ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 3, с. 360-363
УДК 533.9
МЕХАНИКО-КИНЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В СЛАБОИОНИЗОВАННОЙ ПЛАЗМЕ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ
© 2004 г. А. Е. Дубинов, С. С. Журавлев, И. Л. Львов, С. А. Садовой,
С. К. Сайков, В. Д. Селемир
Российский федеральный ядерный центр - ВНИИ экспериментальной физики,
г. Саров, Нижегородская обл. Поступила в редакцию 27.03.2003 г.
Обнаружен новый механико-кинетический эффект при взаимодействии ионов слабоионизованной плазмы разряда низкого давления с поверхностью твердого тела. Эффект заключается в том, что на помещенную в плазму пластинку при условии нанесения покрытия действует сила, пропорциональная разности вероятностей упругого отражения ионов от ее поверхностей. Эффект может быть использован для измерения этой разности.
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что стационарная газоразрядная плазма при низком давлении (р < 1 Тор) и малой степени ионизации (/ < 10-5) газа может оказывать на макроскопические твердые тела различные регистрируемые механические воздействия.
Так, например, при исследовании слабоионизованной плазмы газового разряда [1, 2] был обнаружен магнито-механический эффект. В вертикальной газоразрядной трубке на кварцевой нити подвешивалась прямоугольная слюдяная пластинка, которая при помещении в область положительного столба тлеющего разряда с давлением р ~ 1 Тор и при наложении на разряд однородного и постоянного продольного магнитного поля поворачивалась на определенный угол. Для объяснения этого эффекта было выдвинуто предположение о том, что в магнитном поле приводится во вращение нейтральный газ, который закручивает подвес, причем природа вращения газа является магнито-кинетической. Обзор современного состояния исследований магнито-ме-ханического эффекта приведен в [3].
Другие эксперименты, ранее проведенные авторами с целью доказательства существования притяжения между пылинками в плазме и описанные в [4, 5], привели к обнаружению еще одного механического эффекта, который заключается в следующем. В тлеющем разряде низкого давления (р = 0.1 Тор, / < 10-5) на медных нитях подвешивались диэлектрические или металлические пластинки, постепенно сближающиеся почти до полного слипания при медленном увеличении разрядного тока (концентрации плазмы). Исследования этого эффекта показали, что он также имеет кинетическую природу [6]. Таким образом, слабоионизованная газоразрядная плазма низко-
го давления при взаимодействии с твердыми телами способна приводить к макроскопическим механическим эффектам.
В данной работе экспериментально был зарегистрирован новый механико-кинетический эффект в слабоионизованной плазме газового разряда низкого давления. Идея этих экспериментов возникла в связи с методической заметкой [7], в которой теоретически рассмотрено поведение в модельном газе крутильного маятника со специальным подвесом.
Следуя [7], представим себе листовой материал, одна сторона которого отражает частицы газа абсолютно упруго, а другая - абсолютно неупруго, т. е. частицы прилипают. Вырезав из него две одинаковые по площади пластинки и насадив их на стержень, предварительно развернув на 180° их плоскости относительно друг друга, получим подвес, который можно прикрепить к нити крутильного маятника (рис. 1а). Так как при неупругом столкновении частица газа передает пластинке один свой импульс, а при упругом - два импульса, то на подвесе маятника возникает крутящий момент, который приводит к вращению маятника.
Целью данной работы являлось обнаружение такого эффекта на ионах плазмы, так как импульс, передаваемый поверхности тела ионами, как правило, на два-три порядка больше электронного импульса.
Был изготовлен подвес с некоторым упрощением конструкции. В качестве исходного листового материала подвеса была выбрана бумага для ксерокса с поверхностной плотностью 80 г/м2, на которую наносились различные тонкие покрытия из проводящего (графит, взятый из карандаша "Friendship" 6810 НВ) либо диэлектрического (сажа - продукты горения полиамида - оргстекла,
(a)
(б)
Рис. 1. Конструкция подвеса в виде пластинок с нанесенными покрытиями: (а) - из работы [7], (б) - в данной работе.
белый мел или стандартный черный тонер для лазерного принтера "Canon LBP-800") материала, как показано на рис. 16. Предполагалось, что чистая поверхность бумаги имеет одно значение вероятности упругого отражения ионов плазмы, а покрытие - некоторое другое. Если эти вероятности существенно отличаются, то возможна регистрация макроскопического механического эффекта, приводящего к появлению крутящего момента.
Поскольку предварительные оценки показали, что механический эффект может оказаться небольшим, то выбор именно крутильного маятника для регистрации эффекта представлялся оправданным, так как такой маятник является самой чувствительной механической системой для регистрации малых сил [8].
Нить маятника, выполненная из капроновой лески диаметром 100 мкм и длиной 55 мм, крепилась к пластинке в середине ее основания. Крепление нити к камере и подвеса к нити осуществлялось шарнирным способом, как показано на выносных картинках рис. 2. Шарнирные головки изготавливались следующим образом: конец нити завязывался в узелок, который оплавлялся в открытом пламени горелки. Контроль возможной закрутки нити осуществлялся по особым меткам, нанесенным красителем на обе шарнирные головки. Эксперименты показали, что выбранный способ подвеса обеспечивал практически полное отсутствие закрутки нити и не вызывал появления возвратной силы при повороте пластинки.
Повернуто
Рис. 2. Схема эксперимента: 1 - подвес крутильного маятника, 2 - индуктор, 3 - камера, 4 - ВЧ-генератор; на выносных элементах схемы показаны шарнирные крепления маятника.
Эксперименты проводились внутри диэлектрической герметичной камеры (рис. 2), имеющей стеклянные окна для наблюдения. В камере устанавливался индуктор, выполненный в виде цилиндрической винтовой спирали из медного провода диаметром 2 мм; индуктор диаметром 35 мм имел 10 витков с расстоянием между ними 10 мм. При откачке воздуха из камеры до давления 0.01-1 Тор и при подаче на индуктор питания от ВЧ-генерато-ра медицинского назначения типа ИКВ-4 (частота 13.56 МГц, мощность до 200 Вт, имеется возможность регулировки выходной мощности) внутри индуктора зажигался стационарный ВЧИ-разряд, имеющий форму цилиндра.
Концентрация плазмы в разряде измерялась с помощью двойного зонда, представляющего собой пару медных цилиндров диаметром 1.3 мм, длиной 15 мм и расстоянием между осями 2.9 мм. Погрешность зондовых измерений составляла ±20%.
Подвес маятника помещался в центр индуктора. Угол поворота подвеса маятника в плазме определялся при помощи тригонометрического круга, закрепленного на нижней стенке камеры.
Было установлено, что подвес маятника поворачивается вокруг своей оси на определенный угол, зависящий от давления газа, концентрации
362
ДУБИНОВ и др.
ф, град
90 -
80 - - 1
70 - ш 2
60 - о 3
50 - < 4
40 -
30 -
20 -
10 -
0 - <1--
10 |
0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
п х 10-7, см-3
Рис. 3. Зависимость угла поворота маятника от концентрации плазмы для различных типов покрытия пластинки: 1 - графит, 2 - тонер, 3 - сажа, 4 - белый мел.
плазмы, общей площади пластины подвеса и типа покрытия. Отмечено, что поворот всегда присхо-дил в сторону, противоположную поверхности с нанесенным покрытием. Был поставлен также контрольный эксперимент с пластинкой без покрытия, в котором поворот пластины не наблюдался.
На рис. 3 в качестве примера приведены результаты измерений угла поворота маятника в зависимости от концентрации плазмы при давлении остаточного газа 0.05 Тор, когда в качестве подвеса маятника использовалась пластинка в форме прямоугольника с основанием 20 мм и высотой 10 мм. Каждая точка на рис. 3 получена усреднением угла поворота по пяти измерениям, средний разброс угла поворота для каждой точки не превышал ±5°. Из приведенных результатов следует, что, во-первых, наиболее значительно этот эффект проявлялся для мелового покрытия (материал на основе кальция) и, во-вторых, существенного отличия в величине эффекта для диэлектрических и проводящих покрытий (сажа, тонер и графит - все материалы на основе углерода) не наблюдалось.
Обратим внимание на следующий аспект обнаруженного эффекта: не было зафиксировано стационарного вращения подвеса. В заметке [7] это объясняется невозможностью существования вечных двигателей II рода.
Однако применительно к данным экспериментам можно найти и более конкретное физическое объяснение. Как известно, уединенное тело, помещенное в слабоионизованную плазму газового разряда низкого давления, приобретает существенный электрический заряд отрицательного знака [9], что является следствием высокой подвижности
электронов. Сразу же после зажигания разряда, когда пластина еще электрически нейтральна, крутящий момент возникает так, как описано выше. Однако по мере накопления отрицательного заряда ионы, подлетающие к пластине, ускоряются и разность вероятностей упругого отражения таких высокоэнергетичных ионов различными покрытиями резко уменьшается. В результате крутящий момент исчезает, а вращение пластины прекращается за счет неустранимого трения в шарнирных подвесах маятника. Период зарядки пластины, оцененный по упрощенной методике работы [9], составляет 0.01-0.1 с, в то время как полное вращение подвеса происходит в течение нескольких секунд.
Это объяснение подтверждают следующие наблюдения. После выключения разряда и последующего его включения повторный поворот маятника не наблюдался. Однако после снятия электрического заряда с пластинки, например, путем вдува влажного воздуха в камеру до атмосферного давления, выдержки маятника в таких условиях не менее 20 минут и последующей откачки происходит повторный поворот маятника и результаты измерений достаточно удовлетворительно повторяются.
В процессе исследования обнаруженного эффекта выдвигалась еще одна рабочая гипотеза для альтернативного объяснения: за поворот подвеса могла быть также ответственна реактивная сила, возникающая в результате десорбции газа, которая в свою очеред
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.