научная статья по теме КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И ЖИДКОСТНЫЕ СТРУКТУРЫ В СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ В ЛАБОРАТОРИИ И УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ Физика

Текст научной статьи на тему «КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И ЖИДКОСТНЫЕ СТРУКТУРЫ В СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ В ЛАБОРАТОРИИ И УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2010, том 48, № 6, с. 991-1004

= ОБЗОРЫ

УДК 533.9

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И ЖИДКОСТНЫЕ СТРУКТУРЫ

В СИЛЬНОНЕИДЕАЛЬНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ В ЛАБОРАТОРИИ И УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ © 2010 г. В. Е. Фортов, О. Ф. Петров

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва Поступил в редакцию 13.05.2010 г.

В обзоре представлены результаты цикла взаимосвязанных экспериментальных работ, имеющих приоритетный характер, по изучению плазменно-пылевых кристаллов и жидкостей как в лабораторных условиях, так и в условиях микрогравитации (на борту орбитального комплекса "Мир" и Международной космической станции), в широком диапазоне температур и давлений: в плазме тлеющего разряда постоянного тока и высокочастотного разряда низкого давления при комнатных и криогенных температурах, в ядерно-возбуждаемой плазме и плазме, индуцированной ультрафиолетовым излучением, в термической плазме при атмосферном давлении.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

1. Пространственно-упорядоченные структуры в термической плазме

2. Структурные свойства плазменно-пылевой жидкости

3. Нелинейные волны в плазменно-пылевых структурах

4. Пылевая плазма в условиях микрогравитации

4.1. Диффузия пылевых частиц в плазме, индуцированной УФ-излучением (эксперименты на орбитальном комплексе "Мир")

4.2. Эксперименты в газовом разряде постоянного тока излучением

4.3. Формирование вихрей в плазменно-пыле-вой жидкости высокочастотного разряда (эксперименты на Международной космической станции)

5. Технологические приложения

5.1. Фотовольтаический элемент на основе ядерно-возбуждаемой плазмы

5.2. Удаление пылевых частиц из объемов промышленных установок

5.3. Пространственная сепарация пылевых частиц в плазме

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Плазма с помещенными в нее мелкодисперсными частицами вещества, или пылевая плазма, характеризуется тем, что такие частицы могут заряжаться потоками электронов и ионов плазмы, а также путем фото-, термо- или вторичной эмиссии электронов [1—3]. Эмиссия электронов с по-

верхности частиц может привести к их положительному электрическому заряду, при этом частицы, эмитирующие электроны, могут повысить концентрацию электронов в газовой фазе и ее электропроводность. Если же частицы захватывают электроны, то их заряд отрицателен и может возникнуть противоположный эффект — снижение концентрации электронов.

В силу большого заряда пылевых частиц (порядка 102—105 зарядов электрона) потенциальная энергия электростатического взаимодействия между ними, пропорциональная произведению зарядов взаимодействующих частиц, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию, что означает возникновение сильнонеидеальной плазмы. Теоретические расчеты равновесных свойств такой плазмы показывают, что при определенных условиях сильное межчастичное взаимодействие приводит к фазовым переходам типа жидкость— твердое тело и возникновению пространственно-упорядоченных структур в расположении пылевых частиц, аналогичных структурам в жидкости или твердом теле [4, 5]. Такие структуры получили название кулоновского или плазменного кристалла.

В настоящее время пылевая плазма активно исследуется в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только преднамеренно вводиться в плазму, но и образовываться самопроизвольно в результате различных процессов. Пылевая плазма широко распространена в космосе. Она присутствует в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутников земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Широкая распространенность плазменно-пыле-

вых систем, а также целый ряд их уникальных и необычных свойств (способность к самоорганизации и образованию упорядоченных структур, открытость системы, простота получения, наблюдения и контроля, возможность исследований на кинетическом уровне) делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.

Одни из первых экспериментальных наблюдений кристаллоподобных структур относятся к заряженным частицам железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых определенной конфигурацией переменного и статического электрических полей. Также были обнаружены кулоновские кристаллы атомных ионов в ловушках других типов, например в ловушке Пеннинга. Позже появились экспериментальные работы [6, 7], в которых описывались наблюдения кулоновской кристаллизации пылевых частиц с сильным взаимодействием в сла-боионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Упорядоченные структуры частиц исследовались в термической плазме при атмосферном давлении, в положительном столбе тлеющего разряда постоянного тока, а также в ядерно-возбуждаемой пылевой плазме [6—11]. Следует отметить, что рост интереса к пылевой плазме в начале 90-х годов связан, в первую очередь, с открытием плазменно-кри-сталлических структур. Это послужило толчком к бурному росту исследований в этой области, продолжающемуся и в настоящее время (достаточно указать на экспоненциальное увеличение числа публикаций по данной тематике).

В Объединенном институте высоких температур РАН (ОИВТ РАН) изучение пылевой плазмы и разработка разнообразных методов ее диагностики ведутся на протяжении последних полутора десятилетий. За это время в ОИВТ РАН был выполнен цикл приоритетных экспериментальных работ по изучению плазменно-кристалличе-ских структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока и высокочастотном разряде при низком давлении, в термической плазме (при температурах 2000—3000 К) и криогенной плазме (при температурах 4—77 К). Совместно с Государственным научным центром РФ "Физико-энергетический институт" (г. Обнинск) интенсивно исследуется ядерно-возбуждаемая пылевая плазма и пылевая плазма, генерируемая протонным пучком. В ОИВТ РАН также проводятся эксперименты с пылевой плазмой при воздействии электронного пучка и ультрафиолетового излучения. В 1998 году на борту орбитального комплекса "Мир" совместно с РКК "Энергия" ОИВТ РАН были поставлены пионерские эксперименты по изучению плаз-менно-пылевых структур в условиях микрогравитации, а с начала 2001 года на Международной космической станции активно ведется совместный российско-германский эксперимент "Плаз-

менный кристалл", подготовка которого осуществлялась ОИВТ РАН с участием Института внеземной физики общества М. Планка (Германия) и ракетно-космической корпорации "Энергия".

1. ПРОСТРАНСТВЕННО-УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ

В термической плазме определяющее значение имеет термоэмиссионная зарядка пылевых частиц. Такая плазма образуется из разогретого нейтрального газа (1500—3000 К), концентрация электронов и ионов лежит в диапазоне 108—1014 см-3. Пылевые частицы заряжаются потоками электронов и ионов, как и в разряде низкого давления, и путем термической эмиссии электронов с поверхности частиц. В отличие от отрицательных зарядов в экспериментах с разрядом низкого давления, термоэмиссия может привести к положительному электрическому заряду частиц. Активное исследование термической плазмы связано с целым рядом приложений, таких, как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика рабочего тела магнитогидродина-мических генераторов на твердом топливе [1-3].

Следует отметить, что в первых экспериментальных исследованиях термической плазмы с пылевыми частицами измерялась концентрация электронов в плазме углеводородного пламени. Было показано, что концентрация электронов превышает величину, которая могла быть получена по уравнению Саха. Рост концентрации объяснили термоэмиссией электронов с поверхности горячих частиц углерода, присутствовавших в пламени. Позднее было установлено, что введение частиц окиси бария и окиси кальция в метан-воздушное или метан-кислородное пламя приводит к увеличению проводимости продуктов сгорания. Добавление частиц алюминия в твердое ракетное топливо повышало концентрацию электронов в продуктах сгорания [1-3].

В серии приоритетных работ, проведенных в ОИВТ РАН, исследовалась термическая плазма, в которой температуры электронов, ионов и нейтралов были равны. В потоке плазмы были взвешены частицы двуокиси церия (Се02). Температура плазмы находилась в пределах 1700-2200 К, давление плазмы - атмосферное [6-11]. Особенностью самого материала двуокиси церия является низкая работа выхода термоэлектронов (~2.75 эВ) с его поверхности. В результате пылевые частицы заряжались потоками электронов и ионов из плазмы, а также путем термоэлектронной эмиссии, которая может приводить к положительному заряду частиц. Концентрация электронов составляла 109—1011 см-3. Измерения позволили получить данные о таких параметрах плазмы, как концентрация положительных ионов и электронов, температура, средний диаметр и концентрация

Рис. 1. Видеоизображение частиц пылевого облака в приэлектродном слое высокочастотного разряда для различных экспериментов: (а) - Р = 5 Па, Ж = 9 Вт; (б) - Р = 7 Па, Ж = 10 Вт.

пылевых частиц. Пространственные структуры пылевых частиц анализировались с помощью бинарной корреляционной функции, которая определяет вероятность нахождения частицы на некотором расстоянии от заданной частицы [6-11].

Было обнаружено, что при относительно низкой температуре плазмы (1700 К) и высокой концентрации частиц (5.0 х 107 см-3) корреляционная функция принимает вид, характерный для жидкостной структуры. В этих условиях концентрация ионов (109 см-3) примерно на порядок ниже концентрации электронов (5 х 1010 см-3). Заряд частиц, полученный из условия квазинейтральности, был положительным и составлял около 1000 зарядов электрона. Относительно слабая упорядоченность структуры в эксперименте может быть объяснена конечным временем существования плазмы (около 20 мс), так что процесс формирования структуры не успевает полностью завершиться.

2. СТРУКТУРНЫЕ СВОЙСТВА ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВОЙ ЖИДКОСТИ

Обладая целым рядом уникальных свойств, пылевая плазма является хорошей экспериментальной моделью как для изучения свойств сильно неидеальной плазмы, так и для более глубокого понимания явлений

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком