2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ . 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. НАБЛЮДЕНИЯ ФАЗОВЫХ СОСТОЯНИЙ И ПЕРЕХОДОВ В ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУРАХ, КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ. 8
1.1. Методы описания фазового состояния плазменно-пылевых структур. 8
1.1.1 .Определение трансляционного порядка. 8
1Л .2. Определение ориентационного порядка. 12
1.1.3. Описание фазового перехода. 12
1.2. Наблюдения различных фазовых состояний в эксперименте. Количественная оценка состояний. 16
1.3. Эксперименты, в которых наблюдалось изменение фазового состояния пылевых структур. 27
1.4. Постановка задачи 30
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ФАЗОВЫМ СОСТОЯНИЕМ ПЫЛЕВОЙ СТРУКТУРЫ В СТРАТИФИЦИРОВАННОМ РАЗРЯДЕ. 32
2.1. Техника эксперимента 32'
2.1.1. Схема экспериментальной установки 32
2.1.2. Метод наблюдения • 34
2.1.3. Условия разряда и параметры частиц 3 5
2.2. Создание структуры высокой упорядоченности 35
2.4. Изменение порядка в расположении частиц посредством формирования границ структуры термофоретическим воздействием. 43
ГЛАВА 3. ПЕРЕХОД ТИПА ПЛАВЛЕНИЯ, ИНИЦИИРОВАННЫЙ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ. ' 47
3.1. Описание механического состояния исследуемой пылевой структуры. 50
3.2. Описание эксперимента по наблюдению-фазового состояния пылевой структуры при изменении магнитного поля 50
з
3.3. Количественное описание изменения фазового состояния пылевой структуры с ростом магнитного поля 57
3.3.1. Характеристика последовательных состояний структуры при изменении магнитного поля с позиции теории двумерного плавления КТНЫУ. 57
3.3.2. Характеристика последовательных состояний структуры при изменении магнитного поля с позиции феноменологического подхода. 60 ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР ФОРМИРУЕМЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ. 63
4.1. Литера турный обзор. Наблюдения фазовых состояний в трехмерных пылевых структурах, количественные методы описания. 63
4.2. Эксперимент по оптическому сканированию пылевой структуры в . страте. 70
4.3. Количественное описание фазового состояния трехмерной структуры но • результатам сканирования. 74
4.4. Выводы. 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
ЛИТЕРАТУРА : 87
4
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Пылевая (комплексная) плазма представляет собой многокомпонентную плазму, в которой пылевая компонента (макрочастицы размером 0.01 - 100 мкм) находится в состоянии сильной связи или сильных корреляций [1-10]. Попадая в газоразрядную плазму, пылинки приобретают значительный отрицательный заряд (до 106 элементарных), что позволяет им удерживаться и левитировать в разрядной камере в области сильного электрического поля.
Поскольку используемые частицы имеют размеры порядка мкм и более, они эффективно рассеивают свет. Среднее расстояние между пылинками в разряде обычно составляет доли миллиметра, что позволяет в экспериментах регистрировать пылевые структуры в оптическом диапазоне методом прямой визуализации.
Одним из методов изучения пылевой плазмы является наложение разного рода внешних воздействий: тепловых градиентов, оптических и радиоактивных излучений, ударных волн, постоянных и переменных электрических и магнитных полей, а также нескольких воздействий разной природы одновременно.
Среди приложений пылевой плазмы сегодня известны экология, энергетика, технологические процессы. Но основным приложением пока являются фундаментальные исследования: процессы самоорганизации,
фазовые переходы, взаимодействие плазмы с веществом, нелинейные явления и др.
В пылевой компоненте формируются структуры жидкостного или кристаллического типов, если параметр связи Г = ЩкТ) (и - потенциальная энергия взаимодействия пылевых частиц, Т - их температура) достигает величины 1 и более. В 1986 г. Икези [11] было высказано предположение о возможной кристаллизации пылевой компоненты в неравновесной
5
газоразрядной плазме. В 1994 г. плазменно-пылевой кристалл экспериментально наблюдался в плазме высокочастотного разряда, вблизи нижнего электрода на границе прикатодной области.
Упорядоченные состояния структур, сформированных в газовом разряде, обладают целым рядом уникальных свойств. К ним следует отнести простоту получения и наблюдения объекта и управления его параметрами, а также малые времена установления равновесия и отклика на внешние возмущения; возможность проводить измерения на кинетическом уровне: напрямую определять функцию распределения пылевых частиц, детально исследовать фазовыешереходы и процессы самоорганизации в структуре.
Все перечисленное составляет актуальность исследований пылевых структур в тазовом разряде. Кроме того, эта область исследований представляет междисциплинарный интерес, относясь к физике твердого тела,, физике плазмы, оптике, термодинамике и астрофизике что существенно усиливает её актуальность.
Цель работы. Получение в эксперименте упорядоченных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде. Количественный анализ их* . упорядоченности. Применение внешних воздействий для изменения ^.фазового состояния структуры. Исследование ^ упорядоченности и типов упаковки пылевой структуры в страте методом оптического сканирования.
Научная новизна
Впервые наблюдался и количественно зарегистрирован фазовый переход типа плавления пылевой структуры в тлеющем разряде при изменении магнитного ноля. Установлено, что магнитное поле является управляющим параметром для изменения состояния пылевой структуры.
Создана объемная стабильная структура в страте тлеющего разряда содержащая более 6000 частиц. На основе изображений двумерных сечений структуры описано фазовое состояние с помощью корреляционных функций.
6
Установлено существование высокоупорядоченных областей с гексагональной упаковкой.
Впервые произведено преобразование типа упаковки в пылевой структуре посредством изменения формы её границ с помощью внешнего термофоретического воздействия.
Впервые исследовано объемное расположение частиц в трехмерной пылевой структуре, сформированной в стратах тлеющего разряда, с помощью оптического сканирования. Установлены существующие в ней типы упаковки.
Практическая ценность работы:
В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, о состоянии плазменно-пылевых структур в магнитном поле. Выявлена роль магнитного поля, как параметра влияющего на упорядоченность плазменно-пылевой структуры.
Исследование объемных структур при различных воздействиях важно для понимания процессов формирования упорядоченных структур и изменения их степени порядка. В частности, для экспериментального, моделирования кристаллов и изучения фазовых переходов.
• В работе подобраны условия газового разряда постоянного тока} в которых созданы объемные высокоупорядоченные структуры. Такие структуры могут послужить объектом исследований фазовых состояний и фазовых переходов на кинетическом уровне как модель вещества в кристаллическом состоянии.
Предложен и применен метод активного контроля упаковкой частиц с помощью выстраивания границ структуры в регулируемом температурном поле. Этот метод может быть использован для изучения возможных устойчивых упаковок в твердой фазе вещества и их свойств.
Предложен способ уплотнения и перераспределения расположения частиц посредством многократной вариации разрядного тока.
7
Усовершенствован метод определения объемного расположения частиц в плазменно-пылевой структуре с большим числом частиц.
Полученные новые результаты используются в учебном процессе.
Положения, выносимые на защиту
1. Наблюдение фазового перехода типа плавления, инициированного магнитным полем, в пылевых структурах, сформированных в стратах тлеющего разряда.
2. Создание объемной стабильной структуры в стратифицированном разряде. Описание её фазового состояния с помощью автокорреляционных функций, рассчитанных для частиц, находящихся в одном двумерном сечении структуры.
3. Управление расположением частиц в структуре с помощью формирования сё границ контролируемым термофоретическим воздействием.
4. Распознавание типа объемной упаковки высокоупорядоченной структуры с помощью оптического сканирования положений её частиц.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах [30-32, 36-38, 52-54, 56, 59, 61, 68, 76, 77].
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
- Київ+380960830922