Введение к работе
Диссертация посвящена численному и экспериментальному анализу динамики пылевых частиц в слабоионизованной лабораторной плазме.
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, где диссипация, обусловленная столкновениями заряженных пылевых частиц и частиц плазмы с атомами или молекулами газа, играет значительную роль. Неэмитирующие пылевые частицы в такой плазме могут приобретать значительный отрицательный заряд |eZ|~102-105е и формировать трехмерные или квазидвумерные структуры, подобные жидкости или твердому телу. Формирование пылевых структур, состоящих от 1 до ~10 пылевых слоев, является типичным для экспериментов в плазме емкостного высокочастотного (вч-) разряда. Изучение таких структур, включая исследование физических характеристик протяженного, практически однородного пылевого монослоя, вызывают широкий интерес [5-11]. Отметим, что плавление в двумерных системах качественно отличается от плавления трехмерных структур [6]. Попытки экспериментального исследования в двумерных системах были предприняты для самых различных физических объектов, среди которых можно упомянуть электроны на поверхности жидкого гелия [12], полимерные коллоиды [8], магнитные пузырьки в тонких пленках [13] и т.д. Слоистые плазменно-пылевые структуры, формирующиеся в вч- разряде, представляют собой
исключительно удобный объект для изучения данного вопроса, т.к. динамику макрочастиц в них легко наблюдать на кинетическом уровне.
Отметим также, что исследования неидеальных диссипативных систем представляют значительный интерес в различных областях науки и техники (физика плазмы, медицина, физика полимеров и т.д.) [14-17]. 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. Для изучения жидкого состояния вещества широко используются методы численного моделирования.
Цели диссертационной работы. Целью работы являлось исследование динамики макрочастиц в пылевых структурах, находящихся в газоразрядной плазме, включая анализ систем с различными потенциалами межчастичного взаимодействия, условий формирования протяженных квазидвумерных структур заряженных пылевых частиц, процессов массопереноса на малых временах наблюдения, особенностей фазовых переходов в квазидвумерных пылевых системах, а также проверку фундаментальных соотношений статистической физики в рассматриваемых структурах.
Для достижения поставленных целей были проанализированы данные экспериментов в лабораторной пылевой плазме для широкого диапазона ее параметров, а также данные численного моделирования пылевых структур в условиях, близких к экспериментальным. Были определены основные параметры, отвечающих за фазовое состояние и процессы переноса в анализируемых системах; найдены аналитические соотношения для различных физических характеристик; был предложен критерий формирования нового пылевого слоя; разработана новая методика бесконтактной диагностики параметров пылевой компоненты плазмы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложен новый критерий, определяющий появление нового пылевого слоя в квазидвумерной системе макрочастиц, взаимодействующих посредством различных изотропных парных потенциалов.
-
Впервые выполнено исследование динамики неоднородных плазменно-пылевых структур, формирующихся в приэлектродном слое вч- разряда, в которых сосуществуют области с различными фазовыми состояниями (жидкость, кристалл).
-
Изучены термодинамические свойства квазидвумерных диссипативных структур с экранированным кулоновским потенциалом взаимодействия, включая особенности их двухстадийного плавления. Полученные результаты имеют значительное отличие от результатов, найденных для трехмерных или чисто двумерных систем [7, 8, 9, 12, 13, 18, 19].
-
Предложены новые аппроксимации для уравнений состояния двумерных
систем с экранированным потенциалом парного взаимодействия. В отличие от существовавших ранее [20], предлагаемые аппроксимации позволяют с высокой точностью описывать термодинамическое поведение таких систем в широком диапазоне параметров неидеальности.
-
Предложен новый механизм «разогрева» пылевых частиц за счет электростатических колебаний плазмы. Получены аналитические соотношения для оценки стохастической энергии, приобретаемой пылевыми частицами в слабоионизованной плазме за счет ее тепловых флуктуаций, приводящих к возникновению ленгмюровских колебаний и электростатических колебаний холодных ионов.
-
Найдено, что для жидкостных двумерных и трехмерных систем частиц, взаимодействующих посредством широкого круга изотропных парных потенциалов, эволюция их среднеквадратичного смещения на малых временах наблюдения соответствует эволюции колебаний частицы в кристаллической решетке с некоторой характерной частотой (с), пропорциональной второй производной парного потенциала межчастичного взаимодействия. Ранее аналогичные результаты были найдены только для систем частиц, взаимодействующих с экранированным кулоновским потенциалом [21].
-
Получены аналитические соотношения между автокорреляционными функциями скоростей и смещений взаимодействующих частиц, движение которых описывается уравнениями Ланжевена.
-
Впервые выполнена экспериментальная проверка корректности использования стохастической модели, заданной системой уравнений Ланжевена, для описания динамики пылевых частиц в лабораторной плазме, включая проверку справедливости формулы Грина-Кубо для коэффициента диффузии и наличия определенных функциональных связей между автокорреляционными функциями скоростей и смещений пылевых частиц в плазме, которые являются следствием моделирования их движения при помощи уравнений Ланжевена.
-
Предложена новая методика для одновременного определения параметров пылевой компоненты плазмы, таких как: средняя скорость стохастического «теплового» движения пылевых частиц; характерная частота их столкновений между собой; коэффициент трения пылевых частиц, определяющий их эффективную частоту столкновений с нейтралами окружающего газа; величина минимального заряда макрочастиц и параметр неидеальности анализируемой системы.
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:
-
Критерий формирования нового пылевого слоя в протяженной и ограниченной системах макрочастиц, взаимодействующих посредством различных изотропных парных потенциалов.
-
Новые данные экспериментального и численного анализа фазового состояния квазидвумерных систем в плазме вч- разрядов (включая их уравнения состояния и особенности плавления).
-
Результаты проверки корректности использования стохастической модели, заданной системой уравнений Ланжевена, для описания динамики пылевых частиц в лабораторной плазме (включая проверку справедливости формулы Грина-Кубо для коэффициента диффузии и определенных соотношений между между автокорреляционными функциями скоростей и смещений макрочастиц).
-
Новая методика бесконтактной диагностики пылевой компоненты плазмы для одновременного определения таких параметров макрочастиц, как их кинетическая температура, коэффициент трения и параметр неидеальности системы.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих российских и международных конференциях: XLVI - L Научных конференциях Московского Физико-Технического института, 2003 – 2007; 21st and 22nd Symposiums on Plasma Physics and Technology (Prague, Czech Republic), 2004, 2006; ХХ и XXII Международных конференциях “Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество” (п. Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия), 2005, 2007; XXIII Международной конференции “Уравнения состояния вещества” (п. Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, Россия), 2008; Научно-координационных сессиях “Исследования неидеальной плазмы” (Москва, Россия), 2005-2007; 33rd European Physical Society Conference on Plasma Physics (Rome, Italy), 2006; XXXIV и XXXV Международных (Звенигородских) конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2007-2008; 34th European Physical Society Conference on Plasma Physics (Warsaw, Poland), 2007; 20th World Energy Congress (Rome, Italy), 2007; Fifth International Conference on Physics of Dusty Plasmas (Ponta Delgada, Azores, Portugal), May 18-23, 2008.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 26 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 139 страниц машинописного текста, 44 рисунка, список литературы из 146 наименований.
