Исследование динамики пылевых частиц в структурах в стратах тлеющего разряда в магнитном поле Павлов Сергей Иванович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Литературный обзор работ по экспериментальному исследованию пылевой плазмы в магнитном поле 12

1.1. Наблюдение вращения плазменного кристалла в ВЧ разряде в расходящемся магнитном поле 12

1.2. Исследования вращения пылевых структур в ВЧ разряде в однородном магнитном поле (опубликованные в работах Н. Сато) 18

1.3. Исследование вращательного движения плазменно-пылевых структур в стратах

1.3.1. Исследования плазменно пылевых структур в магнитном поле, выполненные в СПбГУ 28

1.3.2. Исследования плазменно-пылевых структур в магнитном поле, выполненные в ОИВТРАН 35

1.4. О гипотезе, связывающей вращение пылевых структур с торцевыми и краевыми эффектами 39

1.4.1. Влияние торцевых эффектов 39

1.4.2. Влияние изменения сечения канала тока 40

1.5. О силе Ампера, связанной с вихревыми токами в стратифицированном разряде 40

Глава 2. Экспериментальная проверка влияния неоднородностеи магнитного поля на торцах магнитных катушек на динамику плазменно-пылевых структур 44

2.1. Исследование областей разряда на торцах магнитных катушек с помощью зондирующих частиц 44

2.2. Результаты зондирования областей вблизи торцов магнитных катушек и их интерпретация 46

2.3. Исследование вращения пылевых структур в стратах в неоднородном магнитном поле

2.4. Результаты исследования вращения плазменно-пылевых структур в неоднородных магнитных полях и интерпретация 53

Глава 3. Исследование динамики пылевой структуры, сформированной в ловушке над сужением канала тока 59

3.1. Эксперимент по исследованию динамики пылевой структуры, левитирующей в пылевой ловушке, образованной симметричной конусообразной вставкой 59

3.1.1. Постановка эксперимента 59

3.1.2. Результаты, полученные в эксперименте с полидисперсными частицами 61

3.1.3. Результаты, полученные в эксперименте с монодисперсными частицами

3.2. Эксперимент по исследование динамики пылевой структуры, левитирующей в пылевой ловушке, образованной над асимметричной плоской вставкой 62

3.3. Обсуждение результатов и интерпретация 63

Глава 4. Исследование механизма вращения пылевых структур в стратах, вызывающего вращение с отрицательной проекцией угловой скорости 78

4.1. О характеристиках дрейфа ионов и электронов в смесях газов 78

4.2. Метод управления ионным увлечением. Постановка эксперимента, подбор плазмоформирующей смеси 82

4.3. Результаты эксперимента по наблюдению вращения плазменно-пылевых структур в стратах в смесях газов 84

4.4. Интерпретация результатов 85

Глава 5. Поиск вихревого тока в страте и исследование его действия на пылевые частицы в продольном магнитном поле 93

5.1. Недавние работы, объясняющие инверсию угловой скорости вращения 93

5.2. Постановка эксперимента по регистрации действия вихревого тока на пылевые частицы в магнитном поле 96

5.3. Результаты зондирования стратифицированного положительного столба калиброванными частицами в магнитном поле 101

5.4. Интерпретация результатов зондирования и численные оценки угловой скорости вращения 108

Заключение 115

Литература

• Исследования вращения пылевых структур в ВЧ разряде в однородном магнитном поле (опубликованные в работах Н. Сато)
• Результаты зондирования областей вблизи торцов магнитных катушек и их интерпретация
• Результаты, полученные в эксперименте с полидисперсными частицами
• Метод управления ионным увлечением. Постановка эксперимента, подбор плазмоформирующей смеси

Введение к работе

Актуальность работы. Физика комплексной плазмы как самостоятельная область знаний появилась в 1994 году после открытия в экспериментах упорядоченных квазикристаллических образований. Под комплексной плазмой подразумевают специально созданный в научной лаборатории объект, в котором пылевая компонента находится в состоянии сильной связи и корреляции. Комплексная плазма является удобным объектом для изучения самоорганизованных структур и фазовых переходов. Исследования в ней можно производить на кинетическом уровне, поскольку пылевые гранулы эффективно рассеивают свет, а газоразрядная плазма является оптически прозрачной средой. Комплексная плазма является междисциплинарной областью знаний, объединяющих физику плазмы, физику неидеальных систем, фазовых переходов, физику твердого тела, оптику, астрофизику, коллоидную химию и другие. Свойства плазменных кристаллов моделируют свойства обычного вещества в экстремальном состоянии. Роль комплексной плазмы для современной физики отражена в ряде литературных обзоров и монографиях, например в [1-6]. Одним из методов исследования комплексной плазмы является внешнее воздействие и наблюдение отклика пылевой системы. Одним из продуктивных внешних воздействий является наложение магнитного поля.

При изучении динамики пылевых частиц кроме обычных сил - силы тяжести, электростатической, экранированной электрической - особую роль играют силы, связанные с коллективными плазменными потоками, например сила ионного увлечения. Именно силы, связанные с появлением заряженных пылевых гранул в собственно плазме, позволяют вскрывать глубокую связь между плазменными элементарными процессами и поведением макроскопической пылевой компоненты. Например, хорошо известно, что создание таких плазменно-пылевых объектов, как пылевые войды стимулировало изменение представления об элементарных процессах и изменило расчет силы ионного увлечения в комплексной плазме.

Наложение внешнего магнитного поля как воздействие представляет особый интерес, так как избирательно действует на плазменные потоки. Продольное магнитное поле вызывает в разряде азимутальную составляющую потоков [7-12], то есть азимутальную силу плазменного увлечения, давая экспериментаторам новый инструмент исследования и диагностики, как пылевой компоненты, так и собственно плазмы. Особенно интересной оказалась динамика пылевой системы в страте в магнитном поле, проявляющая действие нескольких конкурирующих механизмов, полного понимания которых к настоящему времени нет. Все это говорит об актуальности описанной тематики и представленной задачи.

Цель работы. Работа посвящена экспериментальному исследованию механизмов вращения плазменно-пылевых структур в стратифицированном тлеющем разряде постоянного тока во внешнем продольном магнитном поле. Необходимо изучить

действие силы ионного увлечения на пылевые гранулы и увлечение гранул вращающимся газом разряда в магнитном поле. Научная новизна.

1. Обнаружено и количественно исследовано влияние неоднородности магнитного поля на вращение плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда.

2. Впервые детально исследована динамика плазменно-пылевой структуры в пылевой ловушке над сужением разрядной трубки, определяемая существованием радиальной составляющей тока в вертикальном магнитном поле.

3. Впервые реализован метод управления силой ионного увлечения, действующей на пылевые частицы, с помощью изменения состава плазмоформирующего газа.

4. Обнаружено влияние вихревого тока в головной части страты на вращение плазменно-пылевой структуры в страте в продольном магнитном поле.

Практическая ценность:

В работе предложен новый метод воздействия на плазменно-пылевые структуры, заключающийся в управление силой ионного увлечения в смесях с малой добавкой к легкому буферному газу тяжелой легко ионизуемой компоненты.

Получены новые сведения о динамике плазменно-пылевых структур, формируемых в стратах тлеющего разряда и в пылевой ловушке в области сужения канала тока, в продольном магнитном поле. Эти сведения могут быть использованы для формирования плазменно-пылевых структур в пылевых ловушках с существенными градиентами электрического поля.

Получены новые сведения о свойствах тлеющего разряда в стратифицированном режиме, необходимые для развития двумерной теории страт и для описания стратифицированного разряда в магнитном поле.

Развита диагностика плазменно-пылевых структур в стратах и диагностика тлеющего разряда зондирующими частицами.

Результаты работы могут использоваться в процессе обучения студентов магистратуры и использоваться в специализированном курсе по физике комплексной плазмы.

Объект и метод исследования. Объектом исследования являлись пылевые структуры и отдельные пылевые частицы, находящиеся в тлеющем разряде в состоянии покоя или в состоянии движения. Основным методом является экспериментальное исследование объекта при воздействии на него магнитным полем. Положения, выносимые на защиту.

5. Влияние неоднородности магнитного поля на вращение плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда.

6. Динамика пылевой структуры, образованной над диэлектрической вставкой в области сужения токового канала в магнитном поле.

7. Управление силой ионного увлечения, действующей на пылевые частицы в комплексной плазме, осуществляемое путем выбора состава газовой смеси разряда.

4. Регистрация механизма вращательного движения плазменно-пылевых структур в страте в магнитном поле, связанного с существованием вихревого тока, методом зондирования области головной части страты калиброванными частицами.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП (Петрозаводск 2011, Казань 2013), школах и симпозиуме молодых ученых (Петрозаводск 2012); на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям ФППТ (Минск 2012); на конференции по оптическим методам исследования потоков ОМИП (Москва 2009, 2013); на международной конференции о приложениях пылевой плазмы (Одесса 2013); на конференции студентов и молодых ученых СПбГУ «Физика и прогресс» (Санкт-Петербург 2012); на международной конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород 2014, 2015); на координационной сессии Академии Наук по неидеальной плазме (NPP-2013, 2014), семинар с группой исследования комплексной плазмы воздушного и космического агентства Германии, Мюнхен 2014; на заседаниях кафедры «Общей физики 1».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статьях, в том числе, в 7 из списка ВАК, а также в тезисах докладов, список которых приводится в конце автореферата.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, разделенных на параграфы, заключения и списка литературы, содержащего 91 наименование. Общий объем диссертации 124 страницы, включая 52 рисунка, 3 таблицы.

Исследования вращения пылевых структур в ВЧ разряде в однородном магнитном поле (опубликованные в работах Н. Сато)

Радиальный профиль потенциала в области левитации частиц регулировался путем изменения потенциалов основной и дополнительной плазмы. Увеличивая радиальный удерживающий потенциал в присутствии продольного магнитного поля, авторы получили плазменно пылевую структуру в форме вертикального столба, Рис.8. При увеличении радиального удерживающего потенциала диаметр столба уменьшался. Дальнейшее сжатие, производимое уменьшением радиуса «левитационного» электрода, приводит к тому, что форма пылевого облака из столба преобразуется в единственную вертикально ориентированную цепочку. При некоторых условиях структура была не стабильна - возникали пылеакустические волны и конвективные вихревые потоки.

При наложении слабого магнитного поля до 400 Гс на пылевую структуру, образованную в такой разрядной камере, наблюдалось азимутальное движение пылевого облака в горизонтальном сечении. Авторами была получена зависимость скорости вращения пылевого облака от радиальной координаты г, для двух величин магнитного поля В = 120 Гс и В =390 Гс, Рис.8. В результате было обнаружено, что линейная скорость вращения пылевых частиц пропорциональна радиальной координате. Это означает, что угловая скорость, которая получается порядка 0.1 рад/с (больше чем циклотронная частота вращения пылевой частицы) не зависит от радиальной координаты. Угловая скорость возрастает с ростом магнитного поля, а межчастичное расстояние остается неизменным.

Авторами было обнаружено, что вращение пылевого облака зависит от плотности частиц. Когда плотность частиц мала, вращения не наблюдалось, оно начиналось, когда количество частиц в облаке становилось предельным (как описали авторы, достаточным для обеспечения сильного кулоновского взаимодействия между частицами). Угловая скорость вращения возрастает с ростом плотности пылевых частиц в облаке. Так, например, в случае, когда облако принимало форму вертикальной цепочки, вращение не наблюдалось. Когда структура состояла из двух цепочек, вращение возникало при В = 1000 Гс, а когда из трех цепочек - при В = 100 Гс.

Также в работе продемонстрированы детальные измерения угловой скорости вращения частиц в присутствии продольного магнитного поля в разрядной камере, схематически изображенной на Рис.9, в ВЧ-разряде и разряде постоянного тока. В такой конфигурации разрядной камеры верхний сегментированный электрод разделен на две части: проводящий прозрачный центральный диск, на который подавалось напряжении VA относительно внешнего кольцевого электрода, который в свою очередь был заземлен вместе с разрядной камерой. Частицы левитировали над центральной частью нижнего электрода, как показано на Рис.9. Присутствие продольного магнитного поля инициировало азимутальное вращение пылевых частиц. Результаты, полученные авторами в ВЧ-разряде и разряде постоянного тока, были подобными. Но из-за сложности создания стабильной симметричной структуры в разряде постоянного тока они представили только результаты для ВЧ-разрядной плазмы.

Было обнаружено, что вращение пылевых частиц очень чувствительно к потенциалу VA, подаваемому на верхний электрод. На Рис.10, представлена угловая скорость как функция от потенциала VA С магнитным полем в качестве параметра. При VA 0 вращение происходило в так называемом диамагнитном направлении, со ТТ В, а при VA 0 - в парамагнитном направлении, а ХІВ. Угловая скорость возрастает с ростом абсолютного значения потенциала VA, И становиться равной нулю при отрицательном потенциале в несколько вольт. Также авторы обнаружили увеличение угловой скорости вращения с ростом продольного магнитного поля, Рис.11, была получена возрастающая зависимость угловой скорости вращения от вкладываемой мощности, Рис.12. Интерпретацию наблюдаемых явлений авторы в своей работе не приводят.

Структура, созданная в магнитном поле в форме столба, б) Вертикальная цепочка из частиц, полученная при обжимающем радиальном поле. На вставке -вид сверху. Рисунок взят из [21].

Помимо описанных выше экспериментов по исследованию плазменно -пылевых структур в специально сконструированных разрядных камерах существует возможность наблюдать пылевые структуры в стоячих стратах тлеющего разряда. В силу неоднородности падения потенциала в тлеющем разряде [28-32] страта представляет собой потенциальную ловушку для пылевых частиц.

Впервые исследования плазменно пылевых структур в стратах в магнитном поле проводились в работах [22,23], в которых применялось магнитное поле до 150 Гс. Исследование в магнитном поле до 400 Гс, в котором была обнаружена инверсия направления вращения без изменения направления магнитного поля, появились в [24-26].

Эксперимент выполнялся в стратах в тлеющем разряде неона при давлении 0.7 Торр и токе 2.5 мА [26]. Пылевая структура формировалась в страте из частиц ниобата лития размером от 1 до 4 мкм произвольной формы, которые инжектировались в разряд из контейнера, Рис.14. При воздействии на страту магнитным полем наблюдали изменение формы страты, а также структуры в ней. Наблюдения проводили за несколькими горизонтальными сечениями структуры при каждом значении магнитного поля. Производилась видеозапись азимутального движения сечения, длительность видеозаписи до 4 секунд (100 кадров). На Рис. 15. представлено вертикальное сечение структуры.

Угловая скорость вращения пылевых гранул вычислялась как отношение их линейных скоростей к радиусу вращения. Погрешность определения угловой скорости складывалась из погрешности определения центра вращения и погрешности позиционирования частицы на видеокадре. Точность позиционирования частицы на видеокадре ограничивалась дополнительными колебаниями и вращением частиц вокруг своей оси. Этот эффект был исследован в [33,34]. Угловые скорости частиц усреднялись по сечению. Такое усреднение возможно из-за того, что зависимость угловой скорости от радиуса близка константе, Рис.16. На Рис.17 представлена зависимость усредненной по сечению угловой скорости от магнитного поля для двух сечений. Положительное направление угловой скорости соответствует случаю, когда проекция угловой скорости на вектор индукции магнитного поля положительна. При малых магнитных полях структура вращается с отрицательной угловой скоростью и достигает величины 0.4 рад/с. При увеличении магнитного поля вращение замедляется и при достижении величины В0=135 Гс (поле остановки вращения пылевой структуры) останавливается. Дальнейшее увеличение магнитного поля приводит к вращению с положительной угловой скоростью, достигающей значения 2.5 рад/с при В=400 Гс. Также обнаружен градиент средней угловой скорости сечений: при В В0 градиент направлен вверх и при В В0 направлен вниз.

Авторами была предложена следующая интерпретация вращения плазменно пылевой структуры. В слабых магнитных полях, когда структура вращается в направлении соответствующем 314 В, вращение вызвано силой ионного увлечения [35-37]. Радиальный поток ионов в амбиполярном поле движется от оси разряда к стенке трубки [38-39], приобретая в магнитном поле азимутальный импульс. При больших магнитных полях, когда структура вращается 31 1 В, авторы выдвинули следующие гипотезы:

Результаты зондирования областей вблизи торцов магнитных катушек и их интерпретация

Для исследования краевых эффектов использовалась та же установка, на которой регистрировалось вращение плазменно-пылевых структур в [24-26], Глава 1, ее схема представлена на Рис.22. Разрядная трубка имела длину 80 см, диаметр 35 мм. Магнитное поле создавалось двумя катушками длинной 15 см, радиусом 15 см каждая, с расстоянием 9 см между ними. Трубка имела вставку диаметром 6 мм, которая в [24-26] предназначалась для стабилизации страт. Диаметр трубки под вставкой был 15 мм. Трубка имела возможность перемещаться вдоль оси на 5 см. При выбранных условиях разряда производился вброс частиц, которые, падая вдоль трубки, зондировали разряд. Подсветка падающих частиц производилась сбоку параллельным пучком толщиной 1 см, который подсвечивал все горизонтальное сечение разрядной трубки. Видеосъемка производилась сверху через оптическое окно.

Измерения проводились в трех областях, Рис.22: I - над нижней катушкой, II - под верхней катушкой и III - над верхней катушкой. Области были выбраны так, чтобы определить то влияние, которое могут оказывать расходящиеся линии магнитного поля на торцах катушек со стороны анода (области I и III) и со стороны катода (область II). Непосредственно под областью I находилась сужающая разряд вставка, что отличало область I от области III.

Для наблюдений были выбраны условия, при которых отсутствует видимая стратификация, чтобы избежать дополнительной неоднородности, связанной с падением потенциала разряда. Эксперименты проводились в аргоне при давлении 1.8 Торр и токе 1.6 мА. Использовались полидисперсные частицы ниобата лития размерами 1-4 мкм и формой, близкой к сферической. Неоднородность магнитного поля измерялась с помощью измерителя магнитной индукции Ш1-7. В Таблице 1 представлено отношение поперечной (Вг) и продольной (Вц) составляющих магнитного поля в областях I, II и III.

Для определения влияния каждой катушки в отдельности, магнитное поле создавалось одной верхней катушкой, одной нижней и двумя вместе. Диапазон изменения индукции магнитного поля был от 0 до 800 Гс, вектор магнитного поля был направлен вверх.

При включенном магнитном поле, падающие частицы имели азимутальное отклонение. В качестве величины, определяющей азимутальное отклонение падающих частиц, использовалась проекция угловой скорости на вектор магнитного поля. Проекция угловой скорости вычислялась по трекам падающих частиц, методом, примененным в [62].

Дополнительно были произведены эксперименты по зондированию областей неоднородного магнитного поля на торцах магнитных катушек при отсутствии сужающей разряд вставки, Рис.22. При этом сужение разряда в месте, где находилась вставка, оставалось, но его диаметр был 15 мм, что эквивалентно замене вставки диаметром 5 мм на вставку диаметром 15 мм.

Обнаружено, что в выбранных областях наблюдения падающие частицы имеют азимутальное движение. Зависимости проекции угловой скорости от магнитного поля представлены на Рис.23. В области II проекция угловой скорости пробных частиц положительна, если включена только верхняя катушка или включены обе (см. два верхних графика на Рис.23,6), величина угловой скорости растет с ростом В. Если включена только нижняя катушка, проекция угловой скорости отрицательна.

В области III (на анодном торце) проекция угловой скорости отрицательна (Рис.23,в), величина угловой скорости также растет с ростом В. В области I, если включена только нижняя катушка или включены обе, проекция угловой скорости отрицательна. По мере увеличения магнитного поля она растет по величине, затем уменьшается, переходит через ноль (становится положительной) и возрастает. Если включена только верхняя катушка, проекция угловой скорости положительна и возрастает с ростом В, Рис.23а.

Схема установки. 1 - магнитные катушки; 2 - вставка, сужающая токовый канал; 3 - оптическое окно и светофильтр для съемки сверху; 4 - анод; 5 - катод; 6 - контейнер с частицами. I, II, и III - области, в которых наблюдалось азимутальное движение падающих частиц. Зависимости проекции угловой скорости от магнитного поля в области I, измеренные при различных положениях вставки и различном диаметре вставки, представлены на Рис.24. Из Рис.24а,б видно, что в диапазоне применяемых магнитных полей зависимость проекции угловой скорости от магнитного поля подобна зависимости, показанной на Рис.23а, но переход через ноль происходит при большем магнитном поле. Кроме того, из графиков Рис.24а видно, что при одинаковых значениях магнитного поля величина проекции угловой скорости больше, когда сужение разряда находится дальше от торца катушки. Зависимости проекции угловой скорости от магнитного поля для частиц, наблюдаемых в областях II и III, Рис.25а,б также подобны зависимостям, показанным на Рис.236 и Рис.23в.

Кратко обсудим результаты зондирования. Наличие азимутального движения пробных частиц в области III (на анодном торце), Рис.23в, свидетельствует о существовании механизма, вызывающего вращение зондирующих частиц с отрицательной проекцией угловой скорости. Согласно работе [43], за возникновение данного механизма отвечает сила Ампера, связанная с протеканием тока в расходящемся магнитном поле на анодном торце катушки. Тогда из измерений угловой скорости зондирующих частиц можно оценить ее действие на вращение пылевых структур в стратах [24-27]. Приравняв момент силы Ампера к моменту силы вязкости, получаем зависимость угловой скорости вращения газа от радиальной координаты в области III. За счет продольной вязкости вращение газа передается в область, где вращение пылевых структур в стратах (в области однородного поля) наблюдалось в работах [24-27]. Учитывая это и проведя экстраполяцию к давлению, при котором выполнены работы [24,26], получаем, что, например, при Вц=75 Гс (Вг=25Гс) угловая скорость вращения газа в стратах будет на порядок меньшее, чем угловая скорость вращения пылевых структур, наблюдавшаяся в [24-27]. Можно считать, что обсужденный эффект неоднородности на анодном торце не обуславливает вращения пылевых структур с отрицательной проекцией угловой скорости. 400 450 500 550 800 В, Ге

Результаты, полученные в эксперименте с полидисперсными частицами

Изменение сечения разряда производилось с помощью помещения в разрядную трубку диэлектрической (стеклянной) вставки конусообразной формы. В центре вставка имела круглое отверстие, соосное с трубкой. Схема части разрядной камеры, поясняющая расположение пылевой ловушки, представлена на Рис.28. Серым цветом на схеме обозначена область, в которой наблюдались плазменно-пылевые образования. На Рис.29 представлена фотография кольцевой структуры. В данном исследовании использовались разрядные трубки двух размеров: разрядная трубка с диаметром 35 мм и вставкой с диаметром отверстия 6 мм в эксперименте с полидисперсными частицами; разрядная трубка диаметром 30 мм и вставкой с диаметром отверстия 5 мм в эксперименте с монодисперсными частицами меламин-формальдегида. Вертикальное магнитное поле создавалось двумя катушками, как было описано выше. Разрядная трубка выставлялась таким образом, чтобы исследуемая область оказывалась в однородном магнитном поле.

В качестве пылевой компоненты применялся полидисперсный порошок из частиц кварца произвольной формы, а также монодисперсные частицы меламин-формальдегида, имеющие диаметр (1.10±0.04) и (4.10±0.14) мкм. Два типа частиц использовались по следующей причине. Вследствие значительного диапазона размеров и произвольной формы частицы кварца могут занимать больше вакантных позиций в плазменно-пылевой ловушке, чем монодисперсные и сферические. Поэтому полидисперсные частицы применялись для того, чтобы получить первоначальную качественную картину их поведения для широкой пространственной области. Далее, монодисперсные сферические частицы двух размеров использовались для проведения численных оценок.

Подсветка пылевого облака осуществлялась лазерным ножом толщиной 0.7 мм. Нож устанавливался горизонтально. Наблюдение и видеорегистрация производились с помощью расположенной сверху видеокамеры с разрешением 0.3 Мпк и частотой смены кадров 25. Производилась последовательная съемка горизонтальных сечений пылевого образования. Пример полученного изображения пылевой структуры представлен на Рис.29.

В эксперименте был выбран следующий набор условий: плазмоформирующие газы - неон, аргон, ксенон, а также их смеси с воздухом при давлениях от 0.04 до 0.4 Торр, разрядный ток в диапазоне от 1 до 5 мА. Эти условия определялись возможностью левитации пылевых частиц в структуре в форме кольца [22,64]. Величина накладываемого магнитного поля изменялась от 0 до 250 Гс. Этот диапазон также определялся условиями левитации пылевых частиц. Вектор магнитной индукции был направлен вверх.

В экспериментах с использованием полидисперсного порошка кварца были получены видеоролики для нескольких горизонтальных сечений, от двух до четырех, в зависимости от величины структуры, при каждом наборе условий. При обработке видеоданных определялось положение изображений пылевых частиц и измерялась вертикальная проекция их угловой скорости на направление магнитного поля ю.

Пылевые структуры из частиц кварца имеют кольцеобразную форму с центром, совпадающим с центром отверстия вставки. Ширина кольца Аг, его радиус г и высота h зависят от условий, а также от количества частиц в кольце.

Зависимость проекции угловой скорости частиц в пылевой структуре от радиальной координаты частицы имеет спадающий характер. На Рис.30, представлен график зависимости ю(г) для типичной кольцеобразной структуры, имеющей ширину 4 мм. На Рис.31 представлены зависимости угловой скорости структуры от вертикальной и радиальной координаты для частиц, находящихся на внутреннем ГІП и внешнем rout радиусах кольцеобразной структуры.

Установлено, что для всех значений магнитного поля угловая скорость возрастает с увеличением высоты сечения над поверхностью вставки. Пример зависимости проекции угловой скорости частиц в пылевой структуре от вертикальной координаты частицы представлен на Рис.31а.

Геометрическое положение структуры несколько изменяется при увеличении магнитного поля: ширина кольца уменьшается, вся структура поднимается над вставкой, Рис.32. Радиус кольца остается практически постоянным, Рис.ЗЗа.При увеличении магнитного поля угловая скорость вначале растет, затем становится постоянной, Рис.336. С ростом разрядного тока радиус кольца увеличивается, Рис.34а, угловая скорость остается постоянной, Рис.346.

Пылевые структуры из монодисперсных сферических частиц в горизонтальном сечении также имеют кольцеобразную форму с центром, совпадающим с центром отверстия вставки, Рис.35. Однако, в отличие от экспериментов с полидисперсными частицами, для них удалось подобрать условия, при которых пылевая структура левитирует как вне, так и внутри конической вставки. Кроме того, монодисперсные сферические частицы располагались ближе к оси разряда.

Полученные зависимости проекции угловой скорости от магнитного поля имеют разный характер для частиц, левитирующих вне и внутри вставки, Рис.36. Частицы, левитирующие с внешней стороны вставки, вращаются с положительной проекцией угловой скорости, величина которой растет с ростом магнитного поля. Это качественно совпадает с результатом предыдущего пункта. Частицы, образующие кольцо внутри вставки, имеют отрицательную проекцию угловой скорости, величина которой также растет с магнитным полем.

Эксперимент по исследование динамики пылевой структуры, левитирующей в пылевой ловушке, образованной над асимметричной плоской вставкой.

Для этого исследования применялась разрядная камера диаметром 20 мм, для которой была изготовлена плоская диэлектрическая вставка с асимметричным отверстием, диаметр которого 4 мм, Рис.37. Были проведены исследования динамики пылевой структуры, сформированной над асимметричной вставкой в продольном магнитном поле.

В результате исследований получены следующие результаты: зависимость проекции угловой скорости частиц от магнитного поля Рис.38; зависимости проекций угловой скорости частиц, левитирующих на разной высоте над поверхностью вставки при различных расстояниях до центра отверстия во вставке, Рис.39.

Метод управления ионным увлечением. Постановка эксперимента, подбор плазмоформирующей смеси

В представленном исследовании проводилась проверка изменения скорости ионного потока, которая осуществлялась через действие силы ионного увлечения. С экспериментальной точки зрения намного проще увеличивать силу увлечения, чем ее подавлять, т.е., в основной буферный газ необходимо добавить малую долю более тяжелой и легкоионизуемой добавки. Согласно Таблице 2 (строки 1,6,7) наиболее выгодной была бы смесь гелия и одного иона ксенона, но такой тип смеси в эксперименте нереализуем. Для проведения эксперимента были выбраны гелий как основной газ, и ксенон как примесная компонента. Выбор такой смеси представляется оптимальным для реализации сверхзвукового потока тяжелых ионов ксенона в легком газе, поскольку из-за малой концентрации атомов ксенона подавляются столкновения с резонансной перезарядкой [69-76].

Пылевая плазма создавалась в вертикальной разрядной трубке длиной 80 см и диаметром 3 см, Рис.40. Разряд зажигался между никелевыми электродами. Для создания пылевой структуры в страте использовались монодисперсные сферические пылевые частицы диаметром (1.10±0.04) мкм, изготовленные из меламин-формальдегида. Выбор такого маленького размера частиц (по сравнению с наиболее часто используемыми частицами - 5-10 мкм [27]) связан с тем, что сила ионного увлечения зависит от размера и заряда частиц [35], в то время как другие силы (трения, сила тяжести) зависят от площади и объема частицы. Т.е. для частиц меньшего размера сила ионного увлечения играет большую роль, чем для частиц большого размера.

Магнитное поле создавалось с помощью двух магнитных катушек в диапазоне от 0 до 500 Гс и было направленно вверх. Между катушками оставался зазор в 9 см для наблюдения стоячих страт и боковой подсветки пылевых структур лазерным ножом.

Наблюдение вращения пылевых структур в подсвеченных горизонтальных плоскостях проводилось сверху через торцевое оптическое окно разрядной трубки. Все наблюдения проводились в первой стоячей страте от сужающей разряд диафрагмы (на Рис. 40 не показана). Устойчивые пылевые структуры и их динамика в данной трубке с используемыми пылевыми частицами в смесях в магнитном поле наблюдались при следующих условиях: давление гелия от 1 до 1.5 Торр, ток 2 мА, магнитная индукция от 0 до 500 Гс. На Рис.41 представлены примеры фотографий плазменно-пылевых структур в чистом гелии и в смеси гелия с ксеноном. Угловая скорость определялась как отношение угла, на который переместилась частица за промежуток времени, соответствующий нескольким кадрам видеозаписи (выбираемый в зависимости от величины угловой скорости), ю=Дф/Ді, и усреднялась по частицам сечения. Знак угловой скорости вращения определялся по проекции на ось направления магнитного поля, т.е. при наблюдении сверху, вращение против часовой стрелки соответствует положительной угловой скорости.

Зависимость угловой скорости от индукции магнитного поля уже исследовалась ранее [22-27]. В слабых магнитных полях она пропорциональна полю и имеет направление вращения, соответствующее отрицательному, т.е. вектор угловой скорости имеет противоположное направление с магнитным полем. При некотором значении индукции магнитного поля Вт скорость вращения достигает максимального по величине значения, потом скорость вращения замедляется, а при дальнейшем увеличении поля пылинки начинают вращаться в противоположном направлении, т.е. происходит инверсия направления вращения. Зависимость угловой скорости вращения от индукции магнитного поля можно характеризовать тремя параметрами: положением минимума на зависимости - Вт, величиной угловой скорости при этом значении, а также величиной магнитного поля В0, при которой происходит смена направления скорости вращения.

Для установленных в эксперименте условий и выбранного состава смеси были выбраны численные значения для электронной температуры (от которой зависит заряд пылевых частиц), рассчитанные и приведенные в [72]. Некоторые расчетные данные сведены в Таблицу 3.

Сравнивая зависимости, полученные для чистого гелия на Рис.42 и для смеси на Рис.43, можно определить следующее. При наличии примеси ксенона в 2 % в диапазоне магнитного поля, когда вращение установилось, от 150 Гс и до наступления плоского максимума, Рис.43, абсолютное значение угловой скорости вращения пылевой структуры увеличивается в 1.3-3.5 раза. Величина Вт смещается в сторону больших магнитных полей (от 250 Гс до 350-400 Гс). Также в сторону больших магнитных полей смещается величина В0. Смещение В0 настолько значительно, что выходит из диапазона используемого магнитного поля (соответствующая экстраполяция графиков дает смещение В0 до 650 Гс). Сравнение кривых на Рис.44 показывает, что при дальнейшем увеличении примеси ксенона до 4%, величина угловой скорости несколько уменьшается, что согласуется с результатами расчета скорости ионного потока, см. в Таблицу 2 и Таблицу 3. Наиболее ярко увеличение угловой скорости в разряде в смесях демонстрируют графики угловой скорости от безразмерного параметра В/Вт, представленные на Рис.44.

Зарегистрированные зависимости угловой скорости от магнитного поля говорят об увеличении действия силы ионного увлечения при использовании смесей, что может быть оценено количественно с позиции динамики пылевых частиц.

Стационарное движение пылевой частицы по окружности радиуса rd происходит под действием баланса силы ионного увлечения Fdrag и силы трения (торможения) пылинки о газ Ffriction [35], в наших условиях Fdrag = Ffriction. Сила ионного увлечения определяется по формуле [6]: F a uM + + j-Ul (13) где T = TJTt, z = Zde21 aTe - безразмерный заряд пылинки, Zd - ее зарядовое число, П - модифицированный кулоновский логарифм, проинтегрированный с функцией распределения ионов по скоростям, остальные обозначения стандартные. Численная оценка заряда пылевой частицы выбиралась в соответствии с работой [81].

Азимутальная скорость ионов Ui(p вызывается действием магнитного поля на радиальный поток ионов со скоростью Uir, тогда Ui/p =сог-тг-0\г [82], здесь (со ) -произведение циклотронной частоты на время межчастичных столкновений определяет замагниченность ионов. Сила трения на пылинку со стороны атомов определяется по формуле Эпштейна [6] Ffriction = -j2xTamJa2naudus (14) udust- скорость пылинки относительно газа, - коэффициент порядка 1, определяемый законом отражения атома от поверхности. Соответственно, из баланса сил угловая скорость вращения пылинки со = - - определяется выражением frd Па\Та\та{ 2 4 J

Выполняя численные оценки угловой скорости пылевой структуры по формуле (15) в смеси и в чистом гелии, сделанные с учетом изменения скорости ионного потока, электронной температуры и других параметров в смеси, получаем, что отношение угловой скорости в смеси с 2 % ксенона и угловой скорости в чистом гелии в среднем равно 1.88. Это хорошо соответствует графикам на Рис.42 и Рис.43 на участке от 150 Гс, где развилось вращение, до минимума на зависимостях, то есть на участке, где доминирует механизм вращения, связанный с ионным увлечением.

Проведенное исследование и выполненные оценки доказывают, что вращение плазменно-пылевой структуры с отрицательной проекцией угловой скорости на направление магнитного поля вызвано силой ионного увлечения.