Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию динамических (диффузии) и структурных свойств пылевой плазмы. В данной работе предложена экспериментальная методика получения парной и трехчастичной корреляционных функций, а также коэффициента диффузии, кинетической температуры и эффективного параметра неидеальности. В работе приведен анализ результатов экспериментальных измерений парных и трехчастичных корреляционных функций, коэффициента диффузии для плазменно-пылевых структур, кинетической температуры макрочастиц, кроме того, приведено сравнение данных результатов с численными и теоретическими моделями.
Актуальность работы.
Пылевая плазма газовых разрядов представляет собой частично
ионизированный газ, который, в большинстве случаев, содержит
отрицательно заряженные пылевые частицы микронных размеров. Частицы
пыли, взаимодействуя друг с другом, могут образовывать упорядоченные
структуры подобные жидкости или твердому телу.
Задачи, связанные с транспортными процессами в диссипативных
системах взаимодействующих частиц, представляют значительный интерес
в различных областях науки и техники (гидродинамика, физика плазмы,
медицинская промышленность, физика и химия полимеров и т.д.).
В настоящее время разработка приближенных моделей для описания
жидкого состояния вещества опирается на два основных подхода, первый из
которых основан на численном расчете свойств среды с использованием
модельных данных о потенциале взаимодействия частиц, второй - на
аналогиях между кристаллическим и жидким состоянием вещества [1-3].
Сложность проверки таких аналитических моделей в том, что существующие
методики измерения транспортных характеристик в реальных жидкостях
являются недостаточно точными [4].
В отличие от реальных жидкостей лабораторная пылевая плазма
является хорошей экспериментальной моделью как для изучения свойств
сильно неидеальной плазмы, так и с точки зрения проверки существующих и
развития новых феноменологических моделей для жидкостных систем.
Благодаря своим размерам, пылевые частицы в лабораторной плазме могут
наблюдаться непосредственно, что значительно упрощает применение прямых
бесконтактных методов для их диагностики.
Методы пассивной диагностики параметров макрочастиц, не вносящие
возмущений в исследуемую систему Mprvf пр^ру^я на измерения
J #0С НЛЩЮМЛЛММI
1 SHUHefEKA 1 .
характеристик пылевой среды, отражающих ее транспортные свойства. Так, например, измерения парных корреляционных функций g(r), спектров скоростей и смещений макрочастиц при определенных условиях дают информацию об их кинетической температуре Тр и коэффициенте диффузии D.
Диффузия макрочастиц является основным процессом массопереноса, который определяет энергетические потери (диссипацию) в исследуемых системах. Коэффициент диффузии характеризует термодинамическое состояние анализируемой системы и отражает природу межчастичного взаимодействия. Кроме того, информация о коэффициенте диффузии в жидкости [5] позволяет получить информацию о других не менее важных коэффициентах переноса таких, как коэффициенты сдвиговой вязкости и теплопроводности. На данный момент работ, посвященных экспериментальному исследованию этих характеристик, в современной научной литературе не представлено.
Равновесные свойства жидкости полностью описываются набором функций плотности вероятности g5(ri,r2,..., rs) нахождения частиц в точках Г|,Г2,..., Г,. В случае изотропного парного взаимодействия физические свойства жидкости (такие как давление, плотность энергии и сжимаемость) полностью определяются бинарной корреляционной функцией, которая, в свою очередь, зависит от типа потенциала взаимодействия между частицами среды и ее температуры. Однако даже в приближении парного межчастичного взаимодействия корреляционные функции более высокого порядка (s>2) представляют значительный интерес. Так, например, информация о трехчастичнои корреляционной функции #і(гі2>г2Чігіз) является важной при расчете физических характеристик среды, зависящих от производных парной функции g по температуре dg/dT или плотности частиц dgldp, такие как энтропия, коэффициенты теплового расширения и т.д. В отличие от бинарной, тройная корреляционная функция позволяет получить дополнительную информацию об исследуемой структуре, в частности об ориентационном порядке в изучаемой системе частиц. Для определения транспортных характеристик неидеальных систем обычно используется аппроксимация трехчастичнои корреляционной функции в форме суперпозиционного приближения. Экспериментальная проверка этого приближения для реальньж жидкостей и газов затрудняется тем фактом, что прямое определение трехчастичнои корреляционной функции невозможно без информации о координатах отдельных частиц в исследуемой системе. Для анализа трехчастичнои корреляции в реальньж жидкостях используют непрямые методы диагностики, требующие дополнительных данньж о рассматриваемой среде. Пылевая плазма лишена этих недостатков, что позволяет провести прямые измерения тройной корреляционной функции
См*."' .'
частиц. На данный момент в литературе не существует экспериментальных работ, посвященных изучению тройной корреляции частиц в пылевой плазме.
Целью настоящей работы является экспериментальное изучение упорядоченных структур макрочастиц в неидеальной пылевой плазме. Данная цель предполагает определение основных параметров пылевой компоненты, экспериментальное исследование парной и трехчастичной корреляции и процесса диффузии, а также сравнение экспериментальных данных с существующими численными моделями.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Экспериментально измерена трехчастичная корреляционная функция в пылевой плазме.
Проведено сравнение измеренных сечений тройных корреляционных функций с результатами суперпозиционного приближения.
Создана бесконтактная методика восстановления основных параметров пылевой плазмы таких, как эффективный параметр неидеальности, кинетическая температура пылевой компоненты, коэффициент диффузии.
Проведено экспериментальное исследование процесса диффузии в плазменно-пылевых структурах. Установлена связь коэффициента диффузии со степенью упорядоченности плазменно-пылевой структуры.
Научная и практическая ценность работы
Экспериментальное исследование тройной корреляционной функции позволило проверить корректность использования суперпозиционного приближения при описании свойств неидеальных сред. Зная поведение тройной корреляционной функции в зависимости от температуры или концентрации макрочастиц, можно получить информацию о важных термодинамических характеристиках таких, как энтропия, коэффициент теплового расширения и т.п. Экспериментальное изучение процесса диффузии позволяет определить корректность существующих численньж моделей, а также проверить на практике, насколько взаимодействие между макрочастицами влияет на их динамическое поведение. Методика измерения коэффициентов диффузии, корреляционных функций и кинетических температур позволяет восстановить основные параметры пылевой плазмы непосредственно из экспериментальных данньж.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований парной корреляции макрочастиц и ее связи с коэффициентом диффузии и фазовым состоянием системы.
Результаты экспериментального изучения трехчастичной корреляции плазменно-пьглевых структур.
Экспериментальная методика восстановления основных параметров пылевой плазмы: эффективного параметра неидеальности, кинетической температуры и коэффициента диффузии.
Результаты экспериментальных исследований коэффициента диффузии в неидеальной пылевой плазме.
Апробация работы.
Результаты исследований были представлены и обсуждались на XLV, XLVI научных конференциях Московского физико-технического института (Долгопрудный, 2002, 2003); «EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics», (Санкт-Петербург, Россия, Лондон, Великобритания, 2003, 2004 гг.), «XXVI International Conference on Phenomena in Ionized Gases», (Грейсвальд, Германия, 2003), «Complex Plasmas in the New Millennium (ITCPP 2003)», (о. Санторини, Греция, 2003 г.), «Dusty Plasmas in applications», (Одесса, Украина, 2004 г.); XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2003); а также на научных семинарах в ИТЭС ОИВТ РАН.
Публикации.
По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, список которых приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 103 страниц машинописного текста, 22 рисунков, список литературы из 75 наименований.
