано у кольцевых структур, формируемых над диафрагмой, и у формируемых в стратах. У структур над вставкой угловая скорость сонаправлена с магнитным полем. Величина ее в Ar при токах 1 - 6 mA, давлениях 0.1 - 0.Торр и магнитных полях до 400 Гс была до 6 рад/c. При этом происходило существенное изменение формы структуры в магнитном поле, Рис.4а. С ростом тока угловая скорость растет.
В стратах исследовалась радиальная зависимость угловой скорости. Были произведены наблюдения в водороде, когда страта существенно уплощается и структура радиально расширяется, Рис. 4б. В зависимости от силы тока, угловая скорость либо спадала, либо оставалась постоянной.
Кроме того, было применено воздействие для смещения структуры с оси разряда посредством силы не электрической природы - составляющей силы тяжести, возникающей при наклоне разрядной трубки вместе с соленоидами.
Результат показал эффект прекращения вращения, начиная с некоторого угла наклона, около 6.
Было проведено детальное исследование угловой скорости в объеме структуры. Исследования проводились в Ne с двумя типами частиц, с кварцем при трех давлениях 0.3, 0.6, 1.3 Торр, с ниобатом лития при 0.7 Торр и токе 2.мА. Результаты оказались подобными, поэтому представим только последние.
Подготовленная структура была не высокоупорядоченной, так что в магнитном поле могли проявляться неоднородности вращения.
а) б) Рис.4. а) Структура, сформированной над сужением разрядной трубки, газ Ar, частицы: Al2O3.
Вращение структуры в форме кольца радиуса 7 мм, магнитное поле 100 Гс, ток 3 мА. б) Вращение пылевой структуры, состоящей из частиц кварца в магнитном поле. Представлено сечение верхней части структуры. Показаны положения частиц в 16 кадрах с интервалом 0.4 с.
Условия в разряде: газ водород, давление Р = 0.5 Торр, разрядный ток i = 1.5мА, магнитное поле 200 Гс. Стрелками указаны направление вращения и магнитного поля. Съемка под углом 25 к горизонтали.
а) б) Рис.5. а) Типичное изображение вертикального сечения структуры. Размер изображения по вертикали 6.2 мм. Цифрами указаны выделенные сечения. Условия: Ne при давлении 0.7 Торр, разрядный ток 2.5 мА, частицы LiNbO3. б) Зависимость угловой скорости частиц ниобата лития от радиальной координаты. (значения угловой скорости рассчитаны для всех частиц сечения).
Условия: газ - Ne, Р = 0.7 Торр, i = 2.4 мА, магнитное поле 320 Гс. Одно из нижних сечений структуры.
Эксперимент проводился следующим образом. После инжекции частицы попадали в страту и образовывали структуру. При наложении магнитного поля и постепенном его увеличении страта и структура в ней изменялись - сокращались в продольном направлении. При каждом значении магнитного поля выделялось несколько горизонтальных сечений структуры, производилась их видеозапись длительностью до 4 секунд (до 100 кадров). Рис.5. дает представление о геометрии структуры и выбираемых сечениях.
Угловые скорости вращения частиц в каждом горизонтальном сечении определялись как отношение их линейных скоростей к радиусам вращения. Для определения угловой скорости линейная скорость и радиус орбиты, по которой движется частица, усреднялись. Погрешность величины складывается из погрешности позиционирования частицы на видеокадре и погрешности определения центра вращения. Погрешность определения положения частицы не превышает 0.1 мм.
Рис.6. Зависимость средней угловой скорости сечений пылевой структуры от магнитного поля. - верхнее сечение; - нижнее сечение.
Условия: Ne, Р = 0.Торр, i = 2.5 мА.
Сечения соответствуют выделенным на Рис. 5а.
Для характеристики сечения как целого внутри него угловые скорости частиц усреднялись. Полученная величина для сечения обозначена <>. Она представляет собой значение угловой скорости сечения, усредненное как по времени наблюдения, так и по всем частицам.
График зависимости <>(В) представлен на Рис.6. В качестве положительной выбрана угловая скорость, сонаправленная с вектором индукции магнитного поля. В слабых магнитных полях наблюдается вращение структуры с отрицательной угловой скоростью, порядка 0.2 - 0.3 рад/с. При достижении магнитным полем величины В0=135 Гс вращение останавливается. В полях больших В0 угловая скорость вращения структуры становится положительной, дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к ее росту. Сканирование по высоте структуры показывает, что градиент средней угловой скорости сечений направлен вверх при В< В0 и вниз при В> В0.
Средняя угловая скорость структуры измерялась в магнитных полях в пределах от 0 до 380 Гс. Отклонение точки на графике при В=325 Гс для верхнего сечения является результатом смещения верхней части структуры с оси разрядной трубки и вследствие этого замедления вращения.
При измерениях угловой скорости вращения проводился контроль сбоку положения структуры в страте и ее формы. Фотографировались диаметральные сечения, Рис.7, а также не диаметральные, показывающие неоднородность вращательного движения структуры, Рис. 8а и Рис. 9а.
а) б) в) г) Рис.7. Изменение формы структуры в вертикальном сечении в зависимости от магнитного поля, а) - в) соответствуют 0; 340; 400 Гс при i = 2 мА, горизонтальный размер 17 мм;. Р = 0.Торр. г) деформация профиля объемной пылевой структуры в динамике при увеличении магнитного поля. Нижняя граница существенно вогнута, число частиц уменьшается, их выпадение из страты происходит только в периферийных зонах.
а) б) Рис.8. а) Вертикальное сечение вращающейся структуры в магнитном поле В=135 Гс (В < B0), стрелкой указано направление движения слоя. Условия: газ Ne, Р=0.7 Торр, ток i= 1.7 мА.
Вертикальный размер изображения 2.8 мм, толщина слоя подсветки 1 мм. б) поясняющая схема для деформации сдвига в визуализуемой плоскости.
а) б) Рис.9. а) Вертикальное сечение структуры вращающейся в магнитном поле. Вращение не однородное, направление вращения указано стрелкой, В=300 Гс. Вертикальный размер изображения 2.8 мм, толщина подсветки 1 мм. Условия: Ne, Р=0.7 Торр, i=1.7 мА. Обведенная область демонстрирует плавление, вызванное неоднородностью вращения, цепочки частиц разорваны. б) зависимость линейной скорости вращения частиц от вертикальной координаты.
Вставка показывает вертикальный градиент скорости.
Влияние магнитного поля должно заключаться в следующем. Во-первых, в увеличении силы термофореза, т.к. увеличение радиального перепада температуры будет происходить из-за уменьшения радиальных коэффициентов переноса. Визуальное сравнение фотографий при увеличении тока показало наличие другого характера изменений формы. Во-вторых, в изменении радиального распределения плазменных частиц и, как следствие, профиля радиального электрического поля. К настоящему времени систематические исследования стратифицированного разряда в магнитном поле отсутствуют, но согласно исследованиям однородного положительного столба, в магнитном поле существенно меняется как радиальное, так и аксиальное распределение потенциала, его влияние на динамику структур в магнитном поле нужно учитывать. Особенно существенно при наложении магнитного поля меняется нижняя граница структуры (от выпуклого профиля к вогнутому). Наглядно обнаруженное явление проявляется при больших токах и максимально возможном в наших условиях магнитном поле. При поле около 400 Гс в центре также образуется пустота. Надо заметить, что число частиц в больших полях уменьшается, причем падают они по искривленным траекториям, не на оси разряда, Рис.7г.
Последним результатом главы является наблюдение сдвиговой деформации структуры и ее плавление при неоднородном вращательном движении, что показано на Рис.8, 9 с пояснением в подписях и рисунках.
Основным выводом по Главе IV является обнаружение нового явления - вращения пылевого образования в страте в магнитном поле. Такой сложной динамики пылевых структур в литературе не описано. Существование градиента угловой скорости и перемена его направления дают возможность исследовать механизм обнаруженного явления.
В Главе V описаны дополнительные опыты, направленные на изучение механизма вращательного движения: наблюдение процесса возникновения вращения в структуре жидкостно-подобного типа при магнитных полях менее и более чем B0, применение двойного воздействия на структуру в этом случае;
результаты зондирования пробными частицами пространства разряда вблизи области формирования структуры в головной части страты как при наличии структуры, так и при ее отсутствии. Кроме того, представлена интерпретация вращательного движения, даны элементарные оценки и сравнение с недавними работами.
После анализа экспериментов и литературных данных, для объяснения вращательного движения пылевых структур в стратах была принята гипотеза увлечения частиц ионным потоком. Рассмотрим однослойную структуру, равномерно вращающуюся вокруг своей оси симметрии с угловой скоростью .
Момент сил, раскручивающий структуру, должен быть уравновешен моментом сил трения. Из внешних азимутальных сил, действующих на структуру, Fid FNd присутствуют только - сила ионного увлечения и - сила сопротивления о нейтральный газ.
=, rFid rFNd суммирование нужно проводить по всем частицам структуры. Для простоты будем рассматривать частицу, расположенную на среднем радиусе структуры rср.
Fid Точный расчет для момента встречает трудности, поскольку радиальное распределение параметров, от которых зависит сила увлечения, в области, где находится структура, неизвестно, поэтому силу ионного увлечения оценим двумя способами. Во-первых, по теоретической модели. Представим ее в виде Fid = kivi, где vi - азимутальная составляющая скорости потока ионов.
Коэффициент ki зависит от концентрации ионов ni, заряда пылевой частицы Ze, величины vTi. Полагая ni = 1015м-3, mi = 210-26 кг, vTi 103 м/с, получаем значение коэффициента ki порядка 510-15 кг/с. Помимо теоретической, для коэффициента пропорциональности ki была использована экспериментальная оценка на основе литературных данных, она дала для ki величину того же порядка.
Сила сопротивления пропорциональна скорости частицы ud относительно окружающего газа FNd = kNud, где kN - константа, которую определили экспериментально. Наблюдались падающие частицы без включения разряда.
Частицы имели установившуюся вертикальную скорость, kN = mdg/ud, тогда kN = 10-12 кг/с. Для структуры размера 0.5 см при угловой скорости 1 рад/с сила сопротивления FNd 10-15 Н.
Fid FNd Подставив в уравнение силу и, получим, что к вращению пылевой структуры с угловой скоростью = 1 рад/с может привести поток ионов, имеющий азимутальную составляющую скорости vi = 0.5 м/с.
Радиальная и азимутальная составляющие скорости потока ионов vir и vi связаны между собой выражением:
vi vir = ii, i - время между столкновениями ионов с атомами газа, i - циклотронная частота ионов. Для наших условий ii 0,01; тогда для скорости vir получаем vir = 50 м/с. Радиальный поток ионов с такой скоростью может быть вызван, например, радиальным электрическим полем Еr. Используя выражение vir = bi Еr, где bi = 0.3 м2/(сВ) - подвижность ионов, получаем оценку величину Еr порядка 1 В/см, что является правдоподобным для центральной области разряда. Таким образом, полученные численные оценки не противоречат принятой гипотезе.
Изменение направления и градиент угловой скорости вращения указывает на то, что в разных случаях вращение вызвано разными механизмами. В случае, когда вращение структуры происходит с отрицательной угловой скоростью, радиальный поток ионов, вероятно, должен быть направлен от оси трубки (или из структуры) на стенку. Вращение структуры с положительной угловой скоростью нужно связать с радиальным потоком, направленным на структуру.
Для выяснения причин, которые могут приводить к возникновению радиальных ионных потоков и их изменению в магнитном поле, были проведены дополнительные эксперименты. Мы вводим малые магнитные поля как В
В первом дополнительном эксперименте изучалась динамика возникновения вращения в малых и больших магнитных полях. В первом случае, согласно сделанному предположению, направление вращения связано с ионными потоками, направленными на стенку трубки. Возможны две причины возникновения потока в этом направлении. Одна связана с амбиполярным полем разряда, другая - с присутствием пылевой структуры в страте. Чтобы оценить роль этих двух причин, был поставлен опыт с целью определить, в каком месте горизонтального сечения разрядной трубки начинает действовать механизм, приводящий пылевую структуру во вращение. В эксперименте был применен эффект остановки вращения при ее смещении с оси трубки. Вращающаяся структура смещалась с оси, вращение прекращалось.
Далее, при ее возвращении в ней начинают образовываться вихри, Рис.10а. и подпись к нему. Раскручивание частиц в вихрях происходит за время порядка нескольких секунд. Вихри возникают в центральной части структуры. Во втором случае, В>B0, возникновение вращения пылевой структуры начинается с ее периферийных слоев, Рис.10б.
а) б) Рис. 10. Возникновение вращательного движения в пылевой структуре, смещенной с оси разряда. а) Случай малого магнитного поля. Частицы - ниобат лития. Условия: газ Ne, давление Р = 0.7 Торр, В=110 Гс, разрядный ток i = 2.5 мА. Вид сверху, подсветка горизонтальной плоскостью толщиной 2 мм. Магнитное поле направлено вверх. Крестом указано положение центра сечения трубки, стрелка указывает направление вращения. Размер кадра по горизонтали 18 мм. Наложено 15 последовательных кадров. В средней части сечения структуры образуется вихрь, вращение в котором происходит по часовой стрелке. б) Случай большого магнитного поля. В = 380 Гс. Размер кадра по горизонтали 9 мм. Наложено последовательных кадров. На периферии структуры существует движение частиц против часовой стрелки.
Из наблюдений по смещению структуры с оси симметрии в слабых магнитных полях можно сделать следующий вывод. Если вращение структуры связано с радиальными ионными потоками, направленными к стенке трубки, то эти потоки, вероятно, возникают в самой пылевой структуре. В самом деле, плазменно-пылевая структура при некоторых условиях может приводить к возникновению потока, направленному изнутри нее. Пылевые частицы, образующие структуру, имеют большой отрицательный заряд (величина оценена как 104 элементарных). Если их концентрация достаточно велика, то электроны в области существования структуры будут гибнуть на поверхности частиц (а не за счет диффузионного ухода на стенку трубки). Для сохранения квазинейтральности плазмы внутри пылевой структуры должна возрасти частота ионизации (возможность этого осуждалась в [5]). В этом случае радиальный ионный поток, возникающий из-за градиента концентрации, направлен из внутренних областей структуры к периферии. Оценим величину радиальной скорости, приобретаемой ионами вследствие диффузии. Из условия квазинейтральности следует, что ni = ne + Znd. Здесь nd = 3.71010м-3 - концентрация частиц в пылевой структуре согласно нашим измерениям. Заряд пылевой частицы и концентрация электронов оценены как Z 104, ne = 1015 м-3.
Концентрация ионов внутри облака ni = 51015 м-3. Скорость возникающего в этих условиях ионного потока Di dni vir =, ni dr где коэффициент диффузии ионов Di = 0.01 м2/с. Для пылевой структуры радиусом 4мм радиальная скорость ионного потока vir 10м/с. Это согласуется с произведенными выше оценками. При смещении структура останавливается.
Если бы на нее действовали потоки, вызванные амбиполярным полем разряда, она, вероятно, продолжала бы вращаться вокруг центра симметрии трубки.
Процесс возникновения вращения в больших магнитных полях показывает, что вращение начинается с периферийных слоев, т.е., здесь существует составляющая ионного потока, направленная к структуре.
а) б) в) Рис.11. а)Вертикальное сечение стратифицированного разряда с зондирующими пылевыми частицами. Наложено несколько последовательных кадров. Условия: Ne, Р = 0.7 Торр, i = 2.5 мА. Масштаб приведен на рисунке. б) то же, но при В=250 Гс. в) Схематическое представление областей в страте, где пробные частицы испытывают наибольшие радиальные и одновременно продольные ускорения. Заштрихованная область 1 - ускорения направлены к оси трубки и вверх, дважды заштрихованная область 2 - ускорения направлены к стенке трубки и вниз. Крестом обозначена наиболее яркая часть светящейся области страты.
Если этот поток вызван электрическим полем, то оно может проявиться в силовом действии на зондирующие пылевые частицы, что изучалось во втором дополнительном эксперименте. При зондировании страты пробными частицами, раздельно исследовались радиальные и азимутальные проекции движения, случаи большого и малого магнитного поля, и наличия или отсутствия структуры в страте. Система регистрации позволяла исследовать треки частиц, падающих со скоростью до 20 см/с. Размер зондируемой зоны зависит от условий, пример изображения траекторий частиц показан на Рис.11. Определялись координаты частиц, их скорости и ускорения. Погрешность ускорения оценена величиной 6 см/с2.
При изучении радиальных траекторий не было выявлено различий при отсутствии магнитного поля и в малых магнитных полях. В страте были обнаружены две пространственные области, в которых подающие частицы имеют ускорения. В первой - вверх и одновременно к оси трубки, и во второй - вниз и к стенке трубки. Области, построенные при обработке 4частиц, показаны на Рис.11в. Средние величины ускорений в них порядка см/с2 радиального, 25 см/с2 вертикального. В больших магнитных полях зондируемая область уменьшается в силу появления азимутального движения, значения ускорений уменьшаются, названные зоны остаются, но их положение меняется.
а) б) Рис.12. Схема горизонтальной проекции траектории пробной частицы в магнитном поле B а) б) Рис.13. а) То же, что на Рис.12, но при В>B0. б) Изображение наложенных кадров траекторий пробных частиц в магнитном поле В>B0, крестом обозначен центр трубки, азимутальные направления траекторий соответствуют случаю (а). Для частицы 1 последовательно наложено 9 кадров, линейная азимутальная скорость 6 мм/с, угловая скорость 1.2 рад/с. Магнитное поле направлено вверх. Качественные наблюдения азимутальных проекций траекторий, а также пример движения частиц, приведены на Рис.12,13. Примеры количественных результатов для двух значений магнитного поля приведены в таблице. Номер вертикального сечения 1-5 соответствует указанному на Рис.14, +/ - означают наличие/отсутствие структуры, структура находится в сечении 3. Азимутальное движение пробных частиц вызвано силой ионного Fid увлечения, существующей благодаря радиальной составляющей ионного потока, отклоняющегося в магнитном поле. При стационарной скорости в каждом Fid = FNd сечении для пробной частицы выполняется условие. Связь радиального электрического поля, управляющего амбиполярным потоком, с азимутальной скоростью пробной частицы можно представить выражением, аналогично рассмотрению, приведенному ранее kNv d Er =. kibiii Используя количественные измерения радиуса r и азимутальной скорости v =dr для каждого сечения можно определить не только области d существования ионных потоков, но и оценить радиальное электрическое поле, способное их вызвать. Оценки по приведенной формуле дают следующее. Например, в случае малого магнитного поля (120 Гс) в сечении 1 Er =3.3 В/cм (при r=9 мм), в сечении 5 Er =-0.8 В/cм (при r=7 мм). Минус соответствует обращению поля в этой области разряда. В случае большого магнитного поля (350 Гс) в сечении 1 Er =0.9 В/cм (при r=10 мм), в сечении 5 Er =-0.6 В/cм (при r=10 мм). Таблица 1. Рис.14 Условно выбранные подсвечиваемые сечения при наблюдении азимутальных траекторий зондирующих частиц в магнитном поле. Толщина каждого сечения 1 см. Плазменно-пылевой структуре в страте соответствует слой 3. Вероятно, области обращенного поля должны существовать и в отсутствии магнитного поля, при его увеличении они УподнимаютсяФ от сечения 5 до сечения 3. Это качественно согласуется с работами по двумерной теории страт. Как следует из литературы, в достаточно близких условиях в бегущих стратах без магнитного поля минимум радиального потенциала приходится не на ось разряда, а на координату r от 4 до 8 мм, обращенное поле можно оценить в 1 В/см. Следует сказать, что в наших условиях в пристеночном слое обращения поля не происходит. Это показали отдельные наблюдения с отклонением потока зондирующих частиц к стенке с помощью силы термофореза при охлаждении участка стенки трубки. С момента обнаружения вышеописанного эффекта в литературе появились, по крайней мере, 5 статей, где авторы ссылались, либо обсуждали представленные выше результаты. Две работы мы обсудим ниже. В [9] проведено независимое исследование динамики пылевых структур, сформированных в стратах, в магнитном поле до 2500 Гс, выполненное на установке, где магнитное поле создавалось сверхпроводящим магнитом. Авторы работали в водороде и неоне с частицами большего размера - 5.5 мкм. Результат измерения угловой скорости структуры качественно совпадает с обнаруженным в настоящей работе, но обращение скорости происходит поле 500 Гс. В качестве интерпретации дается действие силы ионного увлечения. Обращение вращения связывается с изменением направления радиального потока ионов, вызванного увеличением гибели плазменных частиц на пылевой структуре в магнитном поле. В [10] представлено альтернативное объяснение поведения пылевых структур в магнитном поле. Вращение структур объясняется прежде всего увлечением вращающимся нейтральным газом разряда, причиной чего служит ряд эффектов: неоднородность на анодном и катодном торцах соленоидов, петлевой электронный ток в страте, неоднородность разряда в области сужения канала тока, но также и силой ионного увлечения. Проведенный нами анализ причин и дополнительные наблюдения вращения радиально вытянутых структур и наблюдения отдельных частиц (Глава VII) по нашему мнению, не согласуется с гипотезой вращения нейтрального газа. Глава VI посвящена созданию и изучению пылевых образований высокой степени упорядоченности. Приведен литературный обзор данного направления и результаты исследований в стратах. Так, во-первых, описано обнаруженное влияние магнитного поля на упорядоченность пылевых образований, показано существование процесса плавления, аналогичного наблюдавшемуся в [1,2]. Во-вторых, созданы объемные пылевые структуры, содержащие порядка 6000 частиц, показано, что внутри их горизонтальных сечений существуют области с более высокой упорядоченностью, а также, что управление формой границы сечения задает внутреннее перераспределение частиц, аналогичное полиморфным преобразованиям в кристаллах. В-третьих, показано, что возможно реализовать воздействия, обладающие устойчивостью в отношении изменения позиций частиц - управлять их расположением. Кроме того, изучено расположение частиц внутри объемных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде. Исходя из экспериментальных находок, Глава IV, и из того, что работы по влиянию магнитного поля на упорядоченность пылевых структур отсутствуют была поставлена задача изучения фазового состояния пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде в магнитном поле. К видеоизображениям горизонтальных сечений структур, на которых изучалась динамика вращения, были применены используемые сегодня в пылевой плазме количественные оценки упорядоченности: трансляционная g(r) и ориентационная g6(r) корреляционные функции, а также соответствующие локальные параметры и 6. Результаты сравниваются с двумерной теорией плавления KTHNY, а также с феноменологической классификацией состояний [2] на основе экспериментальных наблюдений функций распределения скоростей, вязкости, коэффициента диффузии при плавлении структуры, вызванном уменьшением давления газа. Посторенние парных корреляционных функций для горизонтальных сечений в магнитных полях до 400 Гс, Рис.15, показало размывание 2-4 пиков, "дальнего порядка", аналогично [1,5] при увеличении энерговклада. Подход KTHNY оказался менее информативным, поскольку параметры степенной и экспоненциальной аппроксимации хотя и показывали уменьшение длины корреляции с ростом магнитного поля, но во всем диапазоне его изменения структура оставалась жидкостноподобной. Наиболее информативным оказался феноменологический подход, Рис. 16. В малых магнитных полях структура находится в состоянии жидкость-лед, а в больших - в беспорядочном. В магнитном поле около 100 Гс происходит переход между фазой жидкость-лёд и колебательной. Таким образом, с увеличением магнитного поля от 0 до 400 Гс в исследуемой структуре наблюдается фазовый переход типа плавления. в) а) Рис.15. Парная функция распределения частиц. a - в соответствуют магнитным полям: 0, 28, 380 Гс. Функция построена для верхнего (), нижнего ( ) и промежуточных (, )сечений. Условия: Р = 0.7 Торр, i = 2.мА, газ Ne, частицы LiNbO3. б) Магнитное поле применялось как внешнее воздействие для управления расположением частиц в структуре. Простым визуальным сравнением как триангуляции сечений, так и построенных корреляционных функций с модельными, было определено, что в сечениях расположение частиц распределено не равномерно. Установлено, что по отношению к воздействию магнитным полем не устойчивыми являются квадратное (в случае 2D) расположение частиц, а также линейные дефекты в объемных структурах. Кроме магнитного поля были применены другие воздействия - вариация тока, создание заданных температурных градиентов, столкновение отдельных структур. Они также показали, что квадратное расположение частиц не устойчиво, исследуемые структуры приобретали гексагональный порядок. На Рис.17 показано активное управление расположением частиц в структуре посредством температурных градиентов. Неоднородность расположения частиц была детально изучена в сечениях, содержащих 300 и более частиц. Более широкие структуры были сформированы при добавлении к инертному газу - Ne примеси водорода. Рис.18,19 показывают высокоупорядоченную структуру и ее анализ на основе корреляционных функций. Ориентационная карта демонстрирует внутреннюю неоднородность структуры, имеющиеся внутри сечения домены согласно всем существующим классификациям являются кристаллами. Вся структура представляет собой поликристалл. а),б) в) Рис.16. Локальная ориентационная функция g6(0) - а) и трансляционный параметр / - б) в зависимости от магнитного поля. На Рис.а) квадратами показана зависимость для нижнего сечения, треугольниками - для верхнего. Уменьшение ориентационного порядка происходит в области 160-200 Гс. На Рис.б) показан усредненный по структуре трансляционный параметр, меняющийся в магнитном поле. Погрешности обусловлены разбросом в разных сечениях. Во всем диапазоне изменения магнитного поля наблюдается постепенное уменьшение трансляционного порядка: функция / равномерно возрастает от 0.4 до 0.8. Для сравнения приведен рисунок в) из работы [2]. а б в) Рис.17. Управление расположением частиц посредством изменения формы границы структуры. С помощью термофоретического воздействия созданы элементы линейных границ с углами 60 - (а), 180 - (б) и 135 - (в). На рисунках (а) и (б) гексагональный тип кристаллической решетки, на рисунке (в) наблюдается УквадратныйФ (в 2D случае) тип. а) б) Рис. 18. 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 = 1.3 Торр, i = 0.9 мА. Горизонтальный размер изображения 7.7 мм. б) Карта, построенная на основании локального ориентационного параметра g6(0) для Рис. 18а. Светлые участки - гексагональные домены структуры. Также в главе содержатся результаты исследования объемного расположения частиц в структурах. Для определения координат применялся метод последовательного сканирования двумерных сечений структуры. Для анализа строились трехмерные парные корреляционные функции и сравнивались с модельными для идеальных кристаллов с учетом обнаруженной анизотропии. Среди основных результатов отметим, что для исследуемых структур из частиц ниобата лития при ряде давлений газа Ne в смеси различных пропорций с водородом, расположение частиц имело либо гранецентрированную модельную упаковку, либо единой упаковки не было - разные области были сравнимы с гексагональным и тетрагональным типом. Сравнение экспериментальных и модельных функций показано на Рис.20, 21. а) б) Рис.19. Корреляционные функции, построенные для структуры и для отдельного домена. а) g(r), построенная для структуры на Рис.18а. Точки - эксперимент, сплошная линия - аппроксимация. Вертикальные штрихи - g(r) идеальной гексагональной решетки. Величина = 0.32 мм. б) g6(r) для структуры (+) и для домена (). Сплошные линии 1,2 - степенная аппроксимация, штриховая линия 3 - экспоненциальная. в) g(r) для домена, аппроксимация со степенной огибающей. в) Рис. 20. Сравнение g(r) высокоупорядоченной структуры с функцией g*(r) модельной ромбической (модифицированной гранецентрированной fcc) решетки, координаты которой возмущены случайной величиной, распределенной по нормальному закону со средним отклонением в 3 % от величины межчастичного расстояния. Структура получена при условиях: газ Ne, давление Р = 0.Торр, ток I = 1 мА. Рис. 21. Сравнение g(r) для фрагмента структуры с g*(r) модельной решетки, координаты которой возмущены случайной величиной 3%. Точки и сплошная линия - g(r), темная заливка - возмущенные дельта функции тетрагональной (модифицированной кубической) решетки - g*(r). Условия создания структуры: газ неон с водородом в пропорции 2:1, давление Р = 1.2 Торр, I = 0.7 mA, частицы LiNbO3. Глава VII посвящена изучению магнитомеханического эффекта в газовом разряде и применению пылевых частиц для его диагностики. Приведены литературные сведения о двух сериях работ по наблюдению момента сил и исследованию вращения газа. Представлена серия работ, инициированных М.П. Чайкой: о влиянии радиального электрического поля и изменении распределения концентрации атомов положительного столба в магнитном поле; повторные измерения доплеровских сдвигов на атомах, не давшие положительного подтверждения; измерения момента сил, показавшие наличие максимума на зависимости от магнитного поля и верный знак эффекта. Также представлены эксперименты по определению возможного вращения газа, экспериментальные оценки, при применении падающих в разряде частиц в условиях существования магнитомеханического эффекта. Проведено сравнение с новыми литературными работами. Для объяснения возникновения максимума вращательного момента обсуждена аналогия с вращением пылевых частиц. а) б) Рис. 22. а) Схема установки для регистрации вращения нейтрального газа разряда по доплеровскому сдвигу частоты. 1 - лазер, 2 - полюса электромагнита, 3 - линза, 4 - интерферометр Фабри-Перо, 5 - поляризатор, 6 - диафрагма, 7 - спектрограф ДФС-3М, 8 - ФЭУ, 9 - осциллограф, 10 - ЭВМ. б) Фрагменты регистрограмм с записью контуров исследуемой спектральной линии Ar (696.5 нм) и излучения лазера (632.8 нм) без магнитного поля - вверху и в магнитном поле 300 Гс - внизу. Газ Ne, P=1 Topp, i=1 A, толщина интерферометра ФП 25 мм. Обозначены положения исследуемой линии по отношению к линии лазера. В работе [11] и др. был обнаружен эффект, названный магнитомеханическим, состоящий в следующем. В вертикальной газоразрядной трубке на кварцевой нити подвешивалась диэлектрическая пластинка, которая поворачивалась при наложении продольного магнитного поля. Для объяснения эффекта было выдвинуто предположение о том, что в магнитном поле приходит во вращение нейтральный газ, который закручивает подвес. Примерно в это же время, были опубликованы работы [12] и др., в которых сообщалось о непосредственной регистрации вращения нейтрального газа по измерению допплеровского сдвига атомных линий при наложении магнитного поля на положительный столб газового разряда. Измеренные скорости вращения оказались весьма велики, порядка тепловых - до 150 м/с. Вместе с тем, авторы [11,12] указывали, что объяснение вращения газа в этих условиях представляется затруднительным. Начиная с работы [13] был предпринят цикл исследований, направленных на объяснение эффекта. Были проведены эксперименты по косвенной и прямой проверке самого явления. Повтор измерений скоростей вращения по допплеровским сдвигам не подтвердил факта вращения газа разряда, Рис.22. С другой стороны, повторное измерение крутящего момента подтвердило эффект, но обнаружило другую зависимость от магнитного поля, Рис. 23а, и противоположный знак - момент сонаправлен с индукцией магнитного поля. а) б) Рис.23. а) Зависимость вращательного момента сил от индукции магнитного поля при давлениях в Ne при токе I=0.4 A: 1 - 0.37, 2 - 0.21, 3 - 0.07 Торр. б) Схема горизонтального сечения подвеса. 1, 2 - траектории плазменных частиц, попадающих на поверхность, боковая стенка подвеса 3 (изготовлена из слюды) наклеена на упругую нить 4. Дальнейшие исследования с применением пылевых частиц, выполненные по методике лазерной допплеровской анемометрии (а позднее посредством визуализации) также не подтвердили факта вращения газа в условиях, где регистрируется крутящий момент сил, Рис.24а, б а) б) Рис.24. Сигнал ЛДА, полученный в Ar при Р = 1 Торр, i = 50mA при измерении вертикальной скорости падающих частиц - (а) и азимутальной скорости в тех же условиях при В = 800 Гс - (б), отсутствие модуляции говорит об отсутствие проекции скорости. Таким образом, гипотеза вращающегося газа в наших исследованиях не подтвердилась. Появившиеся представления о процессах, происходящих в пылевой плазме, в частности, силе ионного увлечения и наблюдениях отдельных частиц, дают определенную аналогию процессов. Так, рассматривая потоки ионов на ассиметричную вытянутую частицу (подвес) в магнитном поле, Рис. 23б, можно понять причину появления у нее крутящего момента. В такой геометрии задачи вклад в эффект дают частицы, попадающие на торец подвеса. Наблюдаемые с достаточным оптическим разрешением отдельные пылевые частицы, имеющие асимметричную форму, в разряде вращаются и в отсутствие магнитного поля, Рис. 25. Для обсуждаемой интерпретации интерес представляет изменение угловой скорости их вращения, дополнительно появляющееся в магнитном поле, и его знак. Наблюдения с такими частицами, проведенные в магнитном поле до 400 Гс, показывают аналогию с поведением подвеса. Следующие фрагменты регистрации движения посредством фотографической развертки, Рис. 26, демонстрируют обсуждаемое изменение момента. При этом сферически симметричные частицы изменения величины угловой скорости не имеют. Таким образом, представляется, что причины поворота подвеса связаны с внутренними потоками плазмы на торцевые части подвеса в магнитном поле. a б Рис. 25. Примеры левитирующих отдельных частиц. a) - Левитирующая микросфера диамером 40 мкм при условиях: Ne, p = 0.2 Toрр, i = 1.5 mA.; б) частица в форме вытянутого эллипсоида вращения с осями 30 и 45 мкм. Интервал между снимками 0.13 с, Угловая скорость 5.5рад/с. a) б) Рис.26. Координатная развертка, демонстрирующая изменение угловой скорости несферической частицы в магнитном поле (a) 120 Гс, 320 рад/с; (б) 260 Гс, 470 рад/с. Условия: Ne, Р= 0.2 Toрр, i = 3 mA. Средний размер частицы 20 мкм. Время экспозиции 33 мс. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Настоящая работа представляет собой единое исследование новых явлений в пылевой газоразрядной плазме и в газовом разряде в магнитном поле. Основные результаты связаны с обнаружением явления вращательного движения объемных пылевых структур в магнитном поле и его изучением, исследованием структурного состояния пылевых формирований, их плавлением под действием магнитного поля, а также исследованием магнитомеханического эффекта и свойств разряда в условиях его существования, они перечислены ниже. o Обнаружено явление вращательного движения объемных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде, в продольном магнитном поле. o Установлен сложный характер зависимости угловой скорости вращения пылевых структур от магнитного поля. Существование продольного градиента угловой скорости и изменение знака скорости при некотором значении магнитного поля. Установлено существование различных механизмов вращательного движения пылевой структуры в страте в разных диапазонах магнитного поля. o Изучено воздействие магнитного поля на степень упорядоченности пылевой структуры. Обнаружен эффект плавления пылевого кристалла под воздействием магнитного поля по динамике корреляционных функций и локальных корреляционных параметров. Зарегистрирована сдвиговая деформация объемного пылевого образования. o Разработан метод извлечения левитирующих пылевых гранул из разряда. Установлено, что в разряде происходит сепарация частиц по размеру и фактору формы. На основе полученных данных созданы структуры сложной формы, разработаны методы управления ими. o Исследовано внутреннее расположение пылевых частиц в горизонтальных сечениях объемных упорядоченных пылевых образований. Обнаружена их поликристаллическая структура. o Применением метода послойного сканирования объемной пылевой структуры обнаружено существование нескольких типов упаковки частиц: гексагональной, тетрагональной и гранецентрированной. o Спектроскопическим методом, усовершенствованным в отношении определения положения линии с помощью применения лазерного излучения в качестве репера, установлено отсутствие направленного вращательного движения нейтрального газа разряда, ранее зарегистрированного в условиях магнитомеханического эффекта. o Установлена немонотонная зависимость момента сил от магнитного поля в магнитомеханическом эффекте в Ne и Ar. Положение максимума зависит от давления и сорта газа разряда. Цитируемая литература. 1. Chu J. H., Lin I. Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. P. 4009Ц4012. 2. Morfill G. E., Thomas H., Konopka U., Zuzic M. The plasma condensation: Liquid and crystalline plasmas // Physics of Plasmas. 1999. V. 6. P. 1769Ц1780. 3. Фортов В. Е., Храпак А. Г., Храпак С. А., Молотков В. И., Петров О. Ф. Пылевая плазма // УФН. 2004. Т. 174. № 5. C. 495-544. 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. Липаев А. М., Молотков В. И., Нефедов А. П., Петров О. Ф., Торчинский В. М., Фортов В. Е., Храпак А. Г., Храпак С. А. Упорядоченные структуры в неидеальной пылевой плазме тлеющего разряда // ЖЭТФ. 1997. Т. 112. № 6. С. 2030-2044. 6. Балабанов В. В., Василяк Л. М., Ветчинин С. П. Влияние градиента температуры газа на пылевые структуры в плазме тлеющего разряда // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. № 1. С. 99-106. 7. Sato N., Uchida G., Kaneko T., Shimizu S., Iizuka S. Dynamics of Fine Particles in magnetized plasmas // Physics of Plasmas. 2001. V. 8. № 5. P. 1786-1790. 8. Konopka U., Samsonov D., Ivlev A. V., Goree J., Steinberg V., Morfill G. E. Rigid and differential plasma rotation induced by magnetic fields // Phys. Rev. E. 2000. V. 61. № 2. P. 1890-1898. 9. Васильев М. М., Дьячков Л. Г., Антипов С. Н., Петров О. Ф., Фортов В. Е. Плазменно-пылевые структуры в магнитных полях в разряде постоянного тока // Письма в ЖЭТФ. 2007. Т. 86. № 6. С. 414-419. 10. Nedospasov A. V. Motion of plasma-dust structures and gas in magnetic field // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. 036401.1-036401.6. 11. Грановский В. Л., Уразаков Э. И. Вращательный магнито-механический эффект в плазме низкого давления // ЖЭТФ. 1960. Т. 38. № 4. С. 1354-1355. 12. Захарова В. М., Каган Ю. М., Перель В. И. Спектральное наблюдение вращения положительного столба разряда в магнитном поле //Опт. и Спектр. 1961. Т. 11. В. 6. С. 777-779. 13. Богданова И.П, Чайка М.П. Магнитное вращение плазмы низкого давления инертных газов // Опт. и Спектр. 1991. Т.71. В.2. С.248-252. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах. 1. Карасев В. Ю., Семенов Р. И., Чайка М. П. Радиальное электрическое поле в плазме положительного столба разряда низкого давления // Опт. и Спектр. 1995. Т. 78. № 3. С. 393-396. 2. Карасев В. Ю, Семенов Р. И., Чайка М. П. Трубчатый разряд в магнитном поле // Опт. и Спектр. 1995. Т. 78. № 4. С. 601-602. 3. Карасев В. Ю., Чайка М. П. Влияние магнито-механического эффекта на радиальное электрическое поле положительного столба разряда // Опт. и Спектр. 1996. Т. 80. № 2. С. 197-198. 4. Карасев В. Ю., Семенов Р. И., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Измерение радиального распределения плотности газа положительного столба разряда в магнитном поле // Опт. и Спектр. 1997. Т. 83. № 3. С. 369-372. 5. Карасев В. Ю., Семенов Р. И., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Эксперименты по магнито-механическому эффекту // Опт. и Спектр. 1998. Т. 84. № 6. С. 910-912. 6. Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Направление момента сил в положительном столбе разряда в продольном магнитном поле // Опт. и Спектр. 1998. Т. 85. № 2. С. 181-182. 7. Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И., Щего Ц. Измерение магнитомеханического эффекта в газовом разряде // Опт. и Спектр. 2001. Т. 91. № 1. С. 34-36. 8. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Исследование магнитомеханического эффекта в газовом разряде с помощью пылевых частиц // Опт. и Спектр. 2002. Т. 92. № 6. С. 1018Ц1023. 9. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. О гипотезе вращения газа в магнитомеханическом эффекте // Опт. и Спектр. 2004. Т. 97. № 1. С. 107-113. 10. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Воздействие продольного магнитного поля на плазменно-пылевые структуры в стратах в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2005. Т. 98. № 4. С. 621-626. 11. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Возникновение вращательного движения плазмено-пылевых структур в стратах в тлеющем разряде в магнитном поле // Опт. и Спектр. 2006. Т. 100. № 3. С. 499-506. 12. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Применение зондирующих пылевых частиц для исследования стратифицированного разряда с плазменнопылевыми структурами в магнитном поле // Опт. и Спектр. 2006. Т. 101. № 3. С. 511-517. 13. Иванов А. Ю., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. О возможности фазовых переходов в плазменно-пылевых структурах в тлеющем разряде под воздействием магнитного поля // Опт. и Спектр. 2006. Т. 101. № 5. С. 882-887. 14. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С., Иванов А. Ю., Голубев М. С., Ермоленко М. А. Оптическое сканирование пылевых структур формируемых в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2009. Т. 106. № 6. С. 914Ц918. 15. Карасев В. Ю., Иванов А. Ю., Дзлиева Е. С., Эйхвальд А. И. Об упорядоченных пылевых структурах формируемых в тлеющем разряде // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. № 2. С. 460-465. 16. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Упорядоченные плазменнопылевые структуры в стратах тлеющего разряда // Вестник СПбГУ, Серия 4. 2008. № 1. С. 36-41. 17. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Влияние магнитного поля на форму пылевых структур // Вестник СПбГУ, Серия 4. 2008. № 2. С. 120-126. 18. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. О наблюдении вращательного движения пылевых частиц, помещенных в низкотемпературную плазму // Вестник СПбГУ, Серия 4. 2008. № 4. С. 115-118. 19. Карасев В.Ю., Дзлиева. Е.С. О балансе сил и равновесии пылевых частиц //Вестник СПбГУ, Серия 4, 2009. В.1. С.136-139. 20. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Сепарация полидисперсных пылевых частиц в тлеющем разряде // Вестник СПбГУ. Серия 4. Физика. Химия. 2009. № 1. С. 140-144. 21. Семенов Р. И., Карасев В.Ю., Иванов А.Ю., Голубев М.С. О магнитомеханическом эффекте в газовом разряде // Вестник СПбГУ, Серия 4, 2009. В.4. С.140-142. 22. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu., EikhvalТd A. I. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. № 6. P. 066403.1-066403.12. 23. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu., ikhvalТd A. I., Golubev M. S., Ermolenko M. A. Single dust-particle rotation in glow-discharge plasma // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. P. 026406.1-026406.6. 24. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., EikhvalТd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Macrospin of the dusty particle // Plasma and Fusion Research Series. 2009. V. 8. P. 312-315. 25. Chaika M. P., Eichvald A. I., Karasev V. Yu., Shigo Ts. The Magnetomechanical Effect // Journal of Magnetohydrodinamics, Plasma and Spaсe Research. 2001. Vol. 10. № 3. P. 215-265. 26. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., ikhvalТd 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. 27. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S. and Ivanov A. Yu. Changing the Structure Boundary Geometry // Proc. AIP Conf. 2008. V. 1041. P. 239-240. 28. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Применение стабилизированного гелий-неонового лазера для исследования магнитомеханического эффекта // Лазерные исследования в СПбГУ. СПб.: СПбГУ, 2003. С. 286Ц294. 29. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Использование лазерного излучения для визуализации плазменно-пылевых структур // Лазерные исследования в СПбГУ. СПб.: СПбГУ, 2005. С. 114Ц125. 30. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Иванов А. Ю. Об управлении ППС в лабораторных экспериментах и технологических процессах // Лазерные исследования в СПбГУ. СПб: СПбГУ, 2006. С. 171-179. 31. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Применение пылевых частиц для исследования магнитомеханического эффекта // Мат. Школы молодых ученых Методы и техн. исследования процессов самоорганизации упорядоченных структур в плазменно-пылевых образованиях. Петрозаводск: ПетрГУ, 2002. С. 25-262. 32. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Пылевая плазма в магнитном поле // Мат. Школы молодых ученых УФундаментальные проблемы приложений низкотемпературной плазмыФ. Петрозаводск: ПетрГУ, 2005. С. 244-263. 33. Голубев М.С., Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А., Иванов А.Ю., Карасев В.Ю., Эйхвальд А.И. Управление плазменными структурами и отдельными частицами в газовых разрядах // Ученые записки Петрозаводского гос. университета. Естественные и технические науки, 2009. T. 11 (105). С. 95-103.