ЛАЗЕРНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ДОЛГОЖИВУЩИХ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ В ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВОЙ ЛОВУШКЕ
Н. Н. Антонов. А. В. ГавриковА. С. Иванов", О. Ф. Петрова Ь, Р. А. Тимирханова>ь**, В. Е. Фортова Ь
а Объединенный институт высоких телтератур Российской академии наук 125412, Москва, Россия
ьМосковский физико-технический институт (государственный университет) 141700, Долгопрудный, Московская обл., Россия.
Поступила в редакцию 20 июня 2011 1".
При помощи воздействия лазерного импульса в монослойной плазменно-пылевой структуре выполнено возбуждение вертикальных осцилляций отдельной частицы. Осцилляции происходили в автоколебательном режиме с характерной частотой колебаний V = 25 Гц. Показано, что эффекты, связанные с перезарядкой частицы и запаздыванием ее заряда по отношению к равновесному, в рамках известных значений параметров неоднородности плазменно-пылевых ловушек, не могут обеспечить поддержание автоколебательного режима осцилляций. Высказано предположение, что поддержание наблюдаемых в эксперименте автоколебаний отдельной пылевой частицы происходит за счет резонансной перекачки кинетической энергии хаотического движения пылевых частиц плазменно-пылевой структуры в энергию вертикальных колебаний.
1. ВВЕДЕНИЕ
Лабораторная пылевая плазма позволяет получать сильно неидеальные системы. Физические свойства таких систем представляют значительный интерес для различных областей науки и техники (гидродинамика, физика плазмы, медицина, физика и химия полимеров и т.д.) [1 14]. Следует отметить, что исследования пылевой плазмы представляют значительный интерес также и с прикладной точки зрения (создание дисперсных композиционных материалов, сепарация субмикронных частиц по размерам, создание двигателей (наиболее близкий прототип коллоидный двигатель) нового поколения для космических нужд и др.) [15,16].
Одной из ключевых задач при изучении пылевой плазмы является исследование различных типов воздействий (электрического [17 19], газодинамического [20,21], оптического [22 24], пучков частиц [25,26]) и возникающих при этом возмущений в плазменно-пылевом образовании. Ранее нами бы-
E-mail: gavrikovfflihod.ras.ru
E-mail: timirkhanovfflihwi.ras.ru
ло проведено изучение воздействия лазерного излучения на характер объемного течения плазмеп-по-пылевой среды и, в частности, исследованы ее вязко-пластические свойства [23, 24]. В данной работе продолжено изучение динамики пылевых частиц при воздействии лазерного излучения на отдельную частицу плазменно-пылевой структуры и возникающих при этом вертикальных колебаний.
Колебания пылевых частиц в плоскости плазмеп-по-пылевой структуры, обусловленные стохастическим нагревом пылевой плазмы, были ранее изучены в ряде работ [27 31]. В этих работах были получены характерные частоты и амплитуды собственных колебаний в условиях отсутствия внешних воздействий. В данной работе проведено экспериментальное исследование долгоживущего колебательного состояния, в котором частица колеблется с большой амплитудой в направлении, перпендикулярном плоскости плазменно-пылевой структуры, в течение долгого времени сохраняя неизменную амплитуду несмотря на значительное трение в рассматриваемой среде.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на установке, схема которой представлена на рис. 1. В вакуумной камере в воздушной атмосфере при давлении 0.1 Topp между двумя плоскими электродами создавался высокочастотный разряд (на частоте 13.56 МГц, мощность 5 Вт). Через отверстие в верхнем электроде из специального контейнера в разряд вводились графитовые макрочастицы радиусом R = 28-30 мкм. Эти пылинки, попадая в плазму разряда и заряжаясь отрицательно, зависали в приэлектродном слое. На нижнем электроде в горизонтальной плоскости создавалась потенциальная ловушка, в которой формировалась монослойная плазменно-пылевая структура диаметром около 4 см. Воздействие на отдельную пылевую частицу осуществлялось единичным импульсом длительностью около 1 с сфокусированного излучения аргонового лазера мощностью 1 Вт (длина волны 514 нм). Луч лазера был направлен перпендикулярно плоскости плазменно-пылевой структуры.
Регистрация движения пылевых частиц осуществлялась цифровой видеокамерой, поле зрения которой располагалось в вертикальной плоскости (перпендикулярно плоскости плазменно-пылевой структуры) , при этом подсветка проводилась излучением твердотельного лазера с длиной волны 671 нм. Видеосъемка проводилась со скоростью 50 кадров в секунду.
Воздействие импульса лазера на отдельную пылевую частицу вызывало ее отклонение от равновесного положения и инициировало незатухающие колебания в вертикальном направлении. Следует обратить внимание, что лазерное излучение вызывало только начальное отклонение, в дальнейшем же дви-
жение макрочастицы осуществлялось свободно без какого-либо воздействия со стороны луча лазера.
3. ОБРАБОТКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТА
В процессе обработки видеоизображений (см. рис. 2а — типичный кадр), полученных в различных экспериментальных сериях, было установлено, что амплитуда вертикальных колебаний макрочастиц Ь невозмущенной плазменно-пылевой структуры меньше 0.1 мм, в то время как амплитуда инициированных лазерным воздействием вертикальных колебаний отдельной макрочастицы Ь\ приблизительно равна 0.8 мм, т.е. существенно превышает Ь (см. рис. 26). Для различных моментов времени были восстановлены координаты макрочастицы, на которую осуществлялось лазерное воздействие. На базе этих данных были построены временные зависимости отклонения макрочастицы от положения равновесия (см. рис. 3). Анализ зависимостей показал, что характерная частота колебаний составляет у га 25 Гц. При этом амплитуда колебаний остается неизменной в течение длительного времени £ > 20 с (рис. За), а затем в некоторый момент времени начинает резко уменьшаться, причем характерное время затухания колебаний составляет ¿1 га 0.5 с (рис. 36). Таким образом, было установлено, что пылевая частица совершает автоколебания, инициированные лазерным импульсом.
В автоколебательном режиме компенсация дис-сипированной в процессе движения частицы энергии должна осуществляться за счет поступления энергии из внешнего источника, при этом поле сил, действующее на макрочастицу, оказывается непотенциальным [32]. В работах, посвященных изучению самовозбуждающихся колебаний в низкотемпературной плазме, было отмечено, что причиной подобной непотенциальности может служить запаздывание реального заряда макрочастицы по отношению к равновесному заряду, т. е. заряду, приобретаемому пылинкой при выравнивании потоков электронов и ионов на ее поверхность при бесконечно медленном движении частицы [27]. Равновесный заряд макрочастицы самосогласованно связан с параметрами окружающей ее плазмы и, если плазма неоднородна, то величина заряда становится функцией координат. В горизонтальной плоской плазменно-пылевой ловушке ВЧ-разряда имеет место верти-ая неоднородность плазмы. Характерный про-неоднородности в рассматриваемом случае ис-
Рис. 1. Схема установки кальн,
филь
Вакуумная камера
Подсветка твердотельного лазера
Верхний электрод
В Ч-генератор
Кольцо-ловушка
Нижний
Цифровая
камера
Фильтр
Зеркало
Импульс Аг-лазера
0.8 0.4 О
-0.4
а
Рис. 2. а) Невозмущенная плазменно-пылевая структура, б) Трек пылевой частицы после воздействия Аг-лазера
следован в работе [33]. Соответствующая этим профилям зависимость плавающего потенциала Ир макрочастицы была изучена в работе [34]. Макрочастицы левитируют в области роста Г/р, обусловленного увеличением энергии электронов на фоне слабого уменьшения концентрации электронов. Соответствующий этому изменению плавающего потенциала градиент заряда частицы по порядку величины равен Ю-13 Кл/'м. При движении макрочастицы через неоднородную плазму изменяется величина ее заряда. Однако выравнивание потоков заряженных частиц па поверхность пылинки происходит не мгновенно, а с некоторой временной задержкой, поэто-
0.8 0.4 0
-0.4 -0.8
25.5 25.7 25.9 26.1
с
Рис.3. а) Амплитуда колебаний в зависимости от времени, г = 0 соответствует положению плазменно-пылевой структуры. Время жизни колебания 23 с. б) Затухание колебаний. Время жизни колебания 26.1 с
му реальный заряд макрочастицы будет отличаться от равновесного и тем сильнее, чем выше скорость макрочастицы и чем больше неоднородность плазмы. Этот механизм может приводить к тому, что положительная работа электрического поля при движении макрочастицы становится по модулю больше отрицательной, т. е. в системе реализуются условия для увеличения энергии колебательного движения макрочастицы. Для проверки гипотезы о возможности поддержания автоколебательного движения за счет указанного канала подкачки энергии рассмотрим следующую модель.
Электрическое поле Е вблизи равновесного положения левитации макрочастиц рассмотрим в линейном приближении:
где г направленная вертикально вниз ось, вдоль которой макрочастица совершает колебательные
♦ ♦
♦ ♦ ♦
♦ ♦
♦ ♦
движения, нулевое значение г соответствует равновесному положению пылевых частиц, Ед напряженность электрического поля в положении равновесия, а ((1Е/(1г)о градиент электрического поля вблизи положения равновесия.
Сила, действующая на заряд со стороны электрического поля с учетом эффекта запаздывания зарядки, равна
где г скорость пылевой частицы, т(г) запаздывания заряда на пылевой частице. Заряд частицы представим в виде
0(с) = виР.
(2) время
(3)
Поскольку макрочастицы левитируют в области монотонного роста Ир на протяжении всей траектории колебаний, воспользуемся линейным приближением для <3(г):
(1г
(4)
где <Зо равновесный заряд макрочастицы в положении равновесия, (сК)/(1г)о производная равновесного заряда по координате в точке г = 0, т среднее время запаздывания заряда на макрочастице за период колебания.
Тогда уравнение движения пылевой макрочастицы можно представить в виде
п>: = —Зг
Яо
(1г
х Е,
<1Я
(1г
ОЕ (1г
пи/. (5)
где тп масса пылевой частицы, д ускорение свободного падения, 3 коэффициент трения макрочастицы о буферный газ.
В данной модели не учитывается влияние силы ионного увлеч
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.