ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2004, том 42, № 6, с. 821-834
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА: МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ
© 2004 г. В. И. Молотков1, О. Ф. Петров, М. Ю. Пустыльник, В. М. Торчинский, В. Е. Фортов, А. Г. Храпак
Институт теплофизики экстремальных состояний РАН 125412, Москва, Ижорская 13/19 Поступила в редакцию 23.01.2004 г.
Представлены результаты экспериментальных исследований пылевой плазмы в стратах тлеющего разряда постоянного тока. Описаны характерные виды плазменно-пылевых структур, образующихся из пылевых частиц сферической и сильно асимметричной формы. Приведены результаты наблюдения самовозбуждающихся пылеакустических волн, а также волн большой амплитуды, генерируемых при импульсном газодинамическом воздействии. Излагается метод измерения зарядов пылевых частиц, левитирующих в стратах, метод измерения радиального поля сил, действующих на пылевые частицы в плазменной ловушке. Затрагивается вопрос о методах исследования плазменно-пылевых структур в условиях микрогравитации.
ВВЕДЕНИЕ
Ионизованный газ, содержащий пылевые частицы, является предметом изучения в течение многих лет. В последние десятилетия прогресс в этой области был особенно стремительным в связи с различными техническими приложениями (процессы горения, плазменные технологии, физика атмосферы, управляемый термоядерный синтез). Интерес к пылевой плазме, кроме того, связан с тем, что она широко распространена во вселенной (планетные кольца, межзвездные облака, хвосты комет).
Кристаллизация пылевых частиц в плазме была предсказана в 1986 г. В [1] было показано, что пылевые частицы, помещенные в газоразрядную плазму, заряжаясь и взаимодействуя посредством экранированного кулоновского потенциала, при определенных условиях должны образовывать упорядоченные структуры жидкостного и даже кристаллического типа. Это явление было экспериментально обнаружено в 1994 г. [2], и с тех пор исследования в данной области ведутся в десятках лабораторий по всему миру. Левитация пылевых частиц и формирование из них упорядоченных плазменно-пылевых структур обнаружены в плазмах самых различных видов: в пламени горелки [3], в разрядах различных типов и конфигураций [2, 4-7], в ядерно-возбуждаемой плазме [8]. Эти явления исследовались не только в земных условиях, но и в условиях микрогравитации [9-12]. В настоящее время работы в области физики пылевой плазмы ведутся в нескольких направлениях, из которых можно выделить собственно образова-
ние плазменно-пылевых структур и фазовые переходы, волновые явления, включая нелинейные, и проблемы, связанные с диагностикой пылевой плазмы, измерением заряда частиц и длины их экранирования. Наиболее полный обзор последних работ по физике пылевой плазмы дан в монографии [13].
1. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ЗАРЯЖЕННЫЕ ЧАСТИЦЫ
Пылевая частица, попадая в плазму, заряжается. В случае газоразрядной плазмы из-за существенно большей подвижности электронов частицы приобретают отрицательный заряд, определяемый равенством потоков электронов ]е и ионов ];. В случае бесстолкновительной плазмы эти потоки записываются в приближении ограниченных орбит следующим образом:
]е = neV е ехр
] = П1VI ( 1 -
еф кТе
еф кТ.,
(1)
(2)
где пе, п, V,,, V;, Те, Т - соответственно электронные и ионные плотности, тепловые скорости и температуры; ф - потенциал поверхности частицы. Заряд сферической пылевой частицы определяется соотношением
X = фа/е,
(3)
1 Электронный адрес: molotkov@ihed.ras.ru
в котором а - радиус частицы. Пылевая частица диаметром 1-5 мкм в плазме с электронной тем-
Параметры плазмы, отн. ед 1.0 е
E
0.5
0 12 3 4
Продольная координата, см
Рис. 1. Относительное распределение концентрации плазмы п, средней энергии электронов £ и продольного электрического поля Е в стратах положительного столба разряда в неоне.
пературой ~3 эВ приобретает заряд 103-104 электронов.
Если в плазме есть электрическое поле Е, то на пылевую частицу будет действовать электростатическая сила
Fe = EZe.
(4)
Кроме этого, в лабораторных условиях всегда присутствует сила тяжести
Fg = mdg.
(5)
Здесь ша - масса частицы. Кроме этих сил существует так называемая термофоретическая сила, вызываемая наличием в нейтральном газе градиентов температуры, а также сила увлечения ионным потоком. Однако в лабораторных условиях наибольшее значение имеют сила тяжести и электростатическая сила. Равенство этих двух сил является условием левитации пылевой частицы. Заряженные частицы взаимодействуют друг с другом посредством экранированного кулонов-ского потенциала. Фазовое состояние такой системы частиц определяется двумя безразмерными параметрами [14]: параметром неидеальности
Г =
т 2 2
Z e
"AT"'
(6)
где А - среднее расстояние между частицами, а T -кинетическая температура пылевых частиц, и параметром решетки
к = А/к, (7)
где к - длина экранирования. Согласно результатам моделирования такой системы фазовый пе-
реход жидкость-твердое тело можно определить условием Г(1 + к + к2/2)в'к > 106 [15].
Данная работа посвящена исследованию плаз-менно-пылевых образований в стратах тлеющего разряда постоянного тока в неоне. Страты в неоне были подробно исследованы в работах [16, 17]. На рис. 1 представлено относительное распределение электрического поля, концентраций зарядов и средней энергии электронов в стратах тлеющего разряда в неоне. Видно, что имеется участок, где электрическое поле возрастает в направлении катода. В случае, когда разряд ориентирован вертикально и катод является нижним электродом, будет наблюдаться стабильная левитация пылевых частиц в стратах. По абсолютной величине параметры плазмы в стратах могут одновременно достигать следующих величин: электрическое поле -10-15 В/см, средняя энергия электронов 2-6 эВ, плотность плазмы 107-108 см-3. Такие значения параметров соответствуют области неидеальности пылевой компоненты плазмы [1]. Сильная неоднородность плазмы в стратах, наличие резких градиентов продольного поля приводят к появлению в плазменно-пылевых структурах тлеющего разряда некоторых характерных особенностей, таких как конвективные потоки пылевых частиц, пылеакустическая неустойчивость и др. В разделе 2 подробно описана экспериментальная установка для исследования пылевой плазмы тлеющего разряда. В разделе 3 рассмотрены различные виды плазменно-пылевых структур, формирующихся в стратах тлеющего разряда в неоне. В разделе 4 рассмотрены волновые явления в пылевой компоненте, включая самовозбуждающиеся и возбуждаемые газодинамическим воздействием волны. В разделе 5 будут представлены методы диагностики заряда частиц и поля сил, действующих на левитирующую в плазме пылевую частицу.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Установка для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока, представленная на рис. 2, представляет собой вертикально ориентированную разрядную трубку, в которой создается тлеющий разряд с холодными электродами. Верхним электродом является анод, а нижним - катод. Трубка заполняется либо неоном, либо смесью неона с водородом до давления 0.1-2 Тор. Рабочий диапазон разрядных токов 0.1-4 мА. В этих режимах в разряде наблюдаются стоячие страты, в которых реализуются параметры плазмы, близкие к указанным во Введении. Пылевые частицы содержатся в контейнере с сетчатым дном над областью разряда. При встряхивании контейнера частицы падают вниз и левитируют в стратах, образуя упорядоченные структуры. Визуализация пыли осуществляется при помощи подсветки плоским лазерным лучом от диодного
Рис. 2. Схема экспериментальной установки для исследования пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока.
лазера с толщиной перетяжки 150 мкм, шириной 1.5 см и мощностью 50 мВт. Луч может располагаться как вертикально, так и горизонтально, что позволяет получить и вертикальное, и горизонтальное сечения структуры. Кроме того, луч может перемещаться, что дает возможность "сканировать" структуру по разным сечениям. Рассеянный свет регистрируется ПЗС видеокамерой. Для регистрации быстропротекающих процессов (например, волновых) используется скоростная видеокамера с частотой кадров до 1000 кадров в се-
кунду. Видеоизображение затем обрабатывается на ЭВМ.
В тлеющем разряде с холодным катодом наблюдаются колебания разряда, связанные с перемещениями катодного пятна, что вызывает флуктуации упорядоченных плазменно-пылевых структур. Для демпфирования этих колебаний в нижней части разрядной трубки над катодом помещается дополнительная вставка с сужением [18].
3. УПОРЯДОЧЕННЫЕ ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫЕ СТРУКТУРЫ
3.1. Структуры из частиц сферической формы
Формирование структур в стратах тлеющего разряда постоянного тока происходит следующим образом: после встряхивания контейнера частицы падают вниз и сначала пролетают положение равновесия, а затем в течение нескольких секунд поднимаются и выстраиваются в упорядоченную структуру, которая сохраняется сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда.
В экспериментах применялись сферические пылевые частицы из различных материалов: А1203 диаметром 3-5 мкм, полые стеклянные микросферы диаметром 50-63 мкм с толщиной стенки 1-5 мкм, шары из меламинформальдегида (МФ) диаметрами 1.87, 4.82, 10.24, 13.57 мкм. Диапазон масс частиц составлял 10-12-10-8 г. Все эти частицы образовывали в стратах упорядоченные структуры с различной степенью упорядоченности.
На рис. 3 представлено видеоизображение плазменного кристалла. Эта структура получена в разряде смеси неона с водородом, когда страты сильно уплощаются. Постоянная решетки этого кристалла имеет порядок 700 мкм. При увеличе-
(а)
п(г) х 105, мкм-2 5 г
(б)
0 1000 2000 3000
Межчастичное расстояние, мкм
Рис. 3. Горизонтальное сечение плазменного кристалла (а) и соответствующая функция распределения (б). Частицы из меламинформальдегида диаметром 1.87 мкм; разряд в смеси неона с водородом (1:1), давление 0.8 Тор, ток 1.1 мА, среднее межчастичное расстояние ~ 750 мкм.
Рис. 4. Вертикальное сечение жидкостной структуры. Частицы из меламинформальдегида диаметром 1.87 мкм; давление неона 0.3
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.