Введение к работе
Актуальность работы. Пылевая плазма является системой, состоящей из свободных электронов и ионов, нейтральных молекул и микроскопических пылевых частиц размером 1-100 /лм. Пылевая плазма широко распространена в космосе: в планетарных кольцах, хвостах комет, межзвездных облаках.
Системы заряженных пылевых частиц являются одним из чрезвычайно интересных объектов. Благодаря большому заряду пылевых частиц (10-10 электрона) потенциальная энергия взаимодействия между ними может намного превосходить их среднюю кинетическую энергию, что означает возникновение в плазме сильно неидеальной пылевой компоненты. Сильное взаимодействие частиц часто приводит к фазовым переходам типа «газ - жидкость или жидкость - твердое тело» и возникновению пространственно-упорядоченных жидкостных или кристаллических пылевых структур. Образование упорядоченных структур существенно влияет на физические свойства и поведение ансамбля частиц, а также возможности практического применения устройств, использующих пылевую плазму.
Эксперименты по удержанию ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием показали возможность формирования стабильных пылевых структур при низких давлениях. Попытки получения структур из заряженных пылевых частиц при атмосферном давлении сталкиваются с необходимостью учета трения заряженных пылевых частиц о воздух и, соответственно, необходимостью подбирать параметры ловушки из-за иной области устойчивости, отличной от таковой для случая сильноразреженной среды, где область устойчивости определена аналитически. Во всех ранее выполненных исследованиях не исследовали условия образования упорядоченных структур из заряженных пылевых частиц при высоких давлениях газовой среды, поэтому свойства пылевых ансамблей не исследовались.
Пылевая плазма часто присутствует во многих энергетических устройствах. Например, в разработках мощных энергетических лазеров, использующих прямое преобразование энергии деления ядер в энергию оптического излучения, весьма перспективной является объемная накачка с помощью заряженных частиц делящегося материала в виде свободно левитирующих пылинок в специально разработанных ловушках. Подобрав должным образом размеры пылинок и условия возбуждения, можно существенно увеличить энерговклад осколков деления в активную среду
газового лазера высокого давления и таким образом увеличить КПД реакторно-лазерной системы.
Не менее актуальной проблемой в условиях ухудшения экологической обстановки является возрастающие требования к фильтрации отработанного воздуха в устройствах ядерной энергетики, машиностроении, химической промышленности и других производствах, что предъявляет новые требования к разработке новых принципов и методов фильтрации от выбросов пыли и аэрозолей в атмосферу. Возможное решение этой проблемы может быть связано с разработкой новых принципов фильтрации, использующих электродинамические ловушки. Однако оптимизация работы таких воздушных фильтров невозможна без математического моделирования процессов улавливания и удержания пылевых частиц.
В данной диссертационной работе проводится разработка методов математического моделирования ловушек нового типа, основанных на принципах динамического удержания ансамбля заряженных пылевых частиц в газовых средах высокого давления. Продемонстрирована возможность селективной фильтрации в заданном диапазоне размеров пылевых частиц.
В частности, работа направлена на повышение эффективности фильтров в диапазоне размеров пылевых частиц 0.1-1.0 /ш, которые плохо поддаются удалению традиционными методами. Возможность перестройки динамических параметров электродинамических ловушек позволит улавливать частицы заданных размеров, что является существенным преимуществом перед существующими электростатическими фильтрами.
Учет сильного кулоновского взаимодействия, вязкости газовой среды сильно усложняют анализ физических принципов удержания ансамбля пылевых частиц в электродинамических ловушках и повышает необходимость и ценность математического моделирования.
Цель диссертационной работы.
Теоретические исследования возможности захвата и удержания ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках при атмосферном давлении, а также возможности селективного удаления заряженных пылевых частиц из газового потока при высоких давлениях газовой среды.
Научная новизна работы состоит в следующем:
впервые проведено математическое моделирование поведения ансамбля пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в газовых средах высокого давления в переменных электрических полях.
определены области параметров, необходимых для удержания ансамбля пылевых частиц в неподвижных газовых средах высокого давления и
в газовых потоках в различных типах электродинамических ловушек.
В частности, определены необходимые заряды пылевых частиц, вязкость
газовых сред, частоты и величины напряженности электрического поля.
показана возможность селективного бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков с помощью электродинамических ловушек.
установлено, что в газовых потоках со скоростями, представляющих практический интерес, заряд частиц, приобретенный в коронном разряде, достигает величины, необходимой для их захвата и удержания
в электродинамических ловушках.
Научная и практическая ценность. На данный момент электродинамические ловушки, работающие в вакууме, применяются в масс-спектроскопии, а также для удержания частиц в особых условиях сильноразреженной среды или невесомости. В диссертационной работе исследуется возможность удержание пылевых заряженных частиц и создание пылевых структур в воздухе и плотных газовых средах при нормальных условиях. Полученные результаты указывают на возможность удержания ансамбля частиц в ограниченной области внутри ловушки на длительный срок. Определены параметры пылевых частиц и динамические параметры ловушек, необходимые для удержания пылевых структур в покоящихся газовых средах. Продемонстрирована эффективность электродинамической ловушки в захвате микроскопических заряженных частиц из газового потока и определены необходимые для этого значения параметров частиц и динамических ловушек. Продемонстрировано, что величина заряда, приобретаемая пылевыми частицами в коронном разряде, достаточна для их захвата и удержания в газовых потоках.
Полученные в работе данные могут быть использованы для создания селективных фильтров, настроенных на определенный размер частиц (0.1-1/ш), которые плохо удаляются традиционными методами, для ядерно-оптического преобразования энергии (лазеры с ядерной накачкой), а также при создании новых источников электрической энергии, основанных на прямом преобразовании ядерной энергии (фотовольтаическая батарея).
Достоверность полученных результатов
предложенная модель расчета движение заряженных пылевых частиц в переменных электрических полях описывается Броуновской динамикой, которая была ранее использована. Схема численного метода решения системы уравнений Ланжевена (1) представлена в работе [1]. проведено успешное сравнение результатов моделирования областей устойчивости движения частицы в вакууме с результатами аналитического решения [2].
проведено успешное сравнение результатов моделирования поведения одиночной броуновской частицы в одномерном пространстве с результатами аналитического решения [3].
Результаты эксперимента и моделирования по удержанию заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля согласуются по следующим критериям: параметры электродинамической ловушки и удерживаемых частиц в эксперименте и при моделировании совпадали и находились в узкой области физических параметров удержания частиц; в эксперименте и при моделировании получено стабильное облако частиц; средние межчастичные расстояния в эксперименте 0,9 мм и моделировании 1,2 мм неплохо совпадают.
Научные положения, выносимые на защиту
Математическое моделирование Броуновской динамики ансамбля заряженных пылевых частиц с сильным кулоновским взаимодействием в газовых средах высокого давления в электродинамических полях. Результаты расчета параметров коронных разрядов, необходимые для зарядки частиц и для последующего их удержания в электродинамических ловушках.
Области физических параметров, необходимые для удержания заряженных пылевых частиц электродинамическими ловушками (частота и величина электрического поля, размеры частиц, их плотности и заряды) в покоящихся газовых средах высокого и низкого давлений и в газовых потоках.
Показана возможность создания устойчивых пылевых структур с сильным кулоновским взаимодействием в электродинамических ловушках и найдены значения максимального количества удерживаемых частиц. Области физических параметров необходимые для бесконтактного удаления заряженных пылевых частиц из газовых потоков.
Апробация результатов работы. Результаты, представленные в диссертации, докладывались и обсуждались на научном семинаре ОИВТ РАН (Москва) (2011); Международной конференции «Уравнения состояния вещества». Эльбрус (2010); Международной конференции «Физика экстремальных состояний вещества» (Эльбрус 2011 г.); XXVIII International conference on Interaction of Intense Energy Fluxes with Matter, Elbrus (2013); 9-й Курчатовской молодёжной научной школе (2011); юбилейной конференции ОИВТ РАН (2010); Международной конференции «Физика плазмы и плазменных технологий - 7» (2012); Научно-координационной сессии "Исследования неидеальной плазмы" (2011); 38 Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Звенигород (2011 г.); 39 Международной (звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС. Звенигород (2012); Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП -2011 (2011); Физика низкотемпературной плазмы - 2011. Петрозаводск (2011); 14th International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas. Rostock (2012); 4th International Conference Dusty Plasma in Applications. Odessa, Ukraine (2012); 13th workshop on the physics of dusty plasma, Baylor University (2012); IX Курчатовская молодежная научная школа, Москва (2011); Strongly Coupled Coulomb Systems. Budapest (2011).
Публикации. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 3 статьи в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК (список публикаций приведен в конце автореферата).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы. Содержание работы изложено на 98 страницах, включая 51 рисунок. Список литературы состоит из 75 наименований.
