Динамика плазменно-пылевых структур при воздействии магнитного поля Васильев Михаил Михайлович

Введение к работе

Актуальность проблемы

Пылевая плазма представляет собой низкотемпературную плазму, содержащую макрочастицы, которые либо самопроизвольно образуются в плазме, либо вводятся в нее извне. Пылевая плазма широко распространена в космосе: пылевых межзвездных облаках, кометных хвостах, пылевых оболочках звезд, кольцах планет и т.д. Другим примером пылевой плазмы является низкотемпературная плазма, состоящая из нейтрального газа, ионов, электронов и частиц микронных размеров (пылевых частиц). И, хотя в работе рассматривалась именно такая плазма, многие закономерности, выявленные в таких исследованиях, могут быть применены и к космической плазме.

В последнее десятилетие прогресс в области исследований пылевой плазмы был особенно стремительным в связи с развитием различных технических приложений: процессов горения, плазменных технологий, физики атмосферы, управляемого термоядерного синтеза. Лабораторная пылевая плазма при внешних воздействиях является хорошей экспериментальной моделью для изучения различных динамических процессов в системах взаимодействующих частиц. Одним из способов воздействия на пылевую плазму является наложение внешнего магнитного поля. Учет влияния магнитного поля важен, например, при рассмотрении поведения частиц конденсированной дисперсной фазы в пристеночной плазме установок ТОКАМАК.

Для диагностики пылевых частиц и их пространственных структур успешно используются оптические и спектроскопические методы, а также методы, основанные на непосредственном наблюдении пылевых частиц. Однако для ряда специфических проблем изучения пылевой плазмы этих методов оказывается недостаточно. Так для исследования свойств динамических плазменно-пылевых структур необходимо определение целого ряда параметров в каждый момент времени. Хотя работы в указанных направлениях ведутся давно, актуальной является задача разработка методик, которые позволяли бы решать широкий круг диагностических задач с использованием всех возможностей современной вычислительной техники.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поля; разработка методики трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частиц; экспериментальное исследование формирования вихревых пылевых структур; получение количественных данных о структурных и динамических параметрах плазменно-пылевых образований при воздействии магнитного поля с индукцией в диапазоне 0-2500 Гс.

Положения, выносимые на защиту

1. Методика трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур на основе принципа бинокулярного зрения для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частиц.

2. Результаты экспериментальных исследований динамических характеристик вихревых пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока.

3. Экспериментальный стенд для изучения пылевой плазмы в аксиальном магнитном поле с индукцией в диапазоне 0 - 310⁴ Гс.

4. Результаты экспериментальных исследований формирования плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока в магнитном поле с индукцией до 2,510³ Гс, в том числе результаты исследований вращения плазменно-пылевых структур в аксиального магнитном поле с индукцией до 700 Гс.

5. Экспериментально полученное увеличение неидеальности плазменно-пылевой структуры и уменьшение коэффициента диффузии при увеличении индукции аксиального магнитного поля.

6. Результаты исследования механизма изменения направления вращения плазменно-пылевых структур и уход пылевых частиц из приосевой области разряда в пристеночную область в замагниченной газоразрядной плазме.

Научная новизна результатов исследования

6. 1. Разработана и реализована оптическая методика трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур на основе принципа бинокулярного зрения для нахождения пространственных координат, скоростей и траекторий частиц.

   2. С помощью разработанного метода трехмерной диагностики получены количественные данные о динамических характеристиках вихревых пылевых структур в тлеющем разряде постоянного тока.

   3. Создан экспериментальный стенд для изучения пылевой плазмы тлеющего газового разряда постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поля с индукцией 0 – 310⁴ Гс.

   4. Впервые проведены исследования плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока в магнитном поле с индукцией до 2,510³ Гс. Получены кинетические температуры пылевых частиц, коэффициенты диффузии и параметр неидеальности при изменении индукции магнитного поля. Впервые при увеличении индукции магнитного поля до 700 Гс наблюдался уход пылевых частиц из приосевой области разряда в пристеночную область.

   5. Обнаружено увеличение неидеальности плазменно-пылевой структуры и уменьшение коэффициента диффузии при увеличении индукции аксиального магнитного поля.

   6. На основе анализа амбиполярной диффузии в замагниченой плазме предложено объяснение динамики пылевых частиц в тлеющем газовом разряде в магнитном поле. Проведены оценки максимальной индукции магнитного поля, при которой возможна левитация пылевых частиц в разряде.

   Научно-практическая значимость работы

   Разработанный оптический метод трехмерной диагностики плазменно-пылевых структур позволяет находить пространственные координаты, скорости и траектории пылевых частиц. Данный метод может использоваться не только для диагностики пылевых частиц, но и любых малых объектов, например, биологических жидкостей (семенная жидкость, кровь и т.д.)

   Полученные в работе результаты по исследованию динамических плазменно-пылевых структур позволяют глубже понять возникновение и существование вихревых структур, а также механизмы формирования пылевых структур в магнитном поле и степень их порядка в зависимости от магнитного поля.

   Проведенные исследования показывают, что формирование пылевых структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока возможно лишь в магнитных полях с индукцией ~10³ гауссов.

   Исследование внешнего воздействия магнитного поля на плазменно-пылевые структуры представляет большой интерес по нескольким причинам. Во-первых, такое воздействие, вносящее незначительное искажение в фоновую плазму, может быть использовано в качестве диагностического средства, во-вторых внешнее воздействие может так же использоваться для управления пространственным положением и упорядоченностью плазменно-пылевых структур. Кроме того, результаты исследования пылевой плазмы в магнитном могут найти приложения для выявления особенностей поведения высокодисперсной пылевой компоненты, в установках ТОКАМАК.

   Апробация работы

   Основные результаты диссертационной работы были представлены на российских и международных конференциях: XLVII, XLVIII, XLIX Научных конференциях Московского Физико-Технического института, International Conference on Strongly Coupled Coulomb Systems (Moscow, 2005), 33rd European Physical Society Conference on Plasma Physics (Rome, 2006), XVIII, XXII Международных конференциях «Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество» – Эльбрус, 2003, 2007, 34th European Physics Society Conference on Plasma Physics (Warsaw, 2007), 1st Workshop on the "Dust in Fusion Plasmas" (Warsaw, 2007), 2nd International Conference on the Physics of Dusty and Burning Plasmas (Odessa, 2007).

   Cтенд для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока при воздействии аксиального магнитного поля прошёл успешную проверку в ходе экспериментальных исследований. Работа автора «Вихри в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока» стала лауреатом конкурса «Новая генерация» в области энергетики и смежных наук. Автор с работой по разработке и реализации метода 3D диагностики стал победителем программы «Участник Молодежного Научно-Инновационного Конкурса» («УМНИК») 2007 года.

   Публикации

   Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 10 научных работах.

   Структура и объём диссертации

   Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 102 страницы, 32 рисунка. Список использованной литературы включает 75 наименований.

   Личный вклад автора

   Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является основным. Автор принимал активное участие в постановке научных задач; при его непосредственном участии разрабатывался и создавался экспериментальный стенд и проводились экспериментальные исследования. Автором была выполнена обработка и проведен анализ полученных экспериментальных данных. На основании результатов исследования и их анализа автором сформулированы и обоснованы выводы и заключения, вошедшие в диссертацию.

   Благодарности

   Автор искренне признателен научному руководителю Петрову О.Ф. за постановку задач и постоянное внимание к работе, Ваулиной О.С. за ценные рекомендации и полезные обсуждения. Особую благодарность автор хотел бы выразить коллегам Дьячкову Л.Г. за помощь при анализе результатов и Антипову С.Н. за помощь и моральную поддержку на протяжении всего хода работы над диссертацией.

   Похожие диссертации на Динамика плазменно-пылевых структур при воздействии магнитного поля

   

   Волновые явления в пылевой плазме тлеющего разряда при воздействии импульсного магнитного поляНаумкин Вадим Николаевич

   Динамика частиц и электромагнитного поля в неравновесной ограниченной плазмеСеверьянов, Владимир Владимирович

   

   Прикладные аспекты пондермоторной динамики плазмы в интенсивных высокочастотных полях Додин Илья Евгеньевич

   

   Динамика СВЧ разряда высокого давления в волновых полях Зорин Владимир Гурьевич

   

   Стохастическая динамика ридберговского электрона щелочного атома в микроволновом полеЗахаров Михаил Юрьевич

   Динамика надтепловых ионов в токамаке в присутствии возмущений магнитного поляКоновалов, Сергей Владимирович

   

   Динамика и структура волн ионизации в наносекундном диапазоне при высоких перенапряжениях в различных конфигурациях разрядного промежуткаНуднова Мария Михайловна

   

   Теоретическое изучение динамики нелинейных структур и нестандартного переноса в замагниченной плазмеПопов Павел Владимирович

   

   Динамика вращения винтовых магнитных структур в плазме токамакаОрловский Илья Игоревич

   

   Зарядка макрочастиц и явления переноса в плазменно-пылевых структурах при пучковых воздействияхВорона, Назар Александрович