Введение к работе
Актуальность темы исследований
В последние годы большой теоретический и практический интерес представляет изучение сильно взаимодействующих устойчивых кулоновских систем - ансамблей частиц, несущігх заряд одного знака и испытывающих взаимное кулоновское отталкивание.
Упорядоченные пылевые структуры жидкостного и кристаллического типа в газоразрядной плазме часто рассматриваются в качестве физической модели сильно взаимодействующих кулоновских систем [1-5]. Многие явления в таких системах (фазовые переходы, волновые процессы, возникновение неустойчивостей различного типа) могут экспериментально моделироваться с помощью этих структур и изучаться на кинетическом уровне.
В плазменных пылевых структурах заряд пылевых частиц не постоянен, зависит от локальных условий и частично экранирован в плазме разряда. При этом от заряда на пылевых частицах зависит как межчастичное взаимодействие, так и левитация частиц в электростатических ловушках, образующихся в стратах разряда постоянного тока или в приэлектродном слое ВЧ разряда. Таким образом, изменяя межчастичное взаимодействие, т.е. условия формирования самой структуры, мы меняем и условия ее левитации, ее пространственное положение. Чтобы свести эти эффекты к минимуму, следует организовать ловушку, удерживающую частицы без использования плазмы газового разряда.
В подобных ловушках осуществляется удержание сильно взаимодействующих кулоновских систем, состоящих из частиц одного знака. Применительно к подобным системам часто употребляют термин "однозарядная плазма" (в англоязычной литературе nonneutral plasma). Однозарядная плазма обладает целым рядом уникальных свойств, отсутствующих у квазинейтральной плазмы [6-7]. Это может быть чисто электронная плазма, плазма положительных ионов одного или нескольких сортов, позитронная плазма, а также электрон - антипротонная плазма. Так как между частицами однозарядной плазмы существует сильное кулоновское отталкивание, то ее длительное существование в термодинамически равновесном состоянии возможно лишь в специальных ловушках, удерживающих частицы от разлета. Обычно удержание однозарядной плазмы осуществляется с помощью электрических и магнитных полей и может длиться в течение нескольких часов и даже дней. Так как в однозарядной плазме рекомбинация зарядов исключена, то она может быть охлаждена до ультракриогенных температур (< 1 мК), при которых кинетическая энергия
У -"
ионов много меньше энергии их кулоновского взаимодействия, так что возможно образование жидкостных и квазикристаллических структур. Благодаря использованию «лазерного охлаждения» ионов, сильнонеидеальная однозарядная плазма была получена и исследована в ловушках Пеннинга и Пауля.
Подобные устойчивые сильнонеидеальные кулоновские системы также могут быть сформированы из заряженных макроскопических пылевых частиц. Одной из основных проблем экспериментального изучения таких кулоновских систем в лабораторных земных условиях является обеспечение их левитации.
Недавно, в работах [8, 9] был предложен альтернативный способ для удержания пылевых структур и экспериментального моделирования сильно взаимодействующих кулоновских систем. Он основан на известной возможности левитации диамагнитных тел в неоднородном стационарном магнитном поле. Ранее подобная магнитная ловушка применялась лишь для левитации единичных незаряженных диамагнитных тел [10, 11]. В [8, 9] реализована ловушка с магнитным полем В ~ 1 Тл для удержания малых кулоновских кластеров из нескольких диамагнитных частиц в наземных условиях. Также в этих работах была получена соответствующая теоретическая модель и показана принципиальная возможность формирования кулоновских кластеров в магнитной ловушке. В этом случае кулоновские кластеры находятся в неионизованной среде, следовательно, взаимодействие между частицами не экранируется. Таким образом, формируется реальный кулоновский кластер, а не система Юкавы, как в случае кластера пылевых частиц в плазме газового разряда [12]. В случае скопления заряженных диамагнитных частиц в магнитной ловушке, функции межчастичного взаимодействия и удержания разделены; удержание связано с магнитными свойствами, в то время, как в электростатических ловушках заряд частиц отвечает как за взаимодействие, так и за удержание. В работе [13] представлены подробные расчеты магнитной ловушки для наземной лабораторной установки и положения кластеров из двух частиц в ловушке. Однако основной интерес связан с формированием значительно более крупных кулоновских систем объемом в десятки кубических сантиметров и содержащих тысячи частиц. Для этого в наземных условиях необходимы поля В > 10 Тл с градиентами порядка 10 Тл/см, что создает значительные технические и экономические сложности в реализации подобной установки. Однако, в условиях невесомости достаточны поля на порядки величины меньшие [14].
Цель диссертационной работы
Основной целью диссертационной работы является экспериментальное и теоретическое исследование сильнонеидеальных кулоновских систем, состоящих из заряженных диамагнитных макрочастиц, удерживаемых неоднородным стационарным магнитным полем в условиях микрогравитации.
Научная новизна результатов исследования
-
Изучено формирование сильнонеидеальных кулоновских систем из большого числа (~10) диамагнитных частиц в антипробкотронном магнитном поле (В ~ 103 Гс, |VB| ~ 400 Гс/см) в условиях микрогравитации. Из условия баланса электростатических и магнитных сил определен средний заряд макрочастиц.
-
Предложен метод определения магнитной восприимчивости материала частиц, основанный на анализе параметров затухающих колебаний центра масс кулоновского ансамбля.
-
Методом молекулярной динамики проведено численное моделирование формирования упорядоченных структур из заряженных диамагнитных макрочастиц в антипробкотронном магнитном поле в условиях микрогравитации.
-
Показано, что функция распределения по компонентам скорости частиц в процессе формирования кластера является максвелловской.
-
Проведено численное моделирование затухающих колебаний центра масс кластера, получено возбуждение собственных колебаний кластера в процессе его формирования.
Научно-практическая значимость работы
Результаты, представленные в диссертационной работе, могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением физических свойств сильнонеидеальных кулоновских систем, в частности сильнонеидеальной плазмы. Представленные экспериментальные и теоретические исследования процессов формирования сильнонеидеальных кулоновских систем из заряженных диамагнитных макрочастиц могут способствовать развитию ряда практических приложений, связанных с созданием новых дисперсных композитных материалов, а также с разработкой компактных источников энергии нового поколения.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты экспериментальных исследований формирования
сильнонеидеальных кулоновских систем из большого числа (~104) диамагнитных частиц в антипробкотронном магнитном поле (В ~ 10 Гс, |VB| ~ 400 Гс/см) в условиях микрогравитации и результаты
расчета среднего заряда макрочастиц из условия баланса электростатических ч магнитных сил.
-
Метод определения магнитной восприимчивости материала частиц, основанный на анализе параметров затухающих колебаний центра масс кулоновского ансамбля.
-
Результаты численного расчета формирования упорядоченных структур из заряженных диамагнитных макрочастиц и распределения частиц по скоростям в антипробкотронном магнитном поле в условиях микрогравитации с использованием метода молекулярной динамики.
-
Результаты численного моделирования затухающих колебаний центра масс кластера и возбуждения собственных колебаний кластера в процессе его формирования.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и полученные результаты докладывались на российских и международных конференциях: «Космический форум 2011, посвященный 50-летию полёта в космос Ю.А. Гагарина» с международным участием (Звёздный городок, 2011), 54-я научная конференция Московского физико-технического института — Всероссийская молодёжная научная конференция с международным участием "Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе" (Москва, 2011), Молодежная Школа-семинар "Физика вещества с высокой концентрацией энергии" (Москва, 2011), XXVII International Conference on Equations of State for Matter (Elbrus, 2012), XXI Europhysics Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionized Gases (Viana do Castelo, Portugal, 2012), 10 Workshop Complex Systems of Charged Particles and their Interaction with Electromagnetic Radiation (Moscow, 2012), 25r Symposium on Plasma Physics and Technology (Prague, Czech Republic, 2012), 14 International Conference on the Physics of Non-Ideal Plasmas (Rostock, Germany, 2012), VII Международная конференция "Физика плазмы и плазменные технологии" (Минск, Беларусь, 2012), 63rd International Astronautical Congress (Naples, Italy, 2012).
Публикации
Результаты, полученные в ходе работы над диссертацией, опубликованы в 12 научных работах, включая 3 статьи в рецензируемых научных журналах (список публикаций приведен в конце автореферата).
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 97 страниц, 35 рисунков. Библиография включает 131 наименование.
Личный вклад автора
Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является основным. Автор принимал активное участие в постановке научных задач; при его непосредственном участии проводились экспериментальные и теоретические исследования. Автором была выполнена обработка и проведен анализ полученных экспериментальных данных, а также выполнено численное моделирование. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором. На основании результатов исследования и их анализа автором сформулированы и обоснованы выводы и заключения, вошедшие в диссертацию.
Благодарности
Автор искренне признателен научному руководителю Петрову О.Ф. за постановку задач и постоянное внимание к работе, Савину С.Ф., Чурило И.В., Капери А.Ю., Борисенко А.И. за помощь в подготовке и проведении эксперимента, Дьячкову Л.Г. за помощь при анализе результатов и полезные обсуждения. Особую благодарность автор хотел бы выразить коллегам Васильеву М.М., Чепелеву В.М., Антипову С.Н. и Лисину Е.А. за ценные рекомендации и моральную поддержку на протяжении всего хода работы над диссертацией.
