Введение к работе
Объектом исследования диссертационной работы является плазма, содержащая частицы конденсированной дисперсной фазы (КДФ) микронных размеров в газах при повышенных давлениях. Исследуется плазма, созданная внешним источником ионизации газа, таким как пучок быстрых электронов. Актуальность представленных в настоящей работе исследований связана с тем, что в последнее десятилетие в связи с бурным развитием микротехнологии и технологии получения новых материалов сильно вырос интерес к изучению плазмы с частицами конденсированной дисперсной фазы [1-5]. Эти исследования стали более интенсивными после открытия в 1994 году кристаллизации пылевых частиц [6-9]. Исследования процессов самоорганизации в плазме с КДФ или в комплексной плазме, приводящих к образованию упорядоченных плазменно-пылевых структур, обогащают наши знания о самоорганизующихся системах и о фазовых переходах. Плазма с КДФ является удобным объектом для таких исследований из-за того, что характерный размер решетки образующегося кулоновского кристалла находится в области, удобной для исследований оптическими методами с использованием видимого света и эти исследования можно проводить на удобных временных масштабах, что сильно отличает такую плазму от коллоидных систем, где характерные временные масштабы составляют сутки. Это позволяет проводить такие исследования практически невооруженным глазом с использованием обычных систем видеозаписи. Исследования плазмы с КДФ представляют интерес также вследствие того факта, что пылевые частицы в плазме собирают значительный, обычно, отрицательный заряд, поэтому параметр неидеальности оказывается большим и такая плазма позволяет исследовать свойства неидеальной плазмы.
В комплексной плазме в последние годы активно исследовались процессы образования кристаллических структур и формирования областей с резкими границами, отделяющими области с сильно различающимися параметрами плазмы, процессы зарождения и роста пылевых частиц вследствие процессов коагуляции, динамические процессы тепло и массопереноса и т.д. [1-5]. В основном эти исследования проводились при низких давлениях и в настоящее время имеется лишь небольшое число работ, посвященных экспериментальному и теоретическому исследованию неравновесной пылевой плазмы при давлениях, близких к атмосферному. Это эксперименты по изучению термической плазмы, содержащей частицы конденсированной дисперсной фазы, в ходе проведения которых были обнаружены пылевые структуры жидкостного типа [10]; работы по исследованию ядерно-возбуждаемой плазмы со слабомощным источником из Cf252 [11, 12] и работы по исследованию влияния пылевой компоненты на характеристики импульсного несамостоятельного разряда в гелии [13]. В настоящей работе исследуется комплексная плазма при повышенных давлениях, когда для описания процессов переноса электронов и ионов применимо так называемое диффузионно-дрейфовое
приближение. Это приближение использовалось также авторами работ [13-17] при исследованиях зарядки пылевых частиц.
Одним из наиболее интересных приложений уникальных свойств пылевой плазмы является автономный фотовольтаический источник электрической энергии с использованием радиоактивного топлива в виде микронных пылевых частиц [18]. Несамостоятельный разряд (HP), контролируемый пучком быстрых электронов, является удобным объектом для экспериментального моделирования физических и плазмохимических процессов в рабочей среде такого генератора, так как пучок быстрых электронов является идеальным имитатором /3-частиц радиоактивного распада. Причем стационарный HP может гореть только в слаботочном, так называемом томсоновском режиме без ионизационного усиления тока в катодном слое для предотвращения развития тепловой ионизационно-перегревной неустойчивости. Поэтому исследование пылевой плазмы при атмосферном давлении представляет и определенный практический интерес. Такие исследования немаловажны также для программ разработки МГД генераторов взрывного типа и на твердом топливе, неравновесных МГД генераторов и МГД ускорителей для воздушно-космических систем.
Явления вблизи частиц конденсированной дисперсной фазы схожи с явлениями вблизи сферических зондов. Теория зондов при повышенных давлениях является достаточно сложной [19-21], поэтому аналитические оценки получены только для специальных режимов работы, например, для режима с сильным преобладанием ионного тока [22, 23], в пренебрежении диффузионной составляющей как ионного, так и электронного потоков [24], без объемных источников рождения и гибели электронов и ионов [25-27]. Особо стоит отметить работы [28-34], в которых проведены исследования процессов зарядки и экранирования в пылевой плазме в столкновительном режиме переноса, но без объемных источников плазмы. В пылевой плазме, в первую очередь, представляет интерес плавающий потенциал, для нахождения которого развит ряд аналитических теорий, точность которых весьма ограничена. Поэтому важное значение имеют численные методы решения задач, возникающих при исследовании свойств плазмы с частицами КДФ микронных размеров.
Целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование явлений в плазме, создаваемой внешним источником ионизации газа при повышенных давлениях и содержащей частицы конденсированной дисперсной фазы. Эти исследования имеют существенное значение для физики низкотемпературной плазмы. Главной задачей диссертационной работы является изучение процессов зарядки, экранирования и взаимодействия пылевых частиц, а также условий формирования упорядоченных пылевых структур.
Научная новизна работы заключается в том, что
1. Впервые проведены исследования процесса нестационарной зарядки частиц конденсированной дисперсной фазы в ядерно-возбуждаемой плазме в элек-
троположительных и электроотрицательных газах, в результате которых получены новые данные о заряде и характерных временах зарядки пылевых частиц в воздухе и ксеноне при атмосферном давлении.
Впервые проведены исследования электризации пылевых частиц на основе диффузионно-дрейфового приближения в плазме, созданной внешним источником ионизации газа. В результате получены новые данные о заряде пылевых частиц, о зависимости потенциала и концентраций электронов и ионов от расстояния, об условиях кристаллизации пылевой компоненты в азоте и аргоне при комнатной и криогенной температурах при неизменной концентрации газа, равной 2.5 х 10~19 см-3.
Впервые создана нелокальная модель зарядки частиц конденсированной дисперсной фазы и на ее основе путем численного решения методом конечных разностей получены новые данные о характере изменения температуры и коэффициентов переноса электронов в окрестности пылевой частицы в области сильного изменения самосогласованного электрического поля. Установлены условия, когда при моделировании процессов переноса можно использовать приближение замороженных коэффициентов. Впервые показано, что область амбиполярной диффузии около поглощающего плазменные частицы тела может отсутствовать и определено условие формирования такого слоя.
Впервые на основе нелокальной модели переноса электронов исследован распад фотоэмиссионной плазмы в эксперименте на станции "Мир" в неоне в условиях микрогравитации, исследована зарядка макрочастиц за счет фотоэмиссии при повышенных давлениях и распад образующейся фотоэмиссионной плазмы в этих условиях. Показано, что распад плазмы, состоящей из тяжелых "ионов" - заряженных пылевых частиц из бронзы с цезиевым покрытием, и электронов в экспериментах на станции "Мир" проистекал по механизму свободной диффузии. Определены условия, когда распад такой плазмы будет идти в амбиполярном режиме.
Впервые определен заряд частиц конденсированной дисперсной фазы и условия кристаллизации пылевой компоненты в фоторезонансной плазме, характеризующейся высокой плотностью плазмы, умеренной температурой электронной компоненты и температурой ионов, совпадающей с газовой. Показано, что заряд пылевых частиц зависит от плотности плазмы, а радиус экранирования, полученный в результате аппроксимации расчетного потенциала дебаевским, значительно (до ста раз) превышает электронный дебаевский радиус.
Впервые проведены экспериментальные исследования плазмы с частицами КДФ со стационарным пучком быстрых электронов в качестве внешнего источника ионизации газа и впервые обнаружены устойчивые дископодобные
структуры и высокоупорядоченные структуры пылевых частиц в несамостоятельном разряде в электроположительных газах.
Впервые создана асимптотическая теория экранирования сферического зонда или пылевой частицы в неравновесной плазме в гидродинамическом режиме переноса электронов и ионов, которая обобщает равновесную теорию экранирования Дебая-Гюккеля на случай неравновесной плазмы. Установлено, что потенциал заряженной частицы, которая поглощает плазменные частицы, в общем случае описывается суммой двух экспонент с разными постоянными экранирования.
Впервые строго показано, что в равновесной плазме притяжение между одноименно заряженными макрочастицами отсутствует и проведены систематические исследования электростатического взаимодействия макрочастиц в неравновесной плазме. Установлен вид потенциала взаимодействия макрочастиц в неравновесной плазме, который является суммой двух потенциалов Юкавы с разными постоянными экранирования. Предложены выражения для определения модифицированного параметра неидеальности.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методы исследования и развитые аналитические теории имеют первостепенное значение для физики низкотемпературной плазмы. Они найдут применение в теории зондовой диагностики плазмы, в физике газовых разрядов при описании областей нарушения квазинейтральности плазмы, при создании автономного фотовольтаического источника электрической энергии, при создании МГД-генераторов на основе твердотельного топлива, при разработке проточных плаз-мохимических реакторов с катализатором в виде частиц конденсированной дисперсной фазы. Полученные в работе результаты, развитые теории и методы исследования являются основой физики пылевой плазмы при повышенных давлениях.
Защищаемые положения:
1. В электроположительном газе при повышенных давлениях приведенный за
ряд пылевых частиц q/ro подчиняется соотношению подобия:
q/ro = №Q),
где = ridf'o - произведение концентрации пылевых частиц rid на их радиус Го, Q - скорость ионизации газа, / - некая функция. В воздухе, электроотрицательном газе, при повышенных давлениях и Q > 1012 см~3с-1 имеет место такое же соотношение подобия.
2. В плазме с внешним источником ионизации при скоростях Q > 1012 см~3с-1
зарядка пылевых частиц в воздухе осуществляется электронами, поэтому их
заряд оказывается сравнимым с зарядом частиц в электроположительных
При скорости ионизации газа порядка 1014 см~3с-1 в плазме стационарного несамостоятельного разряда в электроположительных газах с инжектированными частицами КДФ параметр неидеальности достигает значений, при которых пылевая компонента кристаллизуется.
Температура электронов в области нарушения квазинейтральности плазмы в окрестности пылевой частицы остается практически постоянной, что позволяет использовать приближение замороженных коэффициентов переноса и гибели электронов при моделировании процесса зарядки пылевых частиц.
Распад плазмы, состоящей из тяжелых полизарядных ионов - заряженных макрочастиц и электронов в условиях экспериментов на станции "Мир" проистекал в режиме свободной диффузии электронов. Увеличение давления газа с 40 Торр до 1 бар или наложение магнитного поля с напряженностью порядка 1000 Гс с направлением вдоль оси длинной цилиндрической ячейки переводит распад плазмы на начальной стадии в амбиполярный режим.
Экранирование электрического поля макрочастицы или зонда в неравновесной плазме в электроположительных газах в столкновительном режиме переноса электронов и ионов описывается суммой двух экспонент:
ф= Qleffc-kir | Q2effc-k2r
rp rp
с разными постоянными экранирования к\, / и только в равновесной и изотермической плазме экранирование описывается теорией Дебая-Гюккеля.
Притяжение между двумя одноименно заряженными одинаковыми пылевыми частицами в равновесной плазме в рамках модели Пуассона-Больцмана отсутствует, а сама такая система является термодинамически неустойчивой.
Потенциал взаимодействия двух макрочастиц в неравновесной плазме является суммой двух потенциалов Юкавы с разными постоянными экранирования.
Структура и объем диссертации
