Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Пылевая (комплексная) плазма представляет собой многокомпонентную плазму, в которой пылевая компонента (макрочастицы размером 0.01 -100 мкм) находится в состоянии сильной связи или сильных корреляций. Попадая в газоразрядную плазму, пылинки приобретают значительный отрицательный заряд (до 10 элементарных), что позволяет им удерживаться и левитировать в разрядной камере в области сильного электрического поля.
Поскольку используемые частицы имеют размеры порядка мкм и более, они эффективно рассеивают свет. Среднее расстояние между пылинками в разряде обычно составляет доли миллиметра, что позволяет в экспериментах регистрировать пылевые структуры в оптическом диапазоне методом прямой визуализации.
Одним из методов изучения пылевой плазмы является наложение разного рода внешних воздействий: тепловых градиентов, оптических и радиоактивных излучений, ударных волн, постоянных и переменных электрических и магнитных полей, а также нескольких воздействий разной природы одновременно.
Среди приложений пылевой плазмы сегодня известны экология, энергетика, технологические процессы. Но основным приложением пока являются фундаментальные исследования: процессы самоорганизации, фазовые переходы, взаимодействие плазмы с веществом, нелинейные явления и др.
В пылевой компоненте формируются структуры жидкостного или кристаллического типов, если параметр связи Г = U/(kT) (U - потенциальная энергия взаимодействия пылевых частиц, Т - их температура) достигает величины 1 и более. В 1986 г. Икези было высказано предположение о возможной кристаллизации пылевой компоненты в неравновесной газоразрядной плазме. В 1994 г. плазменно-пылевой кристалл экспериментально наблюдался в плазме высокочастотного разряда, вблизи нижнего электрода на границе прикатодной области.
Упорядоченные состояния структур, сформированных в газовом разряде, обладают целым рядом уникальных свойств. К ішм следует отнести простоту получешя и наблюдения объекта и управления его параметрами, а также малые времена установления равновесия и отклика на внешние возмущения; возможность проводить измерения на кинетическом уровне: напрямую определять функцию распределения пылевых частиц, детально исследовать фазовые переходы и процессы самоорганизации в структуре.
Все перечисленное составляет актуальность исследований пылевых структур в газовом разряде. Кроме того, эта область исследований представляет междисциплинарный интерес, относясь к физике твердого тела, физике плазмы, оптике, термодинамике и астрофизике, что существенно усиливает её актуальность.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Получение в зксперимеїгте упорядоченных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде. Количественный анализ их упорядоченности. Применение
внешних воздействий для изменения фазового состояния структуры. Исследование упорядоченности и типов упаковки пылевой структуры в страте методом оптического сканирования.
Впервые наблюдался и количественно зарегистрирован фазовый переход типа плавления пылевой структуры в тлеющем разряде при изменении магнитного поля. Установлено, что магнитное поле является управляющим параметром для изменения состояния пылевой структуры.
Создана объемная стабильная структура в страте тлеющего разряда, содержащая более 6000 частиц. На основе изображений двумерных сечений структуры описано фазовое состояние с помощью корреляционных фущщий. Установлено существование высокоупорядоченных областей с гексагональной упаковкой.
Впервые произведено преобразование типа упаковки в пылевой структуре посредством изменения формы её границ с помощью внешнего термофорегтического воздействия.
Впервые исследовано объемное расположение частиц в трехмерной пылевой структуре, сформированной в стратах тлеющего разряда, с помощью оптического сканирования. Установлены существующие в ней типы упаковки.
В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, о состоянии плазменно-пылевых структур в магнитном поле. Выявлена роль магнитного поля, как параметра влияющего на упорядоченность плазменно-пылевой структуры.
Исследование объемных структур при различных воздействиях важно для понимания процессов формирования упорядоченных структур и изменения их степени порядка. В частности, для экспериментального моделирования кристаллов и изучения фазовых переходов.
В работе подобраны условия газового разряда постоянного тока, в которых созданы объемные высокоупорядоченные структуры. Такие структуры могут послужить объектом исследований фазовых состояний и фазовых переходов на кинетическом уровне как модель вещества в кристаллическом состоянии.
Предложен и применен метод активного контроля упаковкой частиц с помощью выстраивания границ структуры в регулируемом температурном поле. Этот метод может быть использован для изучения возможных устойчивых упаковок в твердой фазе вещества и их свойств.
Предложен способ уплотнения и перераспределения расположения частиц посредством многократной вариации разрядного тока.
Усовершенствован метод определения объемного расположения частиц в плазмешго-пылевой структуре с большим числом частиц.
Полученные новые результаты используются в учебном процессе.
Наблюдение фазового перехода типа плавления, инициированного магнитным полем, в пылевых структурах, сформированных в стратах тлеющего разряда.
Создание объемной стабильной структуры в стратифицированном разряде. Описание её фазового состояния с помощью автокорреляционных функций, рассчитанных для частиц, находящихся в одном горизонтальном сечении структуры.
Управление расположением частиц в структуре с помощью формирования её границ контролируемым термофоретическим воздействием.
Распознавание типа объемной упаковки высокоупорядоченной структуры с помощью оптического сканирования положений её частиц.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы докладывались на XIII и XIV Международном конгрессе по физике плазмы (Киев 2006; Фукуока, Япония 2008), Конференции по пылевой плазме и процессам горения (Одесса 2007), V Международной конференции по физике пылевой плазмы (Понта Делагра, Португалия 2008), V и VI Международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск 2006, 2009), XXXIV Международной конференции по физике плазмы (Карлсруэ, Германия 2008), Всероссийской научной молодежной школе 'Проблемы и приложения электроразрядной обработки в индустрии наносистем и наноматериалов' (Петрозаводск 2009), а также докладывались и обсуждались на заседаниях Кафедры Общей физики 1 СПбГУ.
ПУБЛИКАЦИИ. Основные результаты диссертации опубликованы в шести статьях, а также в тезисах докладов, список которых приводится в конце автореферата.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации состоит из 93 страниц, включая 41 рисунок, список литературы состоит из 77 наименований.
