Введение к работе
Актуальность работы. Особенности взаимодействия между частицами в комплексной плазме приводят к формированию упорядоченных плазменно-пылевых структур (УППС), свойства которых тесно связаны с характером микроскопических взаимодействий. Для изучения свойств плазмы традиционно используют тлеющий разряд.
Современные исследования УППС комплексной плазмы в основном касаются внешнего проявления вида структур и поведения их как целого при изменении условий и в гораздо меньшей степени исследованы особенности движения макрочастиц и в еще меньшей степени рассмотрены корреляции между строением УППС и движением макрочастиц. Существуют объективные трудности проверки некоторых представлений из-за недостаточности экспериментальных данных о поведении макрочастиц в структуре с течением времени, и наличия величин (напр., заряд макрочастицы), трудно определяемых из эксперимента. Получение достоверных и непротиворечивых данных о параметрах структуры разного физико-химического состава и характеристиках движения макрочастиц в зависимости от действующих условий позволит проверить современные представления о силах межчастичного взаимодействия, которые удерживают структуру от распада и определяют распределение макрочастиц в структуре. Определение пространственного положения большого количества макрочастиц в последовательные моменты времени требует разработки программно-аппаратных средств для сбора и обработки данных.
Цель работы. Исследование закономерностей структурообразо-вания и поведения макрочастиц в УППС разного состава «материал конденсированной дисперсной фазы - плазмообразующий газ» (КДФ-ПГ) в широком диапазоне плазменных условий в тлеющем разряде постоянного тока.
Научная новизна. Получены новые экспериментальные данные о характере движения и пространственном расположении макрочастиц в УППС в комплексной плазме тлеющего разряда при малых плотностях постоянного тока (19-94 мкА/см2) и низких давлениях газа (60-600 Пахм) в зависимости от параметров разряда для различных систем КДФ-ПГ: Аг+А1203, Ne+Al203, Ar+Zn, - позволяющих судить о силах межчастичного взаимодействия, которые удерживают УППС от распада и определяют их свойства. На основе полученных данных был проведен комплексный анализ влияния плазменных условий и состава комплексной плазмы на параметры УППС. Разработан пакет оригинальных компьютерных программ, позволяющий организовать сбор и
обработку экспериментальных данных с помощью оборудования захвата видеоданных.
Положения, выносимые на защиту:
1) Комплекс фактических данных о состоянии УППС комплексной
плазмы тлеющего разряда в диапазоне действующих условий: j=
(19-94 мкА/см2) и рЯтр =(60-600 Пахм), - для систем КДФ-ПГ раз
ного состава: Аг+А1203 (
Ar+Zn (
а) определены положения макрочастиц и средние межчастичные
расстояния в УППС в зависимости от действующих условий:
давление ПГ, разрядный ток;
б) определены скорости перемещения макрочастиц в УППС в за
висимости от действующих условий: давление ПГ, разрядный
ток;
в) определены коэффициенты диффузии макрочастиц в УППС
для различных разрядных условий: давления ПГ и плотности
разрядного тока;
г) впервые определен коэффициент термического расширения;
величина коэффициента линейного термического расширения
УППС отрицательна.
Корреляции перемещений макрочастиц в УППС, нормальное распределение макрочастиц по скоростям.
Пакет алгоритмов и программ, используемых в системе компьютерного зрения, для автоматизированного получения и обработки данных о положениях макрочастиц в последовательные моменты времени.
Достоверность научных исследований подтверждается: объективностью и надежностью данных, полученных с помощью унифицированных программных и технических средств, а также сравнением с имеющимися экспериментальными данными.
Научная и практическая значимость. Результаты исследований могут служить экспериментальной базой для проверки достоверности математических гипотез в рамках развития теории плазменно-пылевых структур. Результаты анализа полученных данных дают информацию об эволюции структур макрочастиц с изменением действующих условий, а также дают возможность связать характеристики индивидуальных веществ с параметрами УППС.
Апробация работы. Содержание работы было представлено в виде устных и стендовых докладов на Всероссийском симпозиуме молодых ученых, студентов и аспирантов «Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск,
2005), XVI Международной конференции по газовым разрядам и их приложениям (Xi'an, Китай, 2006), 3- Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2007), Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2007), Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LABVTEW и технологии National Instruments» ESEA-NI-07, (Москва, 2007), V Международной конференции по физике пылевой плазмы (Понта Дельгада, Азоры, Португалия, 2008), V Всероссийской конференции «Физическая электроника» (Махачкала, 2008), XII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований» (Москва, ФИАН, 2008), III Всероссийской молодёжной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, 2009), XIII Международной конференции по физике неидеальной плазмы (Черноголовка, Москва, 2009), 3й Международной конференции «Пылевая плазма и её приложения» (Одесса, Украина, 2010), VII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, НИЯУ МИФИ, 2010), Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2011), VI Международной конференции по физике пылевой плазмы (Гармиш-Партенкирхен, Германия, 2011).
Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 13 работах: 4 статьи, в т. ч. З в изданиях из списка, рекомендованных ВАК, и 9 публикаций в материалах Всероссийских и международных конференций.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения. Работа содержит 106 страниц плюс 14 страниц приложения. В основной текст диссертации включен 91 рисунок, 20 таблиц. Список использованной литературы включает 154 наименования.
Личный вклад автора. Данная работа была выполнена в 2005-2011 гг. в лаборатории пылевой плазмы научно-образовательного центра «Плазма» Петрозаводского государственного университета. Постановка задач и планирование исследования были осуществлены совме-
стно с первым научным руководителем профессором [Хахаевым А. Д.
Для достижения поставленных целей автором создан программно-аппаратный комплекс исследования УППС в плазме тлеющего разряда. Самостоятельно разработан пакет программ организующих автомати-
зированный сбор и обработку экспериментальных данных. Проведение экспериментов, обработка результатов измерений, анализ и обобщение результатов исследования, написание текста диссертации осуществлялось самостоятельно.
Благодарности. В период 2006-2008 гг. работа выполнялась при финансовой поддержке по гранту RUX0-000013-PZ-06/B2M413 (НОЦ «Плазма») Американского фонда гражданских исследований и развития, а также Министерства образования и науки РФ и правительства Республики Карелии, в 2011 г. - поддержана в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК №14.740.11.1106).
За обсуждение и деятельное участие сотрудникам кафедры информационно-измерительных систем и физической электроники Петрозаводского государственного университета Л. А. Луизовой, С. Ф. Подрядчикову, А. И. Щербине.
Специальная благодарность сотрудникам кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета Л. А. Алешиной и Д. В. Логинову за проведение рентгенографического исследования структуры порошков.
