Введение к работе
Актуальность работы С середины 90-х годов наблюдается бурный рост исследований низкотемпературной плазмы с макроскопическими частицами (пылевой плазмы) Сильно возросший интерес к этой области физики плазмы вызван открытием кристаллизации в системе сильнозаряженных пылевых частиц в лабораторных условиях в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда [1], [2], [3] Повышенный интерес к изучению пылевой плазмы связан также с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, при производстве тонких пленок и наночастиц [4], [5] В настоящее время пылевая плазма является бурно развивающейся областью исследований, включающей в себя вопросы физики плазмы, гидродинамики, кинетики фазовых переходов, а также прикладные проблемы (плазменные технологии, создание новых материалов) Большой объем полученной к настоящему времени новой научной информации о явлениях в пылевой плазме содержится в недавних обзорах [6], [7], [8], [9], [10]
Свойства пылевой плазмы значительно многообразнее свойств обычной многокомпонентной плазмы электронов и ионов Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов, а иногда и источником электронов за счет фотоэмиссии, вторичной электронной эмиссии или термоэмиссии В силу этого пылевая компонента может существенно влиять на ионизационное равновесие Вследствие большого заряда, который приобретают пылевые частицы микронного размера в плазме, их потенциальная энергия взаимодействия велика, и неидеальность системы пылевых частиц реализуется намного легче, чем неидеальность электрон-ионной подсистемы
Пылевая плазма является эффективным инструментом для исследования фундаментальных свойств сильнонеидеальной плазмы, что обусловлено такими особенностями, как относительная простота получения, наблюдения и управления параметрами, малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения Имеется возможность проводить измерения с прямым определением функции распределения пылевых частиц по координатам и импульсам, позволяя исследовать многие процессы на кинетическом уровне, что поможет в понимании явлений в других системах, где проведение кинетических измерений невозможно
Критическим фактором в формировании плазменно-пылевых образований в лабораторных исследованиях на Земле является гравитационная сила В большинстве случаев в лабораторных экспериментах реально достижимы достаточно тонкие, так называемые "двух с половиной" (2/2D) мерные или просто двумерные (2D) пьшевые структуры Это вызвано тем, что действующая на пылевую частицу сила тяжести может быть скомпенсирована только в узких
областях (приэлектродный слой пространственного заряда в ВЧ-разряде или страта в разряде постоянного тока) за счет большой напряженности имеющегося там электрического поля В условиях микрогравитации для достижения левитации пылевых частиц нет необходимости в наличии сильного электрического поля
В лабораторных условиях на Земле невозможно изучение поведения массивных пылевых частиц большого размера, исследование поведения пылевых систем под действием ультрафиолетового излучения, получение и исследование больших (с числом частиц более миллиона) плазменно-пылевых 3-мерных (3D) систем Поэтому сразу же после открытия "плазменных кристаллов и жидкостей" в лабораторных условиях ставился вопрос о необходимости проведения исследований пылевой плазмы в условиях микрогравитации
Проведение таких исследований позволяет существенно расширить круг рассматриваемых явлений и получить новую научную информацию о процессах самоорганизации сильнонеидеальной пылевой плазмы в широком диапазоне параметров пылевой компоненты и плазмы, особенностях плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей, фазовых переходах в больших пылевых системах, эффектах, связанных с наличием в плазме сильнозаряженных частиц большого диаметра, неустойчивостях пылевой компоненты Получение таких знаний о пылевой плазме представляет интерес как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения
На начало диссертационной работы упорядоченные пылевые структуры (плазменный кристалл) были получены только в приэлектродном слое ВЧ-разряда (несколько слоев частиц) и косвенным образом в термической плазме наблюдались жидкостные структуры [11], [12]
Цели диссертационной работы состояли в получении трехмерных плазменно-пылевых структур в условиях микрогравитации различными методами (в пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока, в системе, состоящей из макрочастиц, положительно заряженных в результате фотоэмиссии, в пылевой плазме высокочастотного емкостного разряда) и в экспериментальном изучении условий их формирования и существования, степени упорядоченности, особенностей кристаллизации, определении зарядов макрочастиц и волновых свойств пылевой компоненты
Научная новизна работы состоит в следующем
1 Экспериментально получены объемные (до 10" частиц) упорядоченные пылевые структуры и проведено исследование условий их образования в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести Обнаружена перестройка пылевой структуры -нарушение дальнего порядка Результаты выполненных исследований
послужили основой экспериментов по изучению пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации
Впервые экспериментально получены упорядоченные пылевые структуры из макрочастиц большого диаметра в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации Зарегистрированы экстремально высокие заряды макрочастиц (до 106 е), изменение степени корреляции пылевых структур
Впервые экспериментально получены образования из макрочастиц, положительно заряженных путем фотоэмиссии в условиях микрогравитации Определены заряды частиц
Получены большие (свыше миллиона частиц) 3-мерные плазменно-пылевые системы с высокой степенью изотропности Впервые наблюдалось распространение фронта кристаллизации в пылевой плазме в условиях микрогравитации Обнаружена кристаллизация трехмерной пылевой подсистемы при уменьшении давления Измерены дисперсионные соотношения пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем в 3-мерной пылевой плазме Экспериментально определены остаточные заряды пылевых частиц при релаксации пылевой плазмы
Научная и практическая ценность. Пылевая плазма является сравнительно новой областью физики, для развития которой необходимы постановка и выполнение поисковых экспериментальных исследований, на что и направлена данная работа Предложенные методы получения пылевой плазмы можно применять для широкого круга исследований
В диссертационной работе получены новые данные о зарядке макроскопических частиц в различных условиях, особенностях формирования структур сильнозаряженных пылевых частиц, впервые получены большие 3-мерные плазменно-пылевые системы, обнаружены новые эффекты в поведении плаз-менно-пылевых структур Полученные результаты используются при постановке новых экспериментов по пылевой плазме в условиях микрогравитации, в частности, по исследованию фазовых переходов в пылевой подсистеме, а также при создании экспериментальных плазменных установок нового поколения
Результаты экспериментов привели к пересмотру теории силы ионного увлечения, которая является одной из главных сил в пылевой плазме Точное знание этой силы совершенно необходимо для анализа явлений в пылевой подсистеме Многие из проведенных экспериментов представляют интерес для специалистов, занимающихся физикой сплошных сред, поскольку имеется уникальная возможность для наблюдения системы на кинетическом уровне и извлечения статистических параметров объекта и их сопоставления
Научные положения, выносимые на защиту.
Результаты экспериментального исследования условий образования объемных упорядоченных пылевых структур и перестройки пылевой структуры (дальний - ближний порядок) в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока при наличии силы тяжести, послужившие основой экспериментов по изучению пылевой плазмы в условиях микрогравитации
Экспериментальные результаты изучения особенностей формирования (изменение степени корреляции, величина зарядов) упорядоченных пылевых структур из макрочастиц большого диаметра в плазме положительного столба тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации
Экспериментальное доказательство возможности получения образований из макрочастиц, положительно заряженных путем фотоэмиссии в результате воздействия солнечного излучения в условиях микрогравитации
Результаты экспериментального исследования больших 3-мерных пылевых систем с различной степенью изотропности в плазме высокочастотного емкостного разряда в условиях микрогравитации распространение фронта кристаллизации в пылевой компоненте, кристаллизация пылевой подсистемы при уменьшении давления, распространение пыле-звуковых волн, возбуждаемых низкочастотным электрическим полем, определение остаточных зарядов макрочастиц при релаксации плазмы
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах Института теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН, научных семинарах Института внеземной физики Общества М Планка, на 13-й Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (Франция, Тулуза, 1997), на 2-й Международной конференции по физике пылевой плазмы (Хаконе, Япония, 1999), 5-м Европейском Совещании по пылевой и коллоидной плазме ( Потсдам, Германия, 2001 ), 3-й Международной конференции по физике пылевой плазмы (Дурбан, Южная Африка, 2002 ), 5-й Международной научно-практической конференции "Пилотируемые полеты в космос" (Звездный городок, Россия, 2003), 31-й Международной конференции Европейского физического Общества по физике плазмы (Лондон, Великобритания, 2004), Международной конференции по пылевой плазме и ее приложениям (Одесса, Украина, 2004 ), 4-й Международной конференции по физике пылевой плазмы (Орлеан, Франция, 2005), 18-й Международной конференции Европейского физического Общества по атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Лечче, Италия, 2006), научно-координационных сессиях "Исследования неидеальной плазмы" (Президиум РАН, Москва, 2003, 2006), Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы
(Петрозаводск, 2007), 2-й Международной конференции по пылевой плазме и ее приложениям (Одесса, Украина, 2007)
Публикации. Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, изложены в 21 статье, из них 15 публикаций в реферируемых российских и зарубежных журналах
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы Содержание работы изложено на 136 страницах, включая 44 рисунка и 7 таблиц Список литературы состоит из 72-х наименований
