Введение к работе
Диссертация посвящена численному, теоретическому и
экспериментальному изучению структурных свойств и пространственной корреляции пылевых частиц в комплексной плазме.
Актуальность работы. Плазму, содержащую пылевые частицы дисперсной фазы называют пылевой (комплексной) плазмой. Такая плазма широко распространена в природе и образуется в ряде технологических процессов [1, 2]. В плазме газовых разрядов пылевые частицы могут либо самопроизвольно образовываться в ней, либо инжектироваться специально. Как правило, размер таких частиц варьируется от сотых долей микрона до десятков микрометров. При этом пылевые частицы могут приобретать значительные заряды и формировать структуры подобные жидкости или твердому телу.
Благодаря возможности наблюдения пылевых частиц с помощью простейшей видеотехники, лабораторная пылевая плазма является прекрасным объектом для изучения различных процессов в системах взаимодействующих частиц. В лабораторной пылевой плазме возможно прямое определение функции распределения пылевых частиц по координатам и импульсам, что позволяет детально исследовать различные транспортные процессы, условия формирования фазовых переходов и т.д., а также развивать принципиально новые методы диагностики параметров плазмы и пылевых частиц.
В последнее время в области физики пылевой плазмы наблюдается рост интереса к проблемам, связанным с изучением структурных свойств неидеальных систем таких, как их пространственные корреляционные функции для различных фазовых состояний, условия различных фазовых переходов, а также эффекты, связанные с размерностью анализируемых систем [1, 2]. Особый интерес вызывают фазовые переходы в двумерных системах, плавление в которых может качественно отличаться от плавления трехмерных структур [3, 4]. Монослойные пылевые структуры, наблюдаемые в высокочастотном (ВЧ) емкостном разряде, предоставляют прекрасную возможность для изучения вышеперечисленных проблем.
Целью диссертационной работы являлось изучение структурных свойств пылевой компоненты комплексной плазмы, включая анализ условий формирования структурных фазовых переходов, таких как конфигурационные и топологические фазовые переходы в двумерных системах, плавление трехмерных и двумерных систем, полиморфные превращения в трехмерных системах, а также исследование пространственных (парных и ориентационных) корреляционных функций пылевой компоненты в плазме.
Для достижения поставленных целей были проведены аналитические, численные и экспериментальные исследования структурных свойств пылевой компоненты в плазме ВЧ-разряда. На основе обработки и анализа полученных данных были определены основные параметры, отвечающие за фазовое состояние пылевых систем; получены аналитические соотношения для описания структурных свойств и фазовых переходов; разработана методика бесконтактной диагностики параметров плазменной и пылевой компонент.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Получены новые экспериментальные данные об условиях формирования нового слоя частиц в изначально монослойной пылевой структуре. Впервые проведена экспериментальная проверка аналитического критерия [5, 6] устойчивости монослоя в плазме ВЧ-разряда.
-
Получены новые экспериментальные данные о перераспределении кинетической энергии пылевых частиц по степеням свободы в моно- и многослойных системах, формирующихся в приэлектродном слое ВЧ-разряда. Найдено, что выравнивание стохастических энергий между различными степенями свободы происходит с увеличением количества пылевых слоев, а также при уменьшении мощности разряда и/или давления газа. Ранее этот эффект детально не исследовался.
-
Предложен новый метод диагностики параметров плазмы и пылевых структур в условиях левитации пылевого монослоя в приэлектродном слое ВЧ-разряда (таких, как среднее электрическое поле, плотность и скорость ионов, а также заряда и параметра экранирования пылевых частиц). В отличие от широко известной зондовой диагностики [7 - 9] плазмы предлагаемый метод имеет достаточно узкий диапазон погрешностей.
-
Предложена и экспериментально проверена новая однопараметрическая модель для построения парной корреляционной функции в сильно неидеальных двумерных и трехмерных системах. Ранее для анализа парной корреляции частиц в двумерных системах использовалась аппроксимация Березинского [10 - 13], содержащая три неизвестных параметра, которые определялись путем подгонки численных или экспериментальных данных.
-
Получены новые экспериментальные данные о критериях плавления двумерных пылевых систем в приэлектродном слое ВЧ-разряда. Впервые исследована связь между полушириной первого пика парной корреляционной функции и смещением частиц.
-
Получены новые данные о зависимости фазового состояния двумерных систем и их параметра неидеальности от ориентационного порядка частиц и числа топологических дефектов. Впервые обнаружено, что форма
ориентационных корреляционных функций g6(r) практически не изменяется в пределах жидкостной и гексатической фаз, а величина g6(r) полностью определяется числом возникающих дефектов.
-
Предложены новые аппроксимации для описания пространственной асимптотики ориентационных функций в жидкостной и гексатической фазах, которые позволяют проводить анализ ориентационного порядка частиц в лабораторных условиях при наблюдении ограниченных пылевых структур.
-
Предложен новый аналитический критерий для определения линий полиморфных fcc-bcc переходов в системах с различными изотропными потенциалами, основанный на поиске минимума потенциальной энергии решетки в устойчивой фазе. Ранее для определения линий указанных переходов использовался поиск минимума свободной энергии системы частиц, требующий дополнительных расчетов термодинамических функций для изначально заданной формы парного потенциала [14, 15].
-
Впервые рассмотрено влияние ангармонизма (нелинейности) сил парного межчастичного взаимодействия на положение равновесных фазовых кривых для fcc-bcc превращений и линий плавления решеток (перехода жидкость -кристалл) для систем с различными изотропными потенциалами.
Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением физических свойств пылевой плазмы, а также разработкой методов бесконтактной диагностики дисперсных систем. Результаты данной работы могут способствовать развитию ряда приложений, связанных с контролируемым осаждением пылевых частиц на подложку, а также их удалением при производстве микросхем, с нанотех-нологиями, в том числе моделированием нанокристаллов и т.д.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Новые экспериментальные данные об условиях формирования монослойных и многослойных плазменно-пылевых структур в приэлектродном слое ВЧ-разряда.
-
Метод диагностики параметров плазмы и пылевых структур в приэлектродном слое ВЧ-разряда (таких, как среднее электрическое поле, плотность и скорость ионов, а также заряда и параметра экранирования пылевых частиц).
-
Аналитическая модель для описания парной корреляции частиц в двумерных и трехмерных неидеальных системах.
-
Новые данные о зависимости ориентационного порядка в неидеальных двумерных системах от их фазового состояния и числа топологических дефектов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих российских и международных конференциях: L - LVI Научных конференциях МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" 2007-201 Згг.; XXIV, XXVI, XXVIII Международных конференциях "Воздействие интенсивных потоков энергии на вещество", 2009, 2011, 2013гг.; XXIII, XXVII Международных конференциях "Уравнения состояния вещества", 2008, 2012гг.; VI Российском Семинаре «Современные методы диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» 2008г.; Научно-координационных сессиях "Исследования неидеальной плазмы", 2010— 201 Згг; ХХХЕХ Международной конференции по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, 2012г.; 10-й Юбилейной Международной Научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков», 2009г.; XIII, XIV International Conferences on Physics of Non-ideal Plasmas; 39th и 40th European Physical Society Conference on Plasma Physics; и др.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 27 печатных работ, включая 5 статей в рецензируемых журналах (список публикаций приведен в конце автореферата).
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 120 страниц машинописного текста, 38 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 162 наименований.
Личный вклад автора. Вклад автора в работы, вошедшие в диссертацию, является определяющим. Автор принимал активное участие в постановке научных задач; при его непосредственном участии был модифицирован экспериментальный стенд, проведены экспериментальные исследования, выполнена обработка экспериментальных и численных данных, а также теоретический анализ полученных результатов. На основании полученных результатов были сформулированы и обоснованы выводы и заключения, вошедшие в диссертацию.
