Введение к работе
Актуальность проблемы
Устойчивые кулоновские классические (неквантовые) структуры представляют собой ансамбли частиц, несущих заряды одного знака, испытывающих взаимное кулоновское отталкивание и удерживаемых в ограниченном объёме в стационарном состоянии. Пространственную устойчивость таких систем может обеспечить внешнее силовое поле, препятствующее разлетанию частиц. Небольшое число частиц ансамбля (N < 102) образует кулоновский кластер, ансамбль из большого числа частиц может образовать регулярную пространственную структуру - кулоновский кристалл. Интерес к устойчивым кулоновским системам связан с разработкой теории однозарядной плазмы [1], а также изучением фазовых переходов в сильнонеидеальной плазме [2-4].
Одной из основных проблем экспериментального изучения устойчивых кулоновских систем является обеспечение левитации заряженных частиц. В представленной работе обоснован метод экспериментального изучения устойчивых систем из заряженных частиц, удерживаемых неоднородным стационарным магнитным полем. Показано, что таким методом можно удерживать в состоянии левитации, заряженные диамагнитные частицы. Устойчивые структуры из заряженных частиц могут быть сформированы как в вакууме, так и в неионизованном газе. В обоих случаях парный потенциал межчастичного взаимодействия является кулоновским.
Описана разработанная и изготовленная автором экспериментальная установка, с помощью которой в лабораторных условиях получены устойчивые кулоновские кластеры из заряженных частиц графита размером 150 - 300 мкм. Удержание частиц в состоянии левитации осуществлялось неоднородным магнитным полем Bmax~2104 Гс, |B/r|~105 Гс/см, создаваемым в межполюсном пространстве электромагнита постоянного тока. В работе проводится анализ структуры и динамики частиц в наблюдаемых кластерах. Предложенный метод удержания заряженных частиц в состоянии устойчивой левитации можно использовать как в наземных условиях, так и в условиях невесомости.
Для изучения устойчивых кулоновских систем макрочастиц в условиях микрогравитации на Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС) в рамках космического эксперимента «Кулоновский кристалл» была разработана и изготовлена научная аппаратура «КУК». Проведён анализ данных полученных в этом эксперименте.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование структурных и динамических характеристик кулоновских ансамблей образованных заряженными диамагнитными макрочастицами в неоднородном стационарном магнитном поле.
Положения, выносимые на защиту
-
Экспериментальная установка для изучения структуры и динамики устойчивых кулоновских кластеров, образованных заряженными частицами графита в неоднородном магнитном поле в наземных условиях.
-
Расчет формы равновесного кулоновского кластера из заряженных диамагнитных частиц в антипробкотронном магнитном поле.
-
Результаты исследования устойчивых кулоновских кластеров, образованных заряженными частицами графита, размером 150…300 мкм в неоднородном магнитном поле с Bmax~2104 Гс и |B/r|~105 Гс/см.
-
Экспериментальная установка для изучения структуры и динамики устойчивых кулоновских систем, образованных заряженными частицами графита в условиях микрогравитации на РС МКС.
-
Результаты изучения динамики образования протяженных устойчивых кулоновских кластеров.
Научная новизна результатов исследования
-
-
Автором предложен и теоретически обоснован метод формирования устойчивых кулоновских структур из заряженных диамагнитных частиц в неоднородных магнитных полях.
-
Разработана и изготовлена экспериментальная установка, включающая электромагнит с жёлобковыми полюсами, с помощью которой в лабораторных условиях впервые получены устойчивые кулоновские кластеры из заряженных частиц графита левитирующих в неоднородном магнитном поле.
-
Проведён анализ возможности исследования устойчивых кулоновских структур из заряженных макрочастиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации.
-
Проведен расчет геометрических характеристик формы, принимаемой равновесным кулоновским кластером из заряженных диамагнитных частиц в антипробкотронном магнитном поле.
-
Впервые в наземных условиях получены устойчивые кулоновские кластеры, образованные заряженными частицами графита, размером 150…300 мкм в неоднородном магнитном поле с Bmax~2104 Гс и |B/r|~105 Гс/см, получены экспериментальные данные о динамике частиц в кластерах.
-
Впервые получены устойчивые кулоновские кластеры, образованные заряженными частицами графита, размером 100…400 мкм в неоднородном магнитном поле с Bmax~1,2103 Гс и |B/r|~4 102 Гс/см, в условиях микрогравитации.
Научная и практическая значимость работы
Автором предложен и практически реализован новый метод бесконтактного удержания ансамбля заряженных макрочастиц в ограниченном объёме посредством неоднородного стационарного магнитного поля. Это позволяет экспериментально изучать свойства и характеристики устойчивых систем – кулоновских кластеров, кристаллов и жидкостей, образованных дисперсными макрочастицами, как в газовой среде, так и в вакууме.
Впервые в наземных условиях экспериментально изучен процесс формирования кулоновских кластеров частицами графита в атмосфере воздуха при нормальном давлении и комнатной температуре.
Проведено теоретическое и экспериментальное исследование условий, при которых заряженные диамагнитные макрочастицы формируют устойчивые структуры в магнитных ловушках в условиях земной гравитации и в невесомости.
Автором предложена схема экспериментальной установки, предназначенной для изучения сильнонеидеальных кулоновских систем дисперсных макрочастиц в условиях микрогравитации. Это предложение практически реализовано в научной аппаратуре «КУК» космического эксперимента «Кулоновский кристалл», функционирующей на борту Российского сегмента Международной космической станции с ноября 2010 г.
Предложенный метод может применяться в научных экспериментальных исследованиях, в технических и технологических процессах, при которых необходимо обеспечить длительную левитацию и манипулирование диамагнитными твёрдыми, жидкими и дисперсными средами, т. е. их бесконтактное удержание и перемещение в вакууме или в газовой среде в ограниченном объёме.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на 5 и 6 Международных конференциях «Рост монокристаллов и тепломассоперенос» (Обнинск, 2003 и 2005), на II Российской конференции по космическому материаловедению (Калуга, 2003), на Российском симпозиуме «Космическое материаловедение – 2007» (Калуга, 2007), на юбилейной научной конференции посвященной 50-летию ОИВТ РАН (Москва, 21 октября 2010г.), на конференциях XXIV Int. Conf. Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter. Elbrus - 2009., VI Int. Conf. “Plasma Physics and Plasma Technology”, Minsk, September 28 - October 2, 2009., XXV Int. Conf. Equations of State for Matter. Elbrus, 2010., 37th EPS Conference on Plasma Physics, Dublin, Ireland, 21-25 June 2010., 3nd Int. Conf. Phys. Dusty and Burning Plasmas, Odessa, 2010., VI Всероссийская конференция «Физическая электроника, (23–26 сентября 2010 г.)., на Научно-координационной Сессии «Исследования неидеальной плазмы» (01-02 декабря 2010 г.) Президиума РАН, Москва, XXI Europhysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (Viana do Castelo, Portugal, 2012), 14th International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas (Rostock, Germany, 2012), 63rd International Astronautical Congress (Naples, Italy, 2012), на семинарах в ИТЭС ОИВТ РАН, ИПМех РАН и ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Статья о результатах изучения кулоновских кластеров в условиях земной гравитации была выбрана по критериям новизны, научной точности и широкого интереса редакцией международного журнала «Physica Scripta» для опубликования в обзоре избранных статей «Highlights of 2012».
Публикации
Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 22 научных работах, включая 7 статей в рецензируемых научных журналах. Список публикаций приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Формирование устойчивых кулоновских структур заряженными диамагнитными частицами в неоднородном магнитном поле
-
