Введение к работе
Диссертация посвящена численному изучению динамики заряженных частиц в широком диапазоне параметров близких к условиям экспериментов в лабораторной плазме ВЧ разрядов
Актуальность работы. Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий заряженные частицы вещества микронных размеров (макрочастицы) Такая плазма широко распространена в природе (в космосе, в верхних слоях атмосферы) и образуется в ряде технологических процессов (в процессе сгорания топлив, при травлении и напылении, в производстве наночастиц и т д ) [1]
Лабораторная пылевая плазма является хорошей экспериментальной моделью как для изучения свойств сильно неидеальной плазмы, так и с точки зрения проверки существующих моделей в теории жидкости Благодаря своему размеру, пылевые частицы в лабораторной плазме могут быть сняты видеокамерой, что значительно упрощает применение бесконтактных методов для их диагностики В частности, возможно прямое определение функции распределения пылевых частиц по координатам и импульсам Это позволяет детально исследовать различные транспортные процессы, формирование фазовых переходов, низкочастотные пылевые колебания и т д, а также делает возможным реализацию принципиально новых методов диагностики параметров пылевых частиц и окружающей плазмы [1-5]
Большинство экспериментов по изучению пылевой плазмы проводится в слабоионизованной плазме газовых разрядов Неэмитирующие пьшевые частицы в такой плазме могут приобретать значительный отрицательный заряд |eZ|~102-105е и формировать трехмерные, или квазидвумерные структуры, подобные жидкости, или твердому телу Формирование квазидвумерных структур, состоящих от 1 до ~10 пылевых слоев, является типичными для экспериментов в плазме емкостного высокочастотного (вч-) разряда. Изучение таких структур, включая исследование физических характеристик протяженного, практически однородного пылевого монослоя (идентичного рассматриваемому в работе), вызывают широкий интерес [5-11]
Диссипация играет важную роль для анализа динамики частиц в слабоионизованной плазме Основным источником диссипации кинетической энергии пылевых частиц в лабораторной плазме являются их столкновения с нейтралами окружающего газа Диффузия макрочастиц является основным процессом массопереноса, который (наряду с вязкостью) определяет энергетические потери (диссипацию) в плазменно-пылевых системах Коэффициенты переноса (такие как коэффициенты диффузии, вязкости, теплопроводности) являются фундаментальными параметрами, которые
отражают термодинамические свойства системы Наличие аналитических соотношений для этих коэффициентов в случае жидкого состояния вещества дает возможность использовать известные гидродинамические модели для анализа распространения волн, сдвиговых течений и условий формирования различных неустойчивостей в неидеальных средах
Исследования неидеальных диссипативных систем представляет значительный интерес в различных областях науки и техники (физика плазмы, медицина, физика полимеров и т д) [12-15] Основная проблема при изучении таких систем связана с отсутствием аналитической теории жидкости, которая могла бы объяснять ее физические свойства, описывать явления тепло- и массопереноса и т д В настоящее время для изучения жидкого состояния вещества широко используются методы численного моделирования Большинство численных исследований транспортных свойств пылевой плазмы, представленные в настоящее время в научной литературе, относятся к изучению трехмерных [16-19], или чисто двумерньйГ систем [5-11] Вопрос о влиянии дополнительной степени свободы (смещения частиц перпендикулярно плоскости монослоя) на динамику частиц до настоящего времени оставался открытым При этом даже для двумерной постановке задачи практически отсутствуют данные о влиянии диссипации на формирование упорядоченных структур и транспорт макрочастиц Решению этих вопросов и посвящена данная диссертационная работа
Цели диссертационной работы. Целью настоящей работы являлось исследование динамики квазидвумерных систем, представляющих собой монослой макрочастиц, взаимодействующих посредством экранированного кулоновского потенциала, включая анализ
условий формирования протяженных квазидвумерных структур заряженных макрочастиц,
пространственной корреляции макрочастиц, процессов массопереноса на малых временах наблюдения,
процессов диффузии и вязкости,
особенностей фазовых переходов в квазидвумерных системах взаимодействующих частиц
Для достижения целей работы численные исследования динамики макрочастиц были выполнены в широком диапазоне параметров типичных для условий наблюдения пылевых структур в плазме емкостного вч- разряда Определены основные параметры, отвечающие за фазовое состояние и процессы переноса Получены аналитические аппроксимации для различных транспортных характеристик
Научная новизна работы состоит в следующем
Впервые выполнено численное исследование транспортных характеристик для квазидвумерных диссипативных систем взаимодействующих частиц
Найдены безразмерные параметры, отвечающие за фазовое состояние и процессы переноса в квазидвумерных системах для частиц, взаимодействующих посредством экранированного парного потенциала Ранее такие параметры предлагались только для случая однородных трехмерных систем [17,18]
Получены новые численные данные о процессах диффузии и вязкости Предложены простые аналитические аппроксимации коэффициентов диффузии и вязкости для сильно-неидеальных квазидвумерных систем Соотношения, связывающие основные параметры таких сред с коэффициентами переноса взаимодействующих частиц, отсутствовали в научной литературе до настоящего времени
Проведена проверка формулы Эйнштейна-Стокса для связи между коэффициентами диффузии и вязкости в квазидвумерных диссипативных системах Результаты этой проверки выявили существенные отличия с результатами проверки данной формулы для случая бездиссипативных чисто двумерных систем [11]
Было установлено, что динамика процессов массопереноса в плазменно-пылевых жидкостных системах на малых временах наблюдения подобна процессам в твердом теле Найдено аналитическое соотношение для функции массопереноса на физически малых временах наблюдения, ранее отсутствующее в научной литературе
Изучены особенности двухстадийного плавления квазидвумерных систем взаимодействующих частиц Полученные результаты имеют значительное отличие от результатов, предлагаемых для чисто двумерных систем [7-9] Предложены новые критерии, определяющие формирование специфического топологического перехода между изотропной жидкостью и гексатической фазой твердого тела, и точку фазового перехода системы в двумерный кристалл с идеальной гексагональной решеткой
Исследованы условия формирования протяженных квазидвумерных структур заряженных макрочастиц, удерживаемых в поле тяжести внешними электрическими полями Найден критерий, определяющий появление нового пылевого слоя в квазидвумерной системе макрочастиц, который связывает параметры потенциала межчастичиого взаимодействия с количеством макрочастиц и градиентами внешнего
электрического поля Аналитического условия, объединяющего перечисленные параметры в критерий формирования нового слоя частиц, ранее предложено не было
Практическая ценность работы Полученные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением физических свойств пылевой плазмы, а также разработкой методов бесконтактной диагностики дисперсных сред Результаты данной работы могут способствовать развитию ряда приложений, связанных с удалением частиц при производстве микросхем, моделированием нанокристаллов, контролируемым осаждением взвешенных частиц на подложку с целью получения материалов и покрытий с заданными свойствами и т д
Научные положения, выносимые на защиту:
Безразмерные параметры, отвечающие за фазовое состояние и процессы переноса в квазидвумерных системах частиц, взаимодействующих посредством экранированного парного потенциала
Новые данные о коэффициентах диффузии и вязкости для сильно-неидеальных квазидвумерных систем, включая результаты проверки формулы Эйнштейна-Стокса для связи между ними
Новые данные о процессах массопереноса в жидкостных системах на физически малых временах наблюдения
Условия формирования фазовых переходов в квазидвумерных диссипативных системах
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях XX, XXII Международной конференции "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество" (Эльбрус, Россия, 2007), International Conference on the Physics Dusty and Combustion Plasmas (Odessa, Ukraine, 2004), 31st European Physical Society Conference on Plasma Physics (London, Great Britain, 2004), XV-th International Conference on Gas Discharges and their Applications (Toulouse -France, 5-10 September, 2004), V International Conference "Plasma Physics and Plasma Technology"(Prague, Czech Republic, 2006), XLVIII научной конференции Московского физико-технического института, а также на семинарах в ИТЭС ОИВТ РАН
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 93 страницы машинописного текста, 26 рисунков и список литературы из 129 наименований
