Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Краткий обзор литературы по пылевой плазме 9
1.1. Общепринятые представления о пылевой плазме 9
1.1.1. Общие сведения о пылевых частицах 9
1.1.2. Силы, действующие на уединенные пылевые частицы 12
1.3. Наблюдения плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда 15
1.2. Работы по исследованию пылевой плазмы в магнитном поле 18
1.2.1. Исследования в установке с разделенными электродами 18
1.2.2. Исследование в ВЧ разряде в расходящемся магнитном поле 20
Глава II. Наблюдения плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда в магнитном поле 24
2.1. Экспериментальная установка и условия эксперимента 24
2.1.1. Установка. 24
2.1.2. Метод наблюдения. 27
2.1.3. Условия разряда и параметры частиц. 28
2.2. Описание пылевых структур в стратах 28
2.2.1. Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в страте 28
2.2.2. Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в страте в магнитном поле. 47
2.2.3. Структура из частиц кварца и ниобата лития 48
2.2.4. Описание структуры с помощью парной функции распределения п(г) 48
2.3. Наблюдение вращения плазменно-пылевой структуры 49
2.3.1. Разупорядоченные структуры из частиц кварца. 54
2.3.2. Относительно упорядоченные структуры из частиц ниобата лития 54
2.4. Измерение угловой скорости вращения. 55
2.4.1. Расчет угловой скорости. 55
2.4.2. Зависимость угловой скорости от магнитного поля. 57
2.4.3. Наблюдение вращения плазменно-пылевой структуры. Вертикальное сечение 64
2.5. Изменение упорядоченности плазменно-пылевой структуры в магнитном поле 65
Глава III. Интерпретация результатов 67
3.1. Обсуждение возможных причин вращательного движения плазменно-пылевых структур в магнитном поле 67
3.1.1. Непосредственное действие магнитного поля на заряженные пылевые частицы 67
3.1.2. О неоднородности наложенного магнитного поля 67
3.1.3. О колебательных движениях пылевых частиц в магнитном поле 68
3.1.4. О возможном увлечении плазменно-пылевой структуры вращением нейтрального газа разряда 69
3.1.5. О движении пылевых частиц под действием увлечения потоками частиц плазмы 73
3.2. Оценка силы ионного увлечения. 73
3.3. Наблюдение возникновения вращения плазменно-пылевых структур 78
3.3.1. Смещение пылевой структуры с оси разрядной трубки в слабых магнитных полях. Термофорез. 78
3.3.2. Смещение плазменно-пылевых структур с оси трубки в сильном магнитном поле. Наклон разрядной трубки. 82
3.4. Наблюдение траекторий падающих в разряде частиц. 88
3.4.1. Радиальные отклонения траекторий пробных частиц 91
3.4.1.1. Радиальные отклонения траекторий пробных частиц в слабом магнитном поле и без поля (вертикальное сечение) 91
3.4.1.2. Радиальные отклонения траекторий пробных частиц в сильном магнитном поле (вертикальное сечение) 93
3.4.2. Азимутальные отклонения траекторий пробных пылевых частиц в магнитном поле (горизонтальное сечение) 98
3.4.2.1. Слабые магнитные поля (соответствующие вращению структуры с отрицательной угловой скоростью) 98
3.4.2.2. Сильные магнитные поля (соответствующие вращению структуры с положительной угловой скоростью) 100
Заключение 102
Литература 104
- Наблюдения плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда
- Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в страте
- Непосредственное действие магнитного поля на заряженные пылевые частицы
- Радиальные отклонения траекторий пробных частиц в сильном магнитном поле (вертикальное сечение)
Введение к работе
Актуальность темы. Пылевая плазма -представляет собой квазинейтрайльный ионизированный газ с твердыми частицами, которые в плазму вводятся извне, или в ней образуются и растут. Иногда о такой плазме говорят как о плазме с конденсированной дисперсной фазой, коллоидной или комплексной. В лабораторной пылевой плазме размер пылевых частиц а может быть от 0,01 до 100 мкм.
В лабораторных условиях пылевая плазма была впервые обнаружена Ленгмюром еще в 1924 году. Сейчас установлено, что пылевая компонента чаще присутствует, чем отсутствует в разрядах различного типа. Ее удержание в разряде происходит за счет появления отрицательного заряда q у пылевых частиц, который может достигать в низкотемпературной плазме более 1000 элементарных. Тогда макрочастица в области достаточно сильного электрического поля Е удерживается в плазме: mg = Eq, здесь m -масса макрочастицы. У стенок газоразрядной камеры существует потенциальный барьер. Т.о., газовый разряд создает "естественную" потенциальную ловушку для пылевых частиц, и в плазме создаются плазменно-пылевые образования. При подсветке, например, лазерным лучом, пылинки можно наблюдать практически невооруженным глазом.
Активное исследование пылевой плазмы началось в последнее десятилетие, в связи с рядом технических приложений. Особым стимулом исследований стало обнаружение плазменно-пылевых структур кристаллического типа в лабораторной плазме СВЧ разряда в 1994 г. Необходимость изучения свойств пылевой плазмы связано с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также при производстве тонких пленок и наночастиц. Наличие частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности полупроводникового элемента и, тем самым, к увеличению выхода брака, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Уменьшение и
5 предотвращение этих негативных эффектов невозможно без понимания процессов образования и роста конденсированных частиц в плазме, механизма их переноса и влияния на свойства разряда.
Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они обнаружены в планетарных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках, вблизи искусственных спутников Земли. Сегодня роль коллективных эффектов, вносимых пылью, учитывается при астрофизических исследованиях. Например, показано, что в кольцах Сатурна для частиц менее 1 мкм доминирующей силой взаимодействия является электростатическое отталкивание. Оно определяет толщину планетарных колец.
Пылевая компонента существует в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием. Она образуется при ядерных взрывах.
Интерес к данному объекту с фундаментальной точки зрения вызван также следующим. Плазма как смесь газов обычно характеризуется слабым или умеренным взаимодействием между компонентами (по сравнению с их тепловой энергией), что отделяет это состояние вещества от твердого и жидкого состояний, характеризуемых сильным взаимодействием. Критерием сильной связи может служить параметр неидеальности Г (постоянная связи), определяемый как отношение энергии кулоновского взаимодействия между соседними частицами к тепловой энергии частиц.
В часто используемых простых моделях эффектами экранирования пренебрегают, и тогда при Г ~ 1 в системе появляется ближний порядок, а при Г> 170 - дальний. Происходит кристаллизация. Одна из возможностей повышения Г в эксперименте - увеличение заряда частиц q. 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.
6 Плазменный кристалл может иметь различную кристаллическую структуру с постоянной решетки порядка долей миллиметра. Это позволяет наблюдать его невооруженным глазом. Плазменные кристаллы обладают целым рядом уникальных свойств, делающих их незаменимым инструментом, как при исследовании свойств неидеальной плазмы, так и при исследовании фундаментальных свойств кристалла. К ним следует отнести простоту получения, наблюдения и контроля за 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. Все перечисленное отражает актуальность темы.
Цель работы. Основной целью является получение новых
экспериментальных сведений о плазменно-пылевых структурах,
образующихся в тлеющем разряде постоянного тока при наложении внешнего продольного магнитного поля. Исследование механического состояния и поведения плазменно-пылевых структур при различных внешних воздействиях, в том числе нескольких одновременно.
Положения, выносимые на защиту:
1. Исследование плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда
в хмагнитном поле. Вращательное движение плазменно-пылевых структур,
сложным образом зависящее от внешних условий.
2. Изменение степени порядка структуры без магнитного поля и в
магнитном поле.
3. Результаты опыта по воздействию гравитационной силой на плазменно-
пылевую структуру при наложении магнитного поля путем наклона
разрядной трубки со структурой в стратах вокруг горизонтальной оси в
поле силы тяжести.
4. Метод определения поля сил, действующих на пылевые частицы, по наблюдению за траекториями падающих в стратифицированном разряде отдельных пробных частиц.
Научная новизна:
1. Впервые проведены исследования плазменно-пылевых структур в
стратах тлеющего разряда в магнитном поле. Обнаружено вращательное
движение плазменно-пылевых структур, сложным образом зависящее от
внешних условий. Детальное исследование скорости вращения при
искусственной слабой разупорядоченности плазменно-пылевой структуры
показало существование радиального и осевого градиентов вращения, а
также перемену направления вращения при увеличении магнитного поля до
200 Гс. Наблюдение за возникновением и прекращением вращения говорит о
двух конкурирующих механизмах его появления.
2. Проведен опыт по воздействию гравитационной силой на плазменно-
пылевую структуру при наложении магнитного поля путем наклона
разрядной трубки со структурой вокруг горизонтальной оси в поле силы
тяжести. Обнаружено удержание плазменно-пылевых структур радиальным
полем разряда, перестройка структуры, а в магнитном поле - прекращение
вращения.
3. Впервые обнаружено изменение упорядоченности структуры, вызываемое
магнитным полем. Выяснено, что в отсутствие магнитного поля
упорядоченность структуры в горизонтальных сечениях уменьшается по
потоку ионов.
4. Предложен метод определения поля сил, действующих на пылевые
частицы, по наблюдению за траекториями падающих в стратифицированном
разряде отдельных пробных пылевых частиц.
Практическая ценность работы:
В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, о поведении и состоянии плазменно-пылевых структур в магнитном поле. Изучены особенности формирования плазменно-пылевых структур в стратифицированном разряде в магнитном поле -установлено, что плазменно-пылевая структура в магнитном поле выше некоторого значения не формируется.
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.
Результаты опытов по воздействию силами различной природы на плазменно-пылевые структуры (в том числе несколькими одновременно) могут быть использованы при контроле и управлении частицами в технологических процессах. Например, результаты опыта с наклоном разрядной трубки в поле силы тяжести могут быть использованы для вывода загрязняющих плазменный объем пылевых частиц.
Предложен и применен метод определения сил, действующих на пылевые частицы в стратифицированном разряде. Проведенные качественные эксперименты показывают возможность определения таким образом распределения электрического поля в разряде, в частности, в стоячих стратах.
Полученные новые результаты используются в учебном процессе.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах [36, 42, 43, 52 - 60, 65].
Наблюдения плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда
До 1997 г. упорядоченные плазменно-пылевые структуры в лабораторных условиях наблюдались в основном в плазме ВЧ разрядов. В работе [21] впервые было проведено исследование формирования и поведения плазменно-пылевых структур в тлеющем разряде. Пылевые образования формировались в стратах и двойном электрическом слое, образующемся при сужении разрядной трубки. В работе использовались частицы двух, сортов: плотностью 2,3 г/см3 стеклянные сферы диаметром 60 мкм с толщиной стенки 1 - 5 мкм, а также плотностью 4 г/см3 и диаметром 3 — 5 мкм. Буферный газ - неон при давлении 0,1-1,7 Торр. Разрядный ток 0,1 — 10 мА. В этих условиях положительный столб существует в стратифицированном состоянии [22, 23]. В области головы страты продольное поле может иметь величину [24], достаточную для уравновешивания силы тяжести. Экспериментальная установка состоит из вертикально ориентированной разрядной трубки с холодными электродами, расположенными в боковых отростках. Катод расположен внизу, в верхней части — контейнер с частицами. Подсветка лазерным ножом осуществляется сбоку, а видеосъемка - сверху или сбоку под углами 60 и 90 к лучу. Для демпфирования колебаний разряда вследствие перемещения катодного пятна в нижнюю часть трубки вводилась дополнительная трубка с сужением.
Авторы описывают процесс формирования структур в стратах. Частицы, падая, проскакивают положение равновесия, а потом "всплывают", образуя упорядоченные структуры. Наблюдаются частицы, имеющие индивидуальные движения: движущиеся к аноду по периферии страты или совершающие орбитальные движения вокруг структуры. Отмечаются встречные круговые движения отдельных частиц.
Формирование упорядоченных структур происходит в нескольких стратах. При изменении параметров разряда возможно слияние структур из соседних страт в одну протяженную. Это демонстрируют видеоизображения вертикальных сечений. Для выяснения степени упорядоченности структур используется их описание через условную функцию распределения частиц п(г). В связи с небольшими размерами (несколько миллиметров) и неоднородностью условий авторы для описания ввели эту функцию вместо обычно применяемой парной корреляционной функции [25]. Кроме того, они предложили проводить расчеты не по всем частицам сечения, а лишь по частицам из центральной области, содержащей до 80% всех частиц в сечении. Из сравнений приведенных функций видно, что такой подход более информативен. Например, можно проследить, как с увеличением тока от 0,4 до 4,0 мА происходит размытие второго и третьего порядка функции п(г) для центральных частиц. Показано, что структуры, образующиеся в тлеющем разряде, могут иметь различную степень упорядоченности, но чаще являются жидкостными. Ориентационный порядок в работе не исследовался.
Авторы определяют условия в разряде, основываясь на литературных сведениях о стратах, и вычисляют заряд частиц. В зависимости от размеров частиц он может быть от 10J до 10 элементарных. Объясняя равновесие частиц, в работе оценивается продольное электрическое поле, необходимое для левитации частиц большого размера около 45 В/см. Это в 3 - 4 раза больше, чем обычно наблюдаемые поля в стратах. В работе высказывается предположение о значительном влиянии плазменно-пылевых структур на характеристики разряда. Оценена концентрация пылевой компоненты (250 см"3), при которой частота гибели плазменных частиц на пылинках равна частоте амбиполярных уходов. Авторы предполагают, что увеличение плотности частиц должно сопровождаться ростом частоты ионизации, необходимой для поддержания стационарного режима разряда. Это означает рост электронной температуры и электрического поля. Такое предположение может снять количественное вышеуказанное несоответствие.
В работе [9] измерялся заряд пылевых частиц, левитирующих в стратах в зависимости от их размера. Метод измерения обсуждался в п. 1.1.1. Результаты показывают, что в плазме тлеющего разряда заряд частиц может варьироваться от 103 до 105 элементарных для частиц от 2 до 14 мкм, а потенциал частиц - от 5 до 30 В. Достаточно часто плазменно-пылевые структуры Б стратах находятся в неустойчивом состоянии. Частицы совершают колебания, особенно, в нижней части структуры при уменьшении давления газа. В работе [26] исследовались пылезвуковые волны. Обнаружено возникновение собственных колебаний и дана интерпретация как результат плазменно-пылевой токовой неустойчивости. Исследовано развитие неустойчивости. На рисунках приведены изменения плотности пылевых частиц. Волны плотности имеют длину около 1 мм. Отмечено, что колебания исчезают при увеличении давления газа и возрастании тока.
В работе [27] впервые произведены наблюдения плазменно-пылевых структур с частицами цилиндрической формы: длиной 300 мкм, диаметром 7,5 и 15 мкм. Такие вытянутые частицы левитировали в смеси неона и водорода. Устойчивым положением частиц оказалось горизонтальное, причем частицы ориентировались вдоль одного направления в каждом горизонтальном сечении. Авторы связывают это направление с конструктивной асимметрией трубки. В работе обнаружено существование ближнего порядка в расположении центров масс частиц. Такая структура получила название жидкого плазменного кристалла.
Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в страте
Разряд зажигался в водороде, неоне, а также в смеси этих газов с воздухом. Диапазон параметров разряда определялся условиями существования стоячих страт для используемой разрядной трубки радиусом 1,2 см. Устойчивые пылевые структуры существуют в еще более узкой области параметров. Давление изменялось в пределах от 0,2 до 1,4 Торр, разрядный ток - от 1 до 5 мА. Расстояние между стратами составляло 2 -2,5 см, длина светящейся части до 1 см. Магнитное поле изменялось в пределах от 0 до 400 Гс.
В работе использовались частицы двух видов. Первый - частицы кварца плотностью материала 2,5 г/см произвольной формы. Порошок фильтровался по времени оседания в воде, выбранные частицы имели характерные линейные размеры в диапазоне 15-30 мкм. В опытах, проведенных с чистыми газами, частицы предварительно помещались в ВЧ поле, где прогревались под откачкой диффузионным насосом. Второй вид - частицы ниобата лития плотностью материала 4,6 г/см , также произвольной формы. Их характерные размеры находятся в диапазоне 2 — 4 мкм. Эксперименты с ними в чистых газах не проводились, поэтому специально порошок не очищался.
Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в страте Пылевые частицы вбрасываются в область разряда небольшими порциями при встряхивании контейнера. Количество частиц строго не контролируется. Типичная пылевая структура, образованная в страте, представлена на Рис. 3. Частицы зависают в нижней части головы страты, в том месте, где действующая на них электрическая сила способна уравновесить силу тяжести. Эта область в первую очередь, определяется величиной продольного поля Е, которое имеет максимум в головной части страты (Рис. 4). Верхний слой пылевой структуры, вероятно, располагается вдоль некоторой поверхности, на которой qE = const. Остальные частицы подстраиваются под частицы верхнего слоя, образуя расходящиеся цепочки. В литературе считается, что цепочки выстраиваются вдоль ионных потоков [16], т.к. частице выгоднее находиться в той области, где ионный поток ослаблен предыдущей частицей, и сила ионного увлечения, действующая вниз, уменьшается. Таким образом, создается структура из частиц, связанных между собой.
После того, как структура оказывается сформированной, инжектируемые в плазму частицы перестают к ней подстраиваться. Возможно, это связано с тем, что структура видоизменяет распределение потенциала окружающей плазмы, создавая на своей границе отрицательный потенциальный барьер, как известно из литературы [39]. Иногда удается создать пылевое облако, состоящее из нескольких подобных структур, располагающихся одна под другой (Рис. 5 и 6), инжектируя в разряд порции пылевых частиц с некоторыми временными интервалами. Структуры образуются последовательно, начиная с верхней. Они характеризуются разным межчастичным расстоянием и, видимо, состоят из частиц разного размера (см. подписи к рис. 5 и 6). Центр пылевой структуры в горизонтальной плоскости совпадает с осью разрядной трубки, если трубка расположена вертикально, в ее конструкции нет азимутальной асимметрии, и отсутствуют внешние тепловые потоки [19].
Изменение потенциала на оси трубки в стратифицированном положительном столбе. Электрическое поле велико в области перепада потенциала. Такая зависимость характерна как для движущихся, так и для неподвижных страт. Рисунок взят из работы [24]. Рис. 5. Пылевое облако, состоящее из трех структур. Структуры формируются последовательно одна под другой. Вероятно, вокруг каждой структуры образуется потенциальный барьер, который не позволяет падающим частицам к ней достраиваться. Изменяя параметры разряда, можно добиться "перемешивания" частиц и образования одной структуры. Частицы - ниобат лития размером 2 - 4мкм. Подсветка вертикальной плоскостью толщиной 1 мм. Условия: газ - неон, давление Р = 0,7 Торр, разрядный ток і = 2мА. Размер кадра по горизонтали 13мм. Рис. 6. Пылевое облако, состоящее из двух структур. Пылевые частицы в верхней и нижней структуре существенно отличаются по размеру. Добиться образования одной структуры в этом случае не удается (не удается "перемешать" частицы из верхней и нижней структуры). Частицы - кварц размером 15 - 30 мкм. Подсветка вертикальной плоскостью толщиной 1,5 мм. Условия: газ - неон, давление Р — 0,7 Торр, разрядный ток і - 2мА. Размер кадра по горизонтали 15 мм. Рис.7. Форма пылевой структуры в страте. Частицы - ниобат лития размером 2 - 4мкм. Подсветка вертикальной плоскостью толщиной 1 "мм, проходящей через центр структуры, z - 0,54. Условия: газ - неон, давление Р - 0,7 Торр, разрядный ток 1мА. Размер кадра по горизонтали 13мм. Форма пылевой структуры в страте. Частицы - ниобат лития размером 2 - 4мкм. Подсветка вертикальной плоскостью толщиной 1 мм, проходящей через центр структуры. Условия: газ - неон, давление Р = 0,7 Торр, разрядный ток і = 4,2мА, магнитное поле 400Гс. Размер кадра по горизонтали 28 мм. С изменением разрядного тока изменяется форма пылевой структуры. При увеличении разрядного тока пылевая структура уплощается, одновременно расширяясь вдоль радиуса трубки (Рис. 7 - 13). Для того чтобы характеризовать изменение формы структуры, можно ввести параметр z, равный отношению характерного вертикального размера структуры горизонтальному. В центральной области положение частиц становится неустойчивым, возникают хаотические колебания. При некоторой величине разрядного тока в центре образуется область, свободная от пылевых частиц, так называемый войд [40].
Непосредственное действие магнитного поля на заряженные пылевые частицы
Наблюдаемая угловая скорость вращения плазменно-пылевых структур в стратах шч имеет величину от 0 до 3 рад/с (в магнитном поле до 400 Гс). Действие магнитного поля на заряженную частицу определяется n_qB п циклотронной частотой вращения i = —. Для наших условии, как для частиц ниобата лития, так и для частиц кварца, Q не превышает 10" рад/с. Таким образом, вращение пылевых структур в магнитном поле не связано с непосредственным действием магнитного поля на заряженные пылевые частицы.
По поводу прямого воздействия магнитного поля на пылевые частицы можно сказать, что оно возможно. Такие наблюдения проведены в [44, 45] в полях до 40000 Гс, когда пылевые частицы оказываются замагниченными. Результаты работ показывают, что после того, как в магнитном поле оказываются замагниченными ионы, угловая скорость вращения структуры начинает убывать с ростом В. Это позволяет предположить важность роли ионных потоков на пылинки в возникновении вращения структур.
Для создания магнитного поля использовались имеющиеся в лаборатории катушки с размерами: диаметр 30 см, внутренний зазор 6 см, длина каждой 15 см. Обычно при оптических наблюдениях между катушками оставляют зазор в 1 - 2 см. Однако, в такой узкой области оказалось невозможным образование страты в магнитном поле, даже при вертикальном перемещении разрядной трубки. Поскольку положение страт меняется с изменением магнитного поля, практически целесообразным оказалось увеличить зазор до 9 см. Вследствие этого однородность магнитного поля ухудшилась. Топография магнитного поля была промеряна с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-7. Она представлена на Рис. 2.
Для выяснения возможного влияния неоднородности поля пылевая структура в исследуемой страте помещалась в область расходящихся, сходящихся и параллельных силовых линий магнитного поля путем перемещения разрядной трубки вдоль ее оси. Ни перемены направления, ни заметного изменения величины угловой скорости не обнаружено. Все основные результаты, полученные в работе, определялись в центральной части зазора между катушками, где однородность поля вдоль на 3 см и поперек на 0,5 см не хуже 5%. Таким образом, мы не связываем появление вращения с неоднородностью магнитного поля.
В работе [37] вращательное движение плазменно-пылевой структуры наблюдалось в расходящемся магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом. Авторы также не связывают вращательное движение с неоднородностью магнитного поля.
В экспериментах не всегда удается добиться стабильного положения пылевых частиц. В большей или меньшей степени их колебания около положений равновесия присутствуют. В работе [46] теоретически исследован результат радиального движения заряженных пылевых частиц в продольном магнитном поле, а также проведено моделирование со структурами из малого числа частиц. Результаты показывают возникновение азимутального движения в разных направлениях и с разными траекториями в зависимости от начальных условий. Модель строилась без учета силы сопротивления. Сопротивление о нейтральный газ приводит к диссипации за характерные времена от 1 с до 1 мин. Т.о., стационарное вращение не объясняется. Более того, наши эксперименты в стратах показывают, что существенные колебательные движения могут подавлять вращательное движение. Например, при давлении менее 0,5 Торр в нижней части плазменно-пылевой структуры почти всегда наблюдается значительное дрожание частиц [26]. При этом верхняя часть структуры вращается, и вращение существует неограниченно долго.
При изучении магнитомеханического эффекта в газовом разряде для его объяснения была высказана гипотеза о том, что нейтральный газ разряда приходит во вращение в магнитном поле [47]. Это вращение передается легким диэлектрическим телам, помещенным в разряд. По повороту подвеса определялась величина момента сил М, количественно характеризующая эффект [48].
В работе [49] скорости вращения регистрировались по допплеровскому сдвигу частоты. В последующих работах, проведенных в группе М.П. Чайки [50 - 53], зарегистрировать вращение газа непосредственно не удалось. Сегодня можно сказать, что полной ясности в этом вопросе нет. Магнитомеханический эффект в газовом разряде существует. Это подтверждено в относительно недавних опытах по измерению момента сил [51]. Но гипотеза увлечения подвеса вращающимся газом не подтверждена [54 - 58].
Можно оценить, какие по величине скорости вращения могут вызывать момент сил, наблюдавшийся в экспериментах [48, 51]. Выполним элементарную газокинетическую оценку, предполагая, что подвес заданной формы помещен в стационарный поток газа, см. Рис. 30. Здесь ОО - ось разряда и нить подвеса; 2L - длина подвеса (расположенного сішметрично по диаметру трубки); Ro - радиус трубки. Предположим, что при стационарном вращении газа вращение происходит дифференциально. Промоделируем его формулой V(r) = V0(r/R0)[\-{r/R0)], где Vo -максимальная по г скорость. Заметим, что, моделируя вращение газа с постоянной линейной или угловой скоростью (по радиусу трубки), мы получаем результаты того же порядка. Считая, что атомы газа передают весь свой импульс подвесу, вычисляем действующий на него момент сил М: iM = 4mNnNhRJ;V02, где mN и nN — соответственно масса и концентрация атомов, h — высота подвеса. По формуле можно вычислить характерную скорость азимутального движения газа Vo, подставляя в нее величину экспериментально измеренного момента М.
В работе [51] измерялся момент сил в Аг и Ne при разрядных токах 340-550 мА в интервале давлений от 0.01 до 2 Торр в магнитном поле до ПООГс. Диапазон изменений момента сил М: 10"9 - 10"8 Н-м, которому по вышеприведенной формуле соответствует интервал скоростей Vo: 2.4- 8м/с. В работе [48] не приведены геометрические параметры подвеса, поэтому оценки величин скоростей на основании [48] затруднительны.
Радиальные отклонения траекторий пробных частиц в сильном магнитном поле (вертикальное сечение)
Как и в случае слабых хмагнитных полей, в страте качественно можно выделить две области, в которых частицы имеют радиальное ускорение, направленное к центру и от центра трубки. Однако, в больших магнитных полях оказывается невозможным проследить траектории частиц по всей высоте сечения, это связано с тем, что пробные частицы имеют азимутальное движение и ухЪдят из плоскости подсветки. Кроме того, частицы не подлетают к оси трубки на расстояние г меньше 4-5 мм (Рис. 396). Таким образом, часть разряда, которую можно прозондировать с помощью пробных падающих частиц, уменьшается. Оценка ускорений возможна только для некоторых частиц (самых ближних к оси трубки, вероятно, самых легких). Величина их радиального ускорения к стенке трубки составляет 12 см/с . Для большинства частиц радиальные ускорения по отснятым видеофильмам не определяются. Наблюдения проводились как в присутствии пылевой структуры в страте, так и при полном ее отсутствии. Качественных различий результатов не обнаружено.
Таким образом, во всем исследованном диапазоне магнитных полей в страте существуют области, в которых пробные частицы имеют радиальное и одновременно вертикальное ускорение. Рис. 40. Область в страте, где пробные частицы испытывают наибольшие радиальные ускорения. Заштрихованная область 1 - ускорения направлены к оси трубки, дважды заштрихованная область 2 - ускорения направлены к стенке трубки. Крестом обозначена наиболее яркая часть светящейся области страты.
Горизонтальная проекция траектории пробной частицы в магнитном поле В В0 (а) - схема, заштрихованная часть - область, занимаемая пылевой структурой, б) - инвертированное изображение нескольких наложенных кадров, крестом обозначен центр сечения трубки, азимутальные направления траекторий соответствуют риса. Для частицы 1 последовательно наложено 9 кадров, линейная азимутальная скорость 6 мм/с, средняя угловая скорость 1,2 рад/с ). Магнитное поле направлено вверх. Обсудим возможные причины обнаруженных радиальных ускорений. В радиальном направлении на пробную частицу действуют электрическая сила
Fer, сила ионного увлечения F и термофоретическая сила FJ. Силы Fer и FJ могут быть сравнимы по порядку величины (около 10"14Н), как было показано в [19] для похожих условий, а сила ионного увлечения много меньше (около 10" Н). По характеру радиальных отклонений пробных частиц в обоих направлениях (в обеих областях), можно предположить, что они вызваны именно электрической силой. Величина радиального поля в области 1 (Рис. 40), вычисленная по ускорениям наиболее легких частиц с учетом силы термофореза, порядка ОД В/см. В области 2 точные количественные оценки затруднительны (поскольку Fer и F сонаправлены). Можно сказать, что если радиальное поле в области 2 направлено к оси трубки, то его величина меньше, чем в области 1.
Наблюдения траекторий пробных частиц при смещенной структуре в слабых магнитных полях и при отсутствии структуры в страте в сильных полях показывают, что влияние структуры на радиальное движение падающих частиц несущественно.
Таким образом, наблюдая за траекториями падающих частиц, можно предположить, что в страте существуют области, в которых радиальное поле направлено на стенку трубки и области, в которых поле направлено к оси трубки. Это предположение согласуется с работами [68, 69], в которых экспериментально показано, что бегущие страты в подобных условиях имеют двумерный характер (в частности, из Рис. 2.2 [69] можно видеть, что радиальный профиль потенциала имеет минимум при г = 4 мм, а не на оси трубки).
Наблюдения проводились в первой страте в слабых и сильных магнитных полях, что соответствует вращению пылевой структуры с отрицательной и положительно угловой скоростью. Область наблюдения подсвечивалась горизонтальной "плоскостью" толщиной 1 см, видеокамера располагалась сверху. Такая подсветка позволяет регистрировать направление азимутального движения пробных частиц, падающих с вертикальной скоростью до 8-10 см/с. Для более быстрых частиц азимутальные отклонения не разрешаются. Это накладывает дополнительное ограничение на область наблюдения.
Азимутальное движение падающих пробных частиц в магнитном поле, очевидно, может быть вызвано действующей на них силой ионного увлечения, существующей благодаря радиальной составляющей ионных потоков, отклоняющихся в магнитном поле. Наблюдения проводились как при наличии сформированной пылевой структуры в страте, так и без нее с тем, чтобы определить степень влияния структуры на направление потоков ионов.
Наблюдения проводились в магнитном поле от 0 до 150 Гс. Магнитное поле было направлено вверх. Область наблюдения разбивалась на несколько слоев (см. Рис. 41), наблюдения проводились последовательно в каждом. В этих магнитных полях падающие частицы имеют возможность встраиваться в существующую в страте пылевую структуру, увеличивая ее размеры, или образовывать новую структуру. Поэтому в слабом магнитном поле затруднительно проводить эксперименты с падающими частицами в отсутствии пылевых структур в стратах. На Рис. 41 схематично изображен поток падающих частиц. В слоях 1 - 3 Рис. 41 во всем диапазоне магнитных полей (до 150 Гс) пробные частицы отклоняются в направлении по часовой стрелке. В слое 4 и ниже частицы не имеют азимутальных отклонений в магнитных полях до 100 Гс. С увеличением поля от 100 Гс пробные частицы начинают испытывать азимутальные отклонения против часовой стрелки сначала в слое 5, а затем и выше. (При этом вращение пылевой структуры в страте с отрицательной угловой скоростью начинает замедляться.) Горизонтальная проекция траектории пробной частицы схематически приведена на Рис. 42.
Были сделаны попытки наблюдать падающие частицы сразу после включения разряда, когда в страте еще не образована пылевая структура. В этом случае для каждого слоя производилась видеосъемка первой порции падающих частиц. После этого разряд выключался, и частицы, образовывавшие структуру, падали. Такой эксперимент нельзя считать вполне корректным, т.к. пробные частицы имеют разную массу, и соответственно, падают с разной скоростью. Установка же позволяет наблюдать только самые легкие частицы, т.е. самые медленные. К тому моменту, когда они попадают в область наблюдения, в страте уже оказывается частично сформирована пылевая структура из более тяжелых частиц. Поэтому говорить о том, что пылевая структура в страте отсутствует, можно только условно. Наблюдения проводились в тех же условиях, что и в предыдущем случае (когда структура в страте полностью сформирована). Получены следующие результаты: в слое 1 Рис. 41 при всех магнитных полях пробные частицы испытывают отклонение по часовой стрелке. В слоях 2 — 4 азимутальных отклонений не наблюдается. В этом состоит отличие от случая, когда в страте существует пылевая структура.
