Введение к работе
Актуальность. На сегодняшний день физика пылевой (комплексной) плазмы представляет собой достаточно новую и бурно развивающуюся область знаний. Область исследований простирается от астрофизических объектов до технологических приложений в субмикронном и наноразмерном диапазонах, в энергетике, но основными являются фронтальные фундаментальные исследования. Значение комплексной плазмы в современной физике отражено в ряде обзоров и монографий, в частности [1-5]. Она является объектом междисциплинарных исследований, объединяющих физику плазмы, оптику, физику твердого тела, кристаллов, статистическую физику, астрофизику. Также пылевая плазма является наиболее удобным объектом для изучения самоорганизованных структур. Пылевые частицы в случае исследования комплексной плазмы в лабораторных условиях, как правило, имеют размер несколько микрометров, эффективно рассеивают свет, межчастичное расстояние в формируемых ими структурах составляет доли миллиметров, внешняя среда - газоразрядная плазма - является прозрачной. Совокупность этих факторов позволяет вести наблюдения на кинетическом уровне непосредственно в оптическом диапазоне.
Разделение частиц с отличающимися свойствами, отбор требуемой фракции из полидисперсного порошка - являются современными технологическими задачами, с появлением комплексной плазмы возникла возможность ее применения для решения данных задач. Вместе с тем, изучение самого процесса отбора частиц с определенными свойствами - фундаментальная задача, поскольку такой отбор является частью процесса формирования плазменно-пылевых структур при самоорганизации в комплексной плазме. В 90-х годах было высказано предложение использовать силы неэлектрической природы для разделения порошков, чтобы не оказывать существенного воздействия на параметры фоновой плазмы. Такими силами в пылевой плазме оказались темофоретическая и сила, действующая со стороны магнитного поля. Для реализации данного подхода потребовались дополнительные фундаментальные исследования и новые средства диагностики.
Для разделения порошков ферромагнитных и парамагнитных частиц в [6] и др. было применено сильно неоднородное магнитное поле. В [7] и др. производилось разделение полидисперсных порошков при неравномерном тепловыделении. В работе [8], выполненной с полидисперсными частицами сферической формы зарегистрирован эффект пространственной сепарации в двух соседних пылевых образованиях. Литературные данные показывают, что решение этой задачи требует развития и применения методик, диагностирующих левитирующие частицы как правильной, так и произвольной формы, а также динамики изменения формы, например, при деградации материала частиц в плазме [9].
Примененные и развитые в настоящей работе методы прямого определения размеров и формы пылевых частиц открывают новые возможности исследования эффекта сепарации и отбора пылевых гранул в процессе самоорганизации пылевой компоненты. Все сказанное говорит об актуальности представленной задачи.
Цель работы. Целью работы являлось проведение исследований, направленных на детальное определение размеров и формы пылевых частиц левитирующих в объёмных плазменно-пылевых образованиях в тлеющем разряде, исследование отбора разрядом пылевых гранул с определенными характеристиками в процессе формирования пылевых структур, а также развитие оптических бесконтактных методов диагностики, необходимых для данной задачи.
Научная новизна
-
Впервые проведено количественное исследование эффекта сепарации пылевых частиц по фактору формы и среднему размеру в двух пылевых ловушках в тлеющем разряде.
-
Впервые создана объемная плазменно-пылевая структура в тлеющем разряде над нижней стенкой разрядной трубки вблизи поворота канала тока, содержащая до 30000 частиц. Исследованы условия её формирования, проведён анализ левитирующих в ней частиц по размеру и фактору формы.
3. Разработан метод определения угловой скорости собственного вращательного движения отдельных пылевых гранул с использованием направленной лазерной подсветки и развертки изображения частицы. В качестве объекта наблюдения применялись полые прозрачные микросферы.
4. Обнаружена зависимость угловой скорости собственного вращения уединенных пылевых частиц от разрядного тока. Выявлена связь между угловой скоростью частицы и её индивидуальными особенностями.
Практическая ценность работы
В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, об отборе пылевых частиц при формировании пылевых структур и особенностях сепарации пылевых частиц плазмой тлеющего разряда.
Разработан и реализован метод сбора пылевых частиц, непосредственно левитировавших в разряде, на базе созданной установки специальной конструкции. Метод применён для определения истинного размера полидисперсных пылевых частиц, левитировавших в разряде.
На основе проведённых исследований предложен метод разделения порошков в плазме по размеру и форме.
Исследование объемных структур при различных воздействиях важно для понимания процессов формирования упорядоченных структур и изменения их степени порядка. В частности, для экспериментального моделирования кристаллов и изучения фазовых переходов.
Обнаружена и исследована новая область для левитации пылевых частиц над нижней стенкой трубки в области поворота токового канала, с условиями, позволяющими производить сепарацию частиц с характеристиками, отличающимися от характеристик частиц, левитирующих в стратах. В данной области реализуется более тонкая сепарация пылевых гранул, как по размеру, так и по фактору формы, чем в стратах. Также, в ней возможно создание и исследование объёмных пылевых структур, содержащих до 30000 частиц.
Проведенные качественные эксперименты показывают возможность оценки электрического поля в разряде, как в стоячих стратах, так и во вновь обнаруженной области левитации.
Разработанный метод определения вращения отдельных пылевых гранул с помощью развёртки изображения позволяет регистрировать собственное вращение частиц с частотами до 2000 Гц без использования видео устройств с соответствующей скоростью записи изображения.
Обнаруженная зависимость угловой скорости вращения частиц от разрядного тока позволяет изучить механизмы вращения уединенных пылевых частиц в условиях тлеющего разряда.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Результаты количественного исследования эффекта сепарации пылевых частиц по плотности, фактору формы и среднему размеру в двух пылевых ловушках в тлеющем разряде.
-
Создание объемной плазменно-пылевой структуры в тлеющем разряде над нижней стенкой разрядной трубки вблизи поворота канала тока, содержащей до 30000 частиц.
-
Метод определения собственного вращательного движения отдельных пылевых гранул, использующий направленную подсветку и развертку изображения частицы.
-
Существование собственного вращения уединенных пылевых частиц с угловой скоростью, зависящей от особенностей частицы и произвольно ориентированной.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП (Петрозаводск 2011), школах и симпозиуме молодых ученых (Петрозаводск 2005, 2009), на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям ФППТ (Минск 2006, 2009), на конференции по оптическим методам исследования потоков ОМИП (М. 2009); на международном симпозиуме по физике плазмы ICPP (2008); на международной конференции по физике пылевой плазмы и процессов горения (Одесса 2007); на международной конференции по неидеальной плазме PNP-13 (Черноголовка 2009); представлялись на международной конференции по физике пылевой плазмы PCPDP-5 (2008), конференции студентов и молодых ученых СПбГУ Физика и прогресс (Санкт-Петербург 2006), а также докладывались и обсуждались и на заседаниях кафедры Общей физики I Физического факультета СПбГУ (2005 - 2012).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12 статьях, в том числе, в 8 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 участии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 5 глав, разделенных на параграфы, Заключения и Списка литературы. Общий объем
диссертации 108 страниц, включая 47 рисунков и список цитированной литературы из 107 позиций.Похожие диссертации на Исследование отбора полидисперсных частиц по размеру и форме в плазменно-пылевых ловушках в тлеющем разряде
-
