Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного Института высоких температур ОИВТ РАН (ИТЭС ОИВТ РАН)

Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного Института высоких температур
Российской академии наук (ИТЭС ОИВТ РАН)

Лаборатория физики химически активной плазмы №32
Усачев Александр Дмитриевич
тел.: (095)485 –81-77
факс: (095)485-79-90
e-mail.: usachev@ihed.ras.ru

Структурные свойства и гидродинамика пылевой плазмы

Проведена серия экспериментов по измерению силы ионного увлечения, действующей на пробные калиброванные сферические частицы известных размеров в плазме однородного положительного столба тлеющего разряда постоянного тока. Проведено сравнение измеренных величин силы ионного увлечения со значениями, вычисленными в рамках различных теоретических моделей, существующих на данный момент. Найдено, что экспериментальные зависимости силы ионного увлечения отличаются от теоретических. Ведется анализ полученных расхождений.

В гидродинамическом приближении аналитически промоделировано поведение уединенных плазменно-пылевых солитонов, экспериментально полученных в ходе совместного российско-германского эксперимента “Плазменный кристалл - 4” на самолете в условиях микрогравитации. Описаны основные особенности профилей плотности пылевых частиц в переднем и заднем фронтах солитона, оценена скорость распространения возмущений такого типа.

Проводится анализ различных моделей расчета ионного тока на малый сферический зонд, анализируются границы их применимости, приводится сравнение приближенных аналитических моделей с расчетами зарядов сферических частиц методом молекулярной динамики в широком диапазоне отношений радиуса частицы к Дебаевской длине и длине свободного пробега ионов. В дальнейшем разработанные численные коды будут применены к расчету зарядов пылевых частиц в протяженных трехмерных облаках.

Структурные и динамические свойства плазменно-пылевых структур определяются совокупностью сил, действующих на пылевые частицы. Такими силами являются сила тяжести, электрическая сила, сила трения (увлечения нейтралами), термофоретическая сила и сила ионного увлечения. Наименее изученной является сила увлечения ионами. В частности, в литературе широко дискутируется вопрос о причинах возникновения войда (пустоты) в протяженных трехмерных пылевых облаках, полученных в условиях микрогравитации, и основной причиной здесь называют силу ионного увлечения.

Теоретическое вычисление силы ионного увлечения всегда базируется на той или иной модели распределения электрического потенциала вокруг сильно заряженной пылевой частицы в широком интервале расстояний. Последний вопрос до последнего времени оставался предметом дискуссий. Кроме того, достаточно сложно учесть эффект влияния ион-нейтральных столкновений на силу ионного увлечения. С другой стороны, в настоящее время практически отсутствуют прямые измерения силы ионного увлечения. Все вышесказанное обосновывает актуальность наших исследований.

В данной работе впервые проводилась серия экспериментов по измерению силы ионного увлечения, действующей на пробные калиброванные сферические частицы известных размеров в плазме однородного положительного столба тлеющего разряда постоянного тока. Эксперименты проводились на установке “Плазменный кристал - 4” (ИТЭС ОИВТ РАН). Сила ионного увлечения определялась по балансу сил, действующих на пробную частицу в плазме газоаого разряда низкого давления. Варьировались такие экспериментальные параметры, как размер пробных калиброванных пылевых частиц (2,55 и3,51 мкм), величина разрядного тока (0,5 – 3,0 мА) и давление плазмообразующего газа (20 – 70 Па). Параметры фоновой плазмы (концентрация и температура электронов, напряженность постоянного электрического поля) измерялись с помощью подвижного зонда Ленгмюра. Заряд пробной сферической частицы рассчитывался методом МД с учетом перезарядки ионов в дебаевской сфере вокруг частицы.

Проведено сравнение измеренных величин силы ионного увлечения со значениями, вычисленными в рамках различных теоретических моделей, существующих на данный момент. Найдено, что экспериментальные зависимости силы ионного увлечения отличаются от теоретических. Ведется анализ полученных расхождений. В целом, полученные данные удовлетворительно согласуются с результатами численных расчетов [S.A.Khrapak, A.V.Ivlev, G.E.Morfill, S.K.Zhdanov, and H.M.Thomas, IEEE Trans. Plasmas Sci. (2004)]. В тоже время функциональные зависимости F_ion(I_DC) расходятся в области малых токов I_DC<1 mA, что требует дальнейших исследований.

Аналитическое моделирование уединенных солитонов в 3-х мерных пылевых облаках. Солитоны или солитоно-подобные волны появляются в пылевой плазме с электрическим полем при давлении буферного газа близкому к пороговому, при котором начинается возбуждение пыле-акустической неустойчивости. Такие волны были экспериментально обнаружены в ходе совместного российско-германского эксперимента “Плазменный кристалл - 4” на самолете в условиях микрогравитации (рис. 1).

Рис. 1. Солитоно-подобные волны в эксперименте ПК-4.

В данной работе моделировалась форма и поведение таких уединенных плазменно-пылевых солитонов в гидродинамическом приближении. Схема солитона представлена на Рис. 2. Для удобства аналитического описания солитон условно разбивался на 3 зоны: передний и задний фронты, и области с минимумом пылевой плотности (соответственно, максимумом электрического поля). Приводятся модели плазменно-пылевых процессов в каждой из указанных трех зон, решения рассматриваемых уравнений, варианты сшивок решений для различных областей солитона и сопоставление с экспериментальными данными.

Расчет заряда пылевой частицы при промежуточных давлениях. Зарядка пылевых частиц в газоразрядной плазме является тем процессом, который лежит в основе всех процессов в пылевой плазме. Для сферических частиц задача расчета стационарного заряда сводится к определению плавающего потенциала малого сферического зонда. В практике зондовых измерений случай, когда радиус сферического зонда много меньше Дебаевской длины встречается крайне редко, поэтому вопрос об ионном токе на малый зонд при различных давлениях в прошлом был исследован недостаточно. В последнее время в связи с исследованиями пылевой плазмы появился ряд работ, посвященных расчетам ионного тока на сферический зонд и вычислению его плавающего потенциала. Так было показано, что приближение OML может нарушаться уже при наличии весьма редких столкновений ионов с нейтралами, которые ведут к значительному возрастанию ионного тока. Плавающий потенциал меняется при переходе от бесстолкновительного режима к гидродинамическому меняется немонотонно, достигая минимума при промежуточных давлениях. В данной работе проводится анализ различных моделей расчета ионного тока на малый сферический зонд, анализируются границы их, приводится сравнение приближенных аналитических моделей с расчетами зарядов сферических частиц методом молекулярной динамики в широком диапазоне отношений радиуса частицы к Дебаевской длине и длине свободного пробега ионов.

Рис. 2. Условное разбиение солитона на зоны.

Одной из основных целей данной работы является нахождение относительно простых оценок ионного тока для различных давлений, температур ионов и электронов, размеров частиц, позволяющих рассчитать заряд частицы при известной зависимости электронного тока от потенциала частицы без проведения длительных и громоздких расчетов ММД или не столь длительных, но также громоздких расчетов методом, предложенным Lampe и др. (Phys. Plasmas, V10 N5 p1500 (2003)), основанном на интегрировании кинетического уравнения. Как правило, предполагается, что температура электронов существенно превышает температуру ионов, что характерно для слабоионизованной плазмы. Именно при большом потенциале поверхности частицы, по сравнению с тепловой энергией ионов, возникают «сюрпризы» в виде увеличения ионного тока вследствие столкновений ионов с нейтралами

Предел низких давлений (длина свободного пробега ионов много больше характерного размера возмущенной области плазмы вокруг пылевой частицы). В этом случае ионный ток на частицу можно записать в виде суммы бесстолкновительного тока в ПОО и дополнительного тока, вызванного столкновениями ионов с нейтралами.

I = I_OLM + I_coll

Оценку I_coll можно сделать, следуя Натансону (ЖТФ 30, с573 (1960)) и Lampe как

где r_t– радиус приэлектродного слоя, определенный по условию ej(r_t) = –2/3T_i .

Гидродинамический предел. В противоположном предельном случае, когда длина свободного пробега меньше эффективного радиуса захвата ионов

для расчета ионного тока на частицу можно использовать гидродинамическое приближение. В этом случае для тока ионов на частицу I, концентрации ионов n_i и средней скорости направленного движения ионов u справедливо уравнение непрерывности:

На расстояниях, превышающих длину свободного пробега, скорость движения ионов можно считать зависящей от локального значения электрического поля и градиента концентрации ионов:

I/(4pr²) = n_ib_iE – b_iT¶n_i/¶r

где b_i – подвижность ионов, Е – напряженность электрического поля.

Если это предположение выполняется для расстояний от частицы, меньших длины экранирования, то решение для электрического поля может быть распространено и для меньших расстояний, где поле должно быть близким к кулоновскому, независимо от уравнений движения ионов.

Теоретический отдел №71
Храпак Алексей Георгиевич
тел.: (095)362-5310
факс: (095)485-7990
e-mail: khrapak@mail.ru

Теоретические исследования свойств пылевой плазмы как открытой системы

Выполнено исследование термодинамических свойств пылевой плазмы. Для определения параметров потенциала взаимодействия между пылевыми частицами использованы результаты экспериментального исследования бинарной корреляционной функции для газообразных и жидкостных плазменно-пылевых структур, формирующихся в приэлектродном слое высокочастотного емкостного разряда. Потенциальная энергия, найденная по корреляционным функциям, аппроксимировалась экранированным кулоновским потенциалом с произвольным зарядом и радиусом экранирования. Найденное значение радиуса экранирования оказалось близким к значению электронного дебаевского радиуса, оцененному по параметрам разряда, а параметр кулоновской неидеальности близким к 2.

В отличие от реальных жидкостей и газов лабораторная пылевая плазма является хорошей экспериментальной моделью для изучения физических свойств неидеальных систем. Пылевые частицы могут быть сняты видеокамерой, что значительно упрощает применение прямых бесконтактных методов для их диагностики. В рамках проекта выполнено исследование термодинамических свойств пылевой плазмы. Для определения параметров потенциала взаимодействия между пылевыми частицами использованы результаты экспериментального исследования бинарной корреляционной функции для газообразных и жидкостных плазменно-пылевых структур, формирующихся в приэлектродном слое высокочастотного емкостного разряда.

При условии, что парная корреляционная функция g(r) известна, параметры потенциала можно найти из соотношений

, . (1)

В (1) стоит разность прямой корреляционной функции c(r) и функции . Конкретный вид зависимости g(w) определяется характером замыкания интегрального уравнения для бинарной корреляционной функции. Для расчетов параметров потенциала были выбраны две измеренные газоподобные корреляционные функции. Они представлены на рис. 1 и 2. Использовалась сглаженная на больших расстояниях корреляционная функция, представленная на рисунках сплошной линией. По этой функции были найдены приведенные в таблице радиусы корреляции и концентрации. Для первой функции безразмерная концентрация мала и в формуле (1) функцией w можно пренебречь. В этом случае потенциал . Символы на рис.3 соответствует найденной таким образом зависимости.

В настоящей работе потенциальная энергия, найденная по корреляционным функциям, аппроксимировалась выражением для экранированного кулоновского потенциала с произвольным зарядом и радиусом экранирования. Параметры Z и R находились из условия наилучшего соответствия функций U и W. Линия 2 на рис.3 построенная этим способом приводит к значениям Z = 490 и R = 87 мкм. Отметим, что найденное значение радиуса экранирования близко к значению R_de ~ 100 мкм электронного дебаевского радиуса, оцененному по параметрам разряда при n_e ~ 10⁹ см^-3 и T_e ~ 0,3 эВ. Параметр кулоновской неидеальности, соответствующий данным условиям равен ~ 2.

Подпись:
Рис. 1. Корреляционная функция при n = 200 cм-3. Точки – результат измерений. Сплошная линия – корреляционная функция, используемая в расчетах.
Для второй корреляционной функции плотностная поправка к потенциалу существенна. Поэтому расчет проводился по формуле (1) с использованием различных замыканий. На рис. 4 представлены результаты расчета. Линии с символами на этом рисунке соответствует приближениям: 1 – , 2 – PY, 3 – HNC, 4 – MV. Сплошная линия без символов отвечает экранированному потенциалу с R = 500 мкм и Z = 1320. Как видно она идет наиболее близко к приближению PY. Параметр кулоновской неидеальности для этих условий равен ~2.5, а радиус экранирования отвечает параметрам плазмы n_e ~ 2×10⁸ см^-3 и T_e ~ 1 эВ.

Подпись:

Рис. 2. Корреляционная функция при n = 3×104 cм-3. Точки – результат измерений.
Сплошная линия – корреляционная функция, используемая в расчетах.

Рис. 3. Символы – , сплошная линия – экранированный потенциал
с Z = 490 и R = 87 мкм.

Подпись:
Рис. 4. Линии с символами: 1 – , 2 – Перкус-Йевик, 3 – Мартынов-Саркисов, 4 – MV. Сплошная линия без символов – экранированный потенциал с Z = 1320 и R = 500 мкм

Лаборатория физики плазмы с конденсированной дисперсной фазой №31
Ваулина Ольга Станиславовна
тел.: (095) 484–2355
факс: (095) 485-7990
e-mail.: vaul@ihed.ras.ru

Анализ динамики и условий формирования квазидвумерных структур в пылевой плазме

Представлены результаты численного исследования транспорта макрочастиц в неидеальных квазидвумерных структурах, представляющих собой один пылевой слой. Расчеты проводились для параметров, соответствующих условиям экспериментов в лабораторной пылевой плазме.

Получены параметры, отвечающие за процессы массопереноса и фазовое состояние квазидвумерных систем. Показано, что эволюция среднеквадратичного смещения макрочастиц в неидеальных жидкостных системах на временах наблюдения (меньших некоторого характерного времени их «оседлой жизни») близка к эволюции тепловых колебаний частиц в узлах кристаллических решеток.

Рассмотрены условия формирования протяженных квазидвумерных структур заряженных макрочастиц, удерживаемых в поле тяжести внешними электрическими полями. Найдены соотношения между параметрами потенциала межчастичного взаимодействия, количеством макрочастиц и градиентами линейного электрического поля ловушки. Предложен критерий, определяющий появление нового пылевого слоя в квазидвумерной системе макрочастиц.

Полученные результаты можно использовать для диагностики плазменно-пылевых структур, а также для анализа протекания быстрых процессов на физически малых временах, не достаточных для их описания в рамках макроскопической кинетики.

Диффузия и пространственная корреляция макрочастиц. Большинство экспериментальных исследований по изучению свойств пылевой плазмы проводится в газовых разрядах, где неэмитирующие пылевые частицы приобретают отрицательный заряд и могут формировать неидеальные пылевые структуры, близкие к однородным трехмерным системам, или имеющие сильно неизотропный одномерный или квазидвумерный характер, как, например, «цепочки» макрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока, или отдельные пылевые слои (обычно от одного до десяти) в приэлектродной области вч- разряда.

Большая часть численных исследований пылевой плазмы базируется на модели экранированного кулоновского потенциала: U = (eZ)² exp(-l/l)/l, где l – расстояние между частицами, l – длина экранирования, а eZ – заряд макрочастицы. Два безразмерных параметра, которые отвечают за процессы массопереноса и фазовое состояние в трехмерных системах с экранированным кулоновским потенциалом были найдены в работах [18-20]. Аналогичные параметры для неидеальных квазидвумерных структур, представляющих собой один пылевой слой были найдены впервые. Расчеты проводились методом динамики Ланжевена для слоя частиц, левитирующих в поле тяжести, сбалансированном линейным электрическим полем ловушки E(z) = bz (где b - величина градиента поля, в направлении силы тяжести z ), при периодических граничных условиях в двух других направлениях (x и y). Расчеты проводились для параметров, близких к условиям экспериментов. В результате было найдено, что пространственная корреляция и процессы массопереноса макрочастиц в квазидвумерных структурах практически не зависят от величины градиента электрического поля, а определяются двумя параметрами, которые с учетом размерности задачи можно записать в общем виде. Это эффективный параметр неидеальности, отвечающий за фазовое состояние системы взаимодействующих частиц

Г^* = а (Ze)²/(T l_р){(1+k+ k²/2) exp(-k)}^{1/2 (1)}

и параметр масштабирования динамики частиц в диссипативных системах, который представляет собой отношение характерной частоты столкновений взаимодействующих частиц w^* к эффективной частоте v_fr их столкновений с нейтралами окружающего газа

x º w ^*/v_fr= v_fr ^–1 eZ {b (1+k+ k²/2) exp(–k)/(l_р³pM)}^1/2. (2)

Здесь l_р – среднее межчастичное расстояние, k = l_p/l, M и T – масса и температура пылевой частицы, а величина коэффициентов а и b зависит от размерности задачи. Для однородной трехмерной системы: а º b = 1, а в случае решения квазидвумерной задачи, моделирующей протяженный пылевой слой: а = 1,5 и b = 2. Данные коэффициенты введены для удобства описания транспортных характеристик жидкостных систем (таких как коэффициенты диффузии D и парные корреляционные функции g(l)), которые с учетом предлагаемой нормировки при одинаковых величинах параметров Г^* и x имеют близкие значения (см. Рис. 1-2). С ростом параметра G^* до G^*_m @ 106 (k < 6) в трехмерной системе формируется объемно центрированная кристаллическая структура, а двумерная система кристаллизуется в структуру с решеткой гексагонального типа. Для неидеальных жидкостных структур (при G^* > 40) коэффициент диффузии может быть представлен в виде

(3)

где G^*_c =102 – точка кристаллизации, c = 2.9 для x > n, и c = 3.15 для x < n, здесь n » 1 для двумерной задачи, и n » 0.25 – для трехмерной системы.

Рис. 1. Максимум g_max корреляционной функции в зависимости от G^*: 1 — слой макрочастиц; 2 — трехмерная задача	Рис. 2. D^* (G^) = D(v_fr+w^) М/T для слоя (D;O), для трехмерной системы (черные линии), а также аппроксимация (4) (серые линии) для: 1 — x > n; 2 — x < n,
		Рис. 3. Данные измерений функции D(t)/D_o для: 1 – трехмерных пылевых структур в разряде постоянного тока (x » 0.36, Г* » 20); 2 – пылевого слоя (x » 0.66, Г* » 35) в приэлектродной области вч- разряда. Решение задачи для гармонического осциллятора при: 3 – x^=2x (в случае трехмерного облака); 4 – x^ » 1.63x (для пылевого слоя). Результаты численного моделирования функции D(t)/D_o для двумерной (x = 0.66, Г* = 35) и трехмерной жидкостных систем (x = 0.36, Г* = 20) отмечены жирными линиями.

Процессы массопереноса на малых временах наблюдения. Исследование процессов массопереноса на малых временах наблюдения имеет особую важность для изучения быстрых процессов (таких, как распространение ударных волн, импульсных воздействий, или движение фронта химических превращений в конденсированных средах), а также для анализа транспортных характеристик слабо дисперсионных (x >> 1) неидеальных сред (таких, как коллоидные растворы, плазма продуктов сгорания, ядерно- индуцируемая пылевая плазма), где корректное измерение коэффициентов диффузии макрочастиц требует постановки длительных экспериментов.

Для определения коэффициента диффузии пылевых частиц в плазме обычно проводят измерения функции D(t)= <x²>/(2t), где <x²> - среднеквадратичное смещение частиц в направлении x за время t. С ростом времени данная функция стремится к своему постоянному значению, которое является коэффициентом диффузии частиц: D = D(t®¥). В результате численного и аналитического анализа было отмечено, что эволюция среднеквадратичного смещения <x²> частиц пылевой жидкости на малых временах наблюдения соответствует смещениям частиц в кристаллической решетке, а зависимость D(t)= <x²>/(2t) может быть найдена путем аналитического решения уравнения движения одномерного гармонического осциллятора с характерной частотой ( w_с)

, (4)

Путем сопоставления численных и аналитических результатов получены оценки для характерных частот w_с колебаний частиц в моделируемых трехмерных решетках гранецентрированного типа (w_с = w_всс) и в квазидвумерных гексагональных кристаллических структурах (w_с = w_h):

w_всс² » (2eZ)²exp(–k)(1+k+k²/2)/( l_p³Mp), (5)

w_h² » 6(1-p^–2) (eZ)²exp(–k)(1+k+k²/2)/( l_p³Mp) » 5,4 (eZ)²exp(–k)(1+k+k²/2)/( l_p³Mp). (6)

Показано, что данные частоты отвечают за среднее время «оседлой жизни» частиц (t_а» 2/w_с) в неидеальных жидкостных системах и определяют протекание процессов массопереноса на временах наблюдения t < t_а. Полученные результаты хорошо соответствуют теории «скачков», построенной на аналогиях между жидким и твердым состоянием среды и результатам измерений функции D(t)/D_o (см. Рис. 3, здесь D_o = Т/ v_frM) для трехмерных пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока (кривая 1) и для пылевого слоя, формирующегося в приэлектродной области вч-разряда (кривая 2). Значения параметров x и Г*, восстановленных в этой работе из измерений g(l) и D, для условий данных экспериментов приведены в подписи к рисунку. Легко увидеть, что поведение экспериментальных кривых D(t)/D_o на временах наблюдения v_frt £ 2/x^* (здесь x^* =_с / v_fr) хорошо согласуются с решениями, полученными для гармонического осциллятора при значениях x^*ºw_bcc / v_fr = 2x (в случае трехмерного облака макрочастиц) и при x^* ºw_h / v_fr » 1.63x (для квазидвумерного пылевого слоя). На том же рисунке (Рис. 9) представлены функции D(t)/D_o, полученные в результате численного моделирования квазидвумерной структуры (с параметрами x = 0.66, Г* = 35) и трехмерной жидкостной системы (с параметрами x = 0.36, Г* = 20)w. Отличия на начальном участке представленных кривых связаны с шумами, вносимыми процедурой измерения.

Формирование квазидвумерных структур макрочастиц. Процессы формирования протяженных слоев макрочастиц в одномерном линейном электрическом поле исследовались в ряде численных работ. Было отмечено, что формирование нового пылевого слоя происходит с уменьшением градиента электрического поля, а также с увеличением концентрации, длины экранирования и заряда макрочастиц. Однако аналитического условия для критерия формирования нового пылевого слоя в данных работах предложено не было.

В результате аналитического анализа были рассмотрены условия существования вертикальной и горизонтальной равновесной конфигурации в расположении двух взаимодействующих макрочастиц, находящихся в поле тяжести Земли и во внешнем электрическом поле ловушки. Получено, что данные условия не зависят от формы парного потенциала взаимодействия между частицами, а полностью определяются соотношением между градиентами внешнего электрического поля. Показано, что смена конфигурации в расположении частиц происходит в результате развития диссипативной неустойчивости.

Выполнен анализ условий формирования протяженных квазидвумерных слоев заряженных макрочастиц, удерживаемых в поле тяжести внешними электрическими полями. Показано, что формирование нового пылевого слоя происходит в результате развития диссипативной неустойчивости. Найдены соотношения между параметрами потенциала межчастичного взаимодействия, количеством макрочастиц и градиентами линейного электрического поля ловушки. Предлагаемые соотношения хорошо согласуются с результатами численного моделирования, как в случае протяженного пылевого слоя, так и для ограниченной пылевой системы, удерживаемой в электической ловушке с циллиндрической симметрией.

Лаборатория физики плазмы с конденсированной дисперсной фазой №31
Марковец Валерий Васильевич
тел.: (095) 484–23-44
факс: (095) 485-79-90
e-mail: mvv@ihed.ras.ru

Исследование пылевых структур в тлеющем разряде в гелии при Т = 4.2–10 К

Впервые проведен структурный динамический анализ плазменно-пылевых образований при 300 и 77 К для одинаковых экспериментальных условий по току разряда и плотности нейтрального газа (см. рис.1,2). Рассчитаны парные корреляционные функции пылевых структур, температуры и коэффициент диффузии микрочастиц. Обнаружено полное совпадение корреляционных функций для структур при 300 К и 77 К в относительных единицах среднего межчастичного расстояния (см. рис.2). С переходом к криогенным температурам продольная составляющая температуры микрочастиц возрастает в несколько раз. Впервые при 77 К обнаружены автоколебания плазменно-пылевой структуры. Впервые исследованы электрические свойства тлеющего разряда, охлаждаемого жидким гелием, в диапазоне плотностей нейтрального газа 3.0×10¹⁶–3.9×10¹⁷ см^–3. Впервые при 4.2 К обнаружена неустойчивость разряда, являющаяся результатом самопроизвольного распада метастабильного состояния плазмы, что переводит разряд в т.н. «вспышечный» режим. В метастабильном состоянии плазмы микрочастицы выбрасываются на стенку разрядной трубки. Определена область его существования по величине тока разряда и по плотности нейтрального газа. Впервые при 4.2 К обнаружены плотные гибкие структуры цилиндрической формы со свободной поверхностью диаметром ~0.2-0.4 мм, длиной 2-8 мм, движущиеся внутри плазменного столба. Структуры устойчивы и разрушаются только при соприкосновении со стенкой разрядной трубки, что свидетельствует о наличии у них сил поверхностного натяжения. Плотность микрочастиц в структуре, оцененная по числу их в следе на стенке трубки, составляет ~0.5-1.0×10⁹ см ^–3.

	а) б)
Рис.1. Экспериментальная установка.	Рис.2. Плазменно-пылевые структуры при 77К и Парные корреляционные функции для структур, полученных при 300 и 77К.

Лаборатория диагностики низкотемпературной плазмы №30
Молотков Владимир Иванович
тел:. (095)484–24-55
факс.: (095)485-79-90
e-mail: molotkov@ihed.ras.ru

Процессы самоорганизации и нелинейные волновые явления в сильнонеидеальной пылевой плазме при наличии и отсутствии силы тяжести

Выполнен ряд экспериментов по исследованию динамики формирования трехмерных плазменных кристаллов в условиях микрогравитации на уникальной установке «Плазменный кристалл-3», функционирующей на Российском сегменте Международной космической станции.

Обнаружено, что при уменьшении давления нейтральной компоненты в условиях отсутствия силы тяжести не происходит фазового перехода «плазменный кристалл» - «плазменная жидкость». При снижении давления нейтрального газа кристаллизация пылевой компоненты возрастает и растет объем плазменной кристаллической области. Это коренным образом отличается от результатов лабораторных экспериментов на Земле, где при снижении давления газа наблюдается плавление плазменного кристалла.

При исследовании влияния низкочастотного электрического поля на формирование границы плазмы и пылевой плазмы впервые наблюдалось разрушение граничной области и заполнение заряженными пылевыми частицами всего межэлектродного пространства.

При исследовании воздействия импульсного аксиального магнитного поля на плазменно-пылевую структуру в страте тлеющего разряда постоянного тока наблюдалось распространение сжатия пылевой компоненты. Обнаружено укручение фронта возмущения и формирование ударной волны с высокой степенью сжатия.

Кристаллизация пылевой компоненты. В 2004 году были продолжены экспериментальные исследования процессов самоорганизации пылевой компоненты в условиях микрогравитации на уникальной установке «Плазменный кристалл-3», действующей на Российском сегменте Международной космической станции с 2001 г.

Как известно, после обнаружения плазменного кристалла активно изучаются фазовые переходы в пылевой подсистеме в емкостном высокочастотном разряде, тлеющем разряде постоянного тока. Обычно исследуются переходы из кристаллического в жидкостные и газообразные состояния. В условиях наличия силы тяжести плавление решетки пылевых частиц инициировалось либо уменьшением давления нейтрального газа, либо увеличением подаваемой в разряд мощности. Это связано с тем, что параметры плазмы изменяются при указанных воздействиях таким образом, что неидеальность пылевой подсистемы уменьшается. В экспериментах с уменьшением давления происходит значительный рост кинетической энергии частиц и плазменно-пылевой кристалл плавится. В условиях микрогравитации были выполнены эксперименты при варьировании давления нейтрального газа (аргона). После достижения определенной кристаллизации пылевых частиц (трехминутная выдержка) выполнялось сканирование рабочей области, и далее проводилось плавное уменьшение давления. Давление уменьшалось в два раза относительно начального уровня (например, начальное давление 244 мкбар, конечное – 122 мкбар) Один из экспериментов выполнялся с частицами диаметром 3,4 мкм, второй – с частицами 6,8 мкм.

Снижение давления нейтрального газа приводило к увеличению объема плазменно-кристаллической области. Таким образом, в отличие от лабораторных экспериментов на Земле, в условиях микрогравитации параметры плазмы изменяются таким образом, что неидеальность пылевой подсистемы возрастает и кристаллизация усиливается. Этот впервые наблюдаемый эффект требует детального анализа.

Разрушение границы плазма – пылевая плазма. Выполнены эксперименты по изучению влияния низкочастотного электрического поля (частота 20-40 Гц) на поведение границы плазмы и пылевой плазмы.

Как известно, характерной особенностью, присущей наблюдаемым в условиях микрогравитации плазменно-пылевым образованиям, является наличие чисто плазменной зоны, свободной от отрицательно заряженных пылевых частиц , расположенной в центральной части межэлектродного пространства ( так называемый войд).

Рис.1. Видеоизображения плазменно-пылевых структур в различные моменты времени после подачи низкочастотного напряжения

Граница плазмы и пылевой плазмы характеризуется повышенной плотностью пылевых частиц. Размер этой граничной зоны равен двум-четырем межчастичным расстояниям, т.е. порядка 500–1500 мкм. Целью одного из экспериментов было исследование поведения границы между плазмой и пылевой плазмой при воздействии электрического поля частотой 20–40 Гц. Эксперимент выполнялся следующим образом. В начале при заданном давлении нейтрального газа и эффективном высокочастотном напряжении формировалось стационарное плазменно-пылевое образование. Затем на электроды подавалось напряжение низкой частоты. На рис.1 приведены видеоизображения плазменно-пылевых структур в различные моменты времени после подачи низкочастотного напряжения. Давление аргона – 488 мкбар, частицы диаметром 3,4 мкм, вч напряжение U_эфф = 18 В, амплитуда напряжения частотой 40 Гц составляет 26 В. Приведенные кадры демонстрируют впервые наблюдавшееся явление разрушения граничной области и заполнение заряженными пылевыми частицами всего межэлектродного пространства.. Видно, что при времени порядка периода низкочастотного напряжения происходит нарушение равновесия в граничной области между плазмой и пылевой плазмой, и пылевые частицы входят в плазменную зону. Нового положения равновесия не достигается и частицы продолжают продвижение, заполняя спустя 400 мс (т.е. 10 периодов нч напряжения) все пространство. Основными силами, действующими на пылевые частицы в данных условиях, является, как известно сила ионного увлечения и сила электрического поля. Возможно, наложение электрического поля изменяет процесс зарядки пылевых частиц, что ведет к нарушению баланса этих сил и разрушению граничной плазменно-пылевой области.

Формирование ударной волны в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока. Выполнено исследование воздействия импульса магнитного поля на плазменно-пылевую структуру, сформированную в страте тлеющего разряда постоянного тока. Стратифицированный разряд создавался в стеклянной газоразрядной трубке внутренним диаметром 3,6 см, заполненной неоном. Регистрация пылевых пластиковых частиц диаметром 1,87 мкм осуществлялась с помощью высокоскоростной видеокамеры со скоростью 1000 кадров в секунду и пространственным разрешением 20 мкм/пиксел. Давление неона составляло 0,5 мбар, разрядный ток – 4,2 мА. Электромагнитный импульс создается при помощи разряда батареи конденсаторов на плоскую катушку, намотанную вокруг трубки. Ток в катушке нарастает примерно за время порядка 0,1 мс при спаде за 10-20 мс. Амплитуда импульса тока достигла 90 А, что обеспечивало амплитуду аксиального магнитного поля до 150 Гс. Под воздействием импульса

Рис.2. Временная последовательность видеоизображений

магнитного поля страта уходит к аноду (вверх). Поскольку продольное электрическое поле резко уменьшается немагнитные пылевые частицы начинают падать и наблюдается разряжение начального пылевого образования. При возвращении страты идет восстановление исходной конфигурации плазменно-пылевой структуры. Рис.2 демонстрирует временную последовательность видеоизображений, где отчетливо видно разделение структуры на две части с различными плотностью и скоростями частиц и формирование разрыва в пылевой подсистеме.

Рис.3. Укручение фронта возмущения плотности пылевой компоненты.

На Рис. 3 приведены профили плотности пылевых частиц от вертикальной координаты соответственно видеоизображениям Рис. 2. Рис. 3 демонстрируют укручение фронта возмущения плотности пылевой компоненты. Отметим, что укручение фронта наблюдается впервые в экспериментах по исследованию волновых явлений в пылевой плазме. Следует заметить также, что степень сжатия (отношение плотности перед и за фронтом возмущения) возрастает по мере распространения волны плотности и достигает 15. Скорость фронта волны плотности в системе координат, связанной с пылевыми частицами в нижней области, составляет 8,9 см/с, что превышает максимально возможную в данных условиях пылеакустическую скорость (4 см/с)

Лаборатория диагностики низкотемпературной плазмы №30
Депутатова Лидия Викторовна
тел.: (095) 484–24-29
факс: (095) 485-79-90
e-mail.: dlv@ihed.ras.ru

Ядерно-возбуждаемая пылевая плазма при различных энергетических воздействиях

Приведены результаты экспериментального исследования поведения пылевых частиц в трековой плазме, создаваемой пучком ускоренных протонов. Впервые наблюдалось коллективное движение пылевых частиц диоксида церия в плазме, образующейся при торможении пучка протонов, в различных газах (воздух, He, Ne, Kr) в широком интервале давления – от сотен Тор до долей Тора. Обнаружены новые явления в вихревых структурах с большим количеством пылевых частиц и плотные пылевые структуры в приосевой области протонного пучка. При малых давлениях газа (менее 10 Тор) были получены долгоживущие пылевые структуры в центре пучка протонов. Экспериментально изучены основные свойства этих структур, зависящие от давления газа и концентрации пылевых частиц. Проведено компьютерное моделирование процесса образования вихревых структур в пучковой плазме.

Цель настоящей работы состоит в экспериментальном исследовании поведения пылевых частиц в трековой плазме, создаваемой пучком ускоренных протонов. Использование для создания плазмы ионов, полученных на ускорителях, значительно изменяет условия эксперимента. Во-первых, пучок ионизирующих частиц обладает малой расходимостью, обусловленной только ион-атомными столкновениями, а во-вторых, ток пучка можно сделать достаточно большим для того, чтобы треки ионов имели за время своего существования значительное перекрытие – плазма становится квазиоднородной.

Экспериментальная установка. Эксперименты проводились совместно с сотрудниками ГНЦ РФ – ФЭИ на электростатическом ускорителе ЭГ-2,5. Экспериментальная ячейка имела форму прямоугольного параллелепипеда с основанием 16×16 см² и высотой 12 см. (Рис.1). На боковых гранях ячейки размещались стеклянные окна, через которые осуществлялась подсветка исследуемого объема лазерным лучом и велось наблюдение за поведением пылевых структур. Ячейка подсвечивались плоским лазерным лучом с перетяжкой 200 мкм. Рассеянный частицами лазерный свет ПЗС-телекамерой переводился в видеоизображение. Перемещая лазер и телекамеру можно наблюдать различные участки пространства внутри ячеек.

Рис.1. Экспериментальная ячейка

Пучок протонов с энергией 2,5 МэВ вводился внутрь ячейки через титановую фольгу и диафрагму диаметром 8 мм. Эксперименты проводились при значениях тока пучка протонов: 1·10^-6А, 3·10^-6А и 5·10^-6 А. Ячейка откачивалась форвакуумным насосом до давления порядка 10^-2 Тора и заполнялась газом или газопылевой смесью. Использовались He, Ne, Kr и воздух. Давление исследуемого газа менялось от 0,1 Тора до 800 Тор. Эксперименты проводились с полидисперсным порошком диоксида церия, средний размер частиц составлял 1 мкм.

Поведение пылевых частиц внутри экспериментальных ячеек зависело от концентрации пылевой компоненты, сорта газа, его давления, приложенного напряжения.

Структуры, образующиеся в приосевой области пучка протонов. Были получены компактные вихревые структуры с большим количеством пылевых частиц. Наблюдались спиральные вихри, кольца в спиральных структурах, спиральные вихри с изменением направления вращения, взрывы в спиральных структурах, а также пылевой тор с осью симметрии, смещенной от оси пучка.

При невысоких значениях концентрации пылевой компоненты ~10⁴ см^-3 и давлении газа в диапазоне от десятков до сотен Тор образовывались спиральные вихри. В ряде случаев удавалось различить до 7-8 витков спирали. Движение пылевых частиц в таких вихрях всегда происходило по часовой стрелке (рис. 2).

Рис.2. а) Газ – Ne, напряжение 125 В, давление – 575 Тор, изображение вихря получено в 5 мм от центра электрода, б) изображение вихря получено в 10 мм от центра электрода.

При высоких концентрациях пылевых частиц механизм ухода частиц из центральной части вихря через периферию структуры уже не справляется с потоком частиц. В этом случае наблюдается изменение направления вращения структуры на противоположное. Иногда оно сопровождается выбросом пылевых частиц за пределы спирали. Отметим, что выброс пылевых частиц происходит по раскручивающейся спирали.

При изменении начальных параметров эксперимента, главную роль среди которых играет давление газа, получена тороидальная структура. На рис.3 представлено вертикальное сечение тороидальной структуры.

Рис.3. Газ – He, ток пучка – 1 мкА, давление – 60 Тор, напряжение – 200 В.

Структуры, образующиеся в центре пучка протонов. Впервые при давлениях меньше 15 Тор в центре пучке протонов были получены пылевые структуры, одна из которых представлена на рис. 4. Форма структуры определялась давлением газа, потенциалом электрода и током пучка.

Рис.4. Газ – Ne, ток пучка – 3 мкА, давление – 2 Тора, напряжение – 170 В

Определена область параметров, при которых в пылевой структуре наблюдались волны (с длиной волны около 400 мкм), распространяющиеся вдоль структуры.

Таким образом, в ядерно-возбуждаемой плазме, образующейся под воздействием пучка протонов, получены стабильные пылевые структуры для различных газов (воздух, He, Ne, Kr) в широком диапазоне давлений. Форма и свойства пылевых структур зависят, в основном, от давления газа и в меньшей степени от приложенного внешнего электрического поля и типа газа. Проведенное компьютерное моделирование образования вихревых пылевых структур качественно отображает результаты эксперимента.

Лаборатория импульсных процессов в низкотемпературной плазме №53
Василяк Леонид Михайлович
тел. (095) 484–1810
факс (095) 485-7990
lab852@ihed.ras.ru

Экспериментальные исследования импульсных электродинамических воздействий и магнитных полей на плазменно-пылевые структуры

Реализованы различные способы параметрического возбуждения плазменно-пылевых структур при воздействии на тлеющий и ВЧ разряды периодических наносекундных импульсов напряжения, модулированного высокочастотного напряжения и импульсно-периодического электронного пучка. Определены резонансные частоты колебаний пылевой структуры. Показано что, существует область динамической устойчивости по амплитуде и частоте модуляции, когда движение частиц в пылевой структуре стабилизируется, а сама структура упорядочивается. Экспериментально исследовано поведение плазменно-пылевых структур в продольном и радиальном магнитных полях напряженностью< 200 Э, в условиях, когда замагничена электронная компонента. В магнитном поле наблюдается азимутальное вращение плазменного кристалла. Характер и скорость вращения зависят от тока разряда и конфигурации магнитного поля. При токах менее 2 мA кристалл вращается как единое целое. При больших токах, когда кристалл разупорядочивается, скорость вращения резко возрастает и наблюдается проскальзывание слоев пылевых частиц друг относительно друга. Скорость вращения пылевой структуры в тлеющем разряде почти на два порядка выше, в ВЧ разряде, при одних и тех же значениях магнитного поля. Действие радиального магнитного поля на пылевые частицы значительно сильнее, чем действие продольного поля и связанно с возникновением азимутального тока Холла. Замагниченность электронов приводит к существенному изменению параметров разряда, в частности ВАХ тлеющего разряда. В разряде с радиальным магнитным полем наблюдается пылевая структура с повышенной плотностью в области сильного магнитного поля. Увеличение напряженности магнитного поля приводит к разрыву пылевой структуры на части, которые локализуются около магнитов. Измерена скорость пылевого звука в продольном и радиальном магнитном поле. Скорость звука в радиальном магнитном поле ниже чем в продольном магнитном поле. Показано, что в условиях замагниченности электронов слабые магнитные поля с напряженностью ~ 100 Э существенно влияют на параметры пылевого кристалла и его динамику.

Экспериментально исследованы различные способы параметрического возбуждения плазменно-пылевых структур при воздействии на тлеющий и ВЧ разряды (13,6 МГц) периодических наносекундных импульсов, модулированного высокочастотного напряжения и радиального электрического поля слаботочного импульсно-периодического электронного пучка, вводимого в плазму. Эти воздействия приводят к низкочастотной модуляции (10 – 200 Гц) продольного электрического поля в плазме. Основным фактором, влияющим на возбуждение пылевых частиц, локализованных в элекростатической ловушке, является низкочастотная модуляция электронной температуры. Определены резонансные частоты параметрического возбуждения колебаний пылевой структуры для различных условий разряда (5-20 Гц), которые зависят от расстояния между пылевыми частицами и от их размера. Увеличение амплитуды воздействия может привести к разрушению пылевой структуры. Экспериментально показано что, существует область динамической устойчивости по амплитуде и частоте модуляции, когда движение частиц в пылевой структуре стабилизируется в пространстве, гасятся поперечные неустойчивости пылевых частиц. Эти неустойчивости могут быть связаны с высокой кинетической энергией частиц. Показано что при радиальной осцилляции пылевой частицы диаметром ~ 10 мкм в характерной потенциальной яме тлеющего разряда, она приобретает кинетическую энергию ~ 1 эВ на расстоянии ионного дебаевского радиуса экранирования.

Исследовано поведение пылевых структур из частичек Al диаметром 2–5 мкм в неравновесной плазме тлеющего и ВЧ разрядов при давлении 0,1–0,5 Торр в продольном и радиальном магнитном поле напряженностью до 200 Э. Магнитное поле создавалось системой постоянных магнитов, соосно расположенных снаружи разрядной трубки, и имело конфигурацию аналогичную антипробкотрону. Величина магнитного поля менялась при изменении расстояния между магнитами. Распределение магнитного поля измерялось магнитометром на основе датчика Холла, а также рассчитывалось путем компьютерного моделирования. Радиально магнитное поле имело параболический профиль. В условиях однородного по радиусу разряда, наблюдается азимутальное вращение пылевой структуры в продольном и радиальном магнитных полях. Скорость вращения определялась по измерениям скорости движения отдельных частиц в поперечном сечении при покадровой обработке видеоизображений, либо по длине трека и с помощью вращающегося сканера. Вращение в продольном поле совпадает с направлением циклотронного движения ионов, что наблюдалось ранее. Такое движение объясняется азимутальным дрейфом ионов в скрещенных электрическом радиальном поле и продольном магнитным поле. Вращение в радиальном магнитном поле ранее не исследовалось и связанно с действие силы Ампера F = j x B. Когда электроны замагничены (b²_е>> 1, b_e= w_Bt_e, w_B – циклотронная частота вращения электрона), радиальное магнитное поле, накладываемое на разряд, приводит к возникновению азимутального холловского тока, который в b_e раз больше продольного тока и вращение пылевых частиц определяется замкнутым током Холла. Действие радиального магнитного поля на заряженные частицы в плазме сильнее действия продольного поля, заметный эффект вращения пылевой структуры проявляется при меньших радиальных магнитных полях. Характер и скорость вращения в тлеющем разряде существенно зависит от тока разряда и конфигурации магнитного поля. Наблюдается характерный излом на кривых зависимости скорости вращения и наружного диаметра структуры от тока, как в продольном так и радиальном магнитном поле. При токах мене 2,5 мA кристалл вращается как единое целое, и на него действует сила ионного увлечения, которая уравновешивается усредненной силой трения о нейтральный газ. При больших токах, когда кристалл переходит в жидкость, скорость вращения резко возрастает. Наблюдается проскальзывание слоев пылевых частиц друг относительно друга. Плавление кристалла и его переход в кольцевую форму происходит при тех же токах что и в отсутствие магнитного поля. Скорости вращения, наблюдаемые в тлеющем разряде, почти на два порядка превосходят скорости вращения в ВЧ разряде при тех же значениях магнитного поля. Показано, что замагниченность электронов приводит к изменению параметров разряда, что необходимо учитывать при анализе поведения структур в магнитном поле. Меняется ВАХ тлеющего разряда в присутствии магнитного поля. В радиальном магнитном поле ВЧ разряд реализуется при меньшем напряжении и меньшем давлении газа, чем в отсутствии магнитного поля. Под действием поперечного току разряда магнитного поля электроны осциллирующие в приэлектродном слое закручиваются вокруг линий напряженности радиального магнитного поля, что затрудняет их уход из плазмы на электрод и увеличивает их ионизующую способность. Экспериментально наблюдается изменение расстояний между частицами в поперечном сечении в магнитном поле. В области сильного магнитного поля, где ионизация повышена, плотность пылевых частиц больше. Этот эффект обнаружен в тлеющем разряде, но менее выражен в продольном магнитном поле. В пылевой плазме с магнитным полем аналогичные эффекты ранее не наблюдались. При увеличении напряженности радиального магнитного поля больше 400 Э пылевая структура разделяется на части, которые сосредотачиваются вблизи магнитов.

При уменьшении давления газа в пылевой структуре с магнитным полем, как и ранее при исследованиях плазменно-пылевого кристалла при криогенных температурах наблюдается развитие возмущений в виде продольных волн плотности. Экспериментальное значение скорости пылевого звука выше скорости звука без магнитного поля. Как и в случае криогенных температур, это связано с более высокой плотностью пылевых структур. В радиальном магнитном поле с напряженностью около 40 Э скорость пылевого звука C_s» 1.3 см/с и ниже, чем скорость в продольном магнитном поле C_s» 1.7 см/с. Таким образом, слабые магнитные поля с напряженностью ~ 100 Э, в условиях замагниченности электронов, существенно влияют на параметры пылевого кристалла и его динамику.

Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного Института высоких температур Российской академии наук (ИТЭС ОИВТ РАН)