ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 4
Глава I. Краткий обзор литературы по пылевой плазме 9
1.1. Общепринятые представления о пылевой плазме 9
1.1.1. Общие сведения о пылевых частицах 9
1.1.2. Силы, действующие на уединенные пылевые частицы 12 1.3. Наблюдения плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего
разряда 15
1.2. Работы по исследованию пылевой плазмы в магнитном поле 18
1.2.1. Исследования в установке с разделенными электродами 18
1.2.2. Исследование в ВЧ разряде в расходящемся магнитном поле 20 Глава II. Наблюдения плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда в магнитном поле 24
2.1. Экспериментальная установка и условия эксперимента 24
2.1.1. Установка. 24
2.1.2. Метод наблюдения. 27
2.1.3. Условия разряда и параметры частиц. 28
2.2. Описание пылевых структур в стратах 28
2.2.1. Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в страте 28
2.2.2. Вид плазменно-пылевой структуры, образующейся в
страте в магнитном поле. 47
2.2.3. Структура из частиц кварца и ниобата лития 48
2.2.4. Описание структуры с помощью парной функции распределения п(г) 48
2.3. Наблюдение вращения плазменно-пылевой структуры 49
2.3.1. Разупорядоченные структуры из частиц кварца. 54
2.3.2. Относительно упорядоченные структуры из частиц ниобата
лития 54
2.4. Измерение угловой скорости вращения. 55
2.4.1. Расчет угловой скорости. 55
2.4.2. Зависимость угловой скорости от магнитного поля. 57
2.4.3. Наблюдение вращения плазменно-пылевой структуры.
Вертикальное сечение 64
2.5. Изменение упорядоченности плазменно-пылевой структуры
в магнитном поле 65
Глава III. Интерпретация результатов 67
3.1. Обсуждение возможных причин вращательного движения плазменно-пылевых структур в магнитном поле 67
3.1.1. Непосредственное действие магнитного поля на заряженные пылевые частицы 67
3.1.2. О неоднородности наложенного магнитного поля 67
3.1.3. О колебательных движениях пылевых частиц в магнитном поле 68
3.1.4. О возможном увлечении плазменно-пылевой структуры вращением нейтрального газа разряда 69
3.1.5. О движении пылевых частиц под действием увлечения
потоками частиц плазмы 73
3.2. Оценка силы ионного увлечения. 73
3.3. Наблюдение возникновения вращения плазменно-пылевых структур 78
3.3.1. Смещение пылевой структуры с оси разрядной трубки в
слабых магнитных полях. Термофорез. 78
3.3.2. Смещение плазменно-пылевых структур с оси трубки в
сильном магнитном поле. Наклон разрядной трубки. 82
3.4. Наблюдение траекторий падающих в разряде частиц. 88
3.4.1. Радиальные отклонения траекторий пробных частиц 91
3.4.1.1. Радиальные отклонения траекторий пробных частиц в
слабом магнитном поле и без поля (вертикальное сечение) 91
3.4.1.2. Радиальные отклонения траекторий пробных частиц в
сильном магнитном поле (вертикальное сечение) 93
3.4.2. Азимутальные отклонения траекторий пробных пылевых
частиц в магнитном поле (горизонтальное сечение) 98
3.4.2.1. Слабые магнитные поля (соответствующие вращению структуры
с отрицательной угловой скоростью) 98
3.4.2.2. Сильные магнитные поля (соответствующие вращению структуры
с положительной угловой скоростью) 100
Заключение 102
Литература 104
*
ВВЕДЕНИЕ
4
Актуальность темы. Пылевая плазма -представляет собой
ф
квазинейтрайльный ионизированный газ с твердыми частицами, которые в плазму вводятся извне, или в ней образуются и растут. Иногда о такой плазме говорят как о плазме с конденсированной дисперсной фазой, коллоидной или комплексной. В лабораторной пылевой плазме размер пылевых частиц а может быть от 0,01 до 100 мкм.
В лабораторных условиях пылевая плазма была впервые обнаружена Ленгмюром еще в 1924 году. Сейчас установлено, что пылевая компонента чаще присутствует, чем отсутствует в разрядах различного типа. Ее удержание в разряде происходит за счет появления отрицательного заряда я у пылевых частиц, который может достигать в низкотемпературной плазме более 1000 элементарных. Тогда макрочастица в области достаточно сильного электрического поля Е удерживается в плазме: п^ = Eq, здесь ш -масса макрочастицы. У стенок газоразрядной камеры существует потенциальный барьер. Т.о., газовый разряд создает “естественную“ потенциальную ловушку для пылевых частиц, и в плазме создаются плазменно-пылевые образования. При подсветке, например, лазерным лучом, пылинки можно наблюдать практически невооруженным глазом.
Активное исследование пылевой плазмы началось в последнее десятилетие, в связи с рядом технических приложений. Особым стимулом исследований стало обнаружение плазменно-пылевых структур кристаллического типа в лабораторной плазме СВЧ разряда в 1994 г. Необходимость изучения свойств пылевой плазмы связано с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также при производстве тонких пленок и наночастиц. Наличие частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности полупроводникового элемента и, тем самым, к увеличению выхода брака, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Уменьшение и
предотвращение этих негативных эффектов невозможно без понимания процессов образования и роста конденсированных частиц в плазме, механизма их ререноса и влияния на свойства разряда.
Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они обнаружены в планетарных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках, вблизи искусственных спутников Земли. Сегодня роль коллективных эффектов, вносимых пылью, учитывается при астрофизических исследованиях. Например, показано, что в кольцах Сатурна для частиц менее 1 мкм доминирующей силой взаимодействия является электростатическое отталкивание. Оно определяет толщину планетарных колец.
Пылевая компонента существует в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием. Она образуется при ядерных взрывах.
Интерес к данному объекту с фундаментальной точки зрения вызван также следующим. Плазма как смесь газов обычно характеризуется слабым или умеренным взаимодействием между компонентами (по сравнению с их тепловой энергией), что отделяет это состояние вещества от твердого и жидкого состояний, характеризуемых сильным взаимодействием. Критерием сильной связи может служить параметр неидеапьности Г (постоянная связи), определяемый как отношение энергии кулоновского взаимодействия между соседними частицами к тепловой энергии частиц.
В часто используемых простых моделях эффектами экранирования пренебрегают, и тогда при Г ~ 1 в системе появляется ближний порядок, а при Г > 170 - дальний. Происходит кристаллизация. Одна из возможностей повышения Г в эксперименте - увеличение заряда частиц р. В 1986 г. Икези было высказано предположение о возможной кристаллизации пылевой компоненты в неравновесной газоразрядной плазме. В 1994 г. плазменнопылевой кристалл экспериментально наблюдался в плазме высокочастотного разряда, вблизи нижнего электрода на границе прикатодной области.
Плазменный кристалл может иметь различную кристаллическую структуру с постоянной решетки порядка долей миллиметра. Это позволяет наблюдать его невооруженным глазом. Плазменные кристаллы обладают
н
целым рядом уникальных свойств, делающих их незаменимым инструментом, как при исследовании свойств неидеальной плазмы, так и при исследовании фундаментальных свойств кристалла. К ним следует отнести простоту получения, наблюдения и контроля за 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 фазовые переходы. Все перечисленное отражает актуальность темы.
Цель работы. Основной целью является получение новых экспериментальных сведений о плазменно-пылевых структурах, образующихся в тлеющем разряде постоянного тока при наложении внешнего продольного магнитного поля. Исследование механического состояния и поведения плазменно-пылевых структур при различных внешних воздействиях, в том числе нескольких одновременно.
Положения, выносимые на защиту:
1. Исследование плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда в магнитном поле. Вращательное движение плазменно-пылевых структур, сложным образом зависящее от внешних условий.
2. Изменение степени порядка структуры без магнитного поля и в магнитном поле.
3. Результаты опыта по воздействию гравитационной силой на плазменнопылевую структуру при наложении магнитного поля путем наклона разрядной трубки со структурой в стратах вокруг горизонтальной оси в поле силы тяжести.
4. Метод определения поля сил, действующих на пылевые частицы, по наблюдению за траекториями падающих в стратифицированном разряде отдельных пробных частиц.
Научная новизна:
1. Впервые проведены исследования плазменно-пылевых структур в стратах тлеющего разряда в магнитном поле. Обнаружено вращательное движение плазменно-пылевых структур, сложным образом зависящее от внешних условий. Детальное исследование скорости вращения при искусственной слабой разупорядоченности плазменно-пылевой структуры показало существование радиального и осевого градиентов вращения, а также перемену направления вращения при увеличении магнитного поля до 200 Г с. Наблюдение за возникновением и прекращением вращения говорит о двух конкурирующих механизмах его появления.
2. Проведен опыт по воздействию гравитационной силой на плазменнопылевую структуру при наложении магнитного поля путем наклона разрядной трубки со структурой вокруг горизонтальной оси в поле силы тяжести. Обнаружено удержание плазменно-пылевых структур радиальным полем разряда, перестройка структуры, а в магнитном поле - прекращение вращения.
3. Впервые обнаружено изменение упорядоченности структуры, вызываемое магнитным полем. Выяснено, что в отсутствие магнитного поля упорядоченность структуры в горизонтальных сечениях уменьшается по потоку ионов.
4. Предложен метод определения поля сил, действующих на пылевые частицы, по наблюдению за траекториями падающих в стратифицированном разряде отдельных пробных пылевых частиц.
Практическая ценность работы:
В результате проведенных исследований получены новые сведения о пылевой плазме, в частности, о поведении и состоянии плазменно-пылевых структур в магнитном поле. Изучены особенности формирования плазменнопылевых структур в стратифицированном разряде в магнитном поле -установлено, что плазменно-пылевая структура в магнитном поле выше некоторого значения не формируется.
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.
Результаты опытов по воздействию силами различной природы на плазменно-пылевые структуры (в том числе несколькими одновременно) могут быть использованы при контроле и управлении частицами в технологических процессах. Например, результаты опыта с наклоном разрядной трубки в поле силы тяжести могут быть использованы для вывода загрязняющих плазменный объем пылевых частиц.
Предложен и применен метод определения сил, действующих на пылевые частицы в стратифицированном разряде. Проведенные качественные эксперименты показывают возможность определения таким образом распределения электрического поля в разряде, в частности, в стоячих стратах.
Полученные новые результаты используются в учебном процессе.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах [36, 42, 43, 52 - 60, 65].
/
ГЛАВА I.
КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ
Целью литературного обзора не являлось охватить все основные работы по пылевой плазме, существующие к настоящему моменту; обширные обзоры содержатся, например, в [ 1 - 6]. В нем изложены только некоторые моменты, касающиеся теории изолированной частицы в плазме, экспериментальные работы, посвященные плазменно-пылевым структурам в тлеющем разряде, а также работы по плазменно-пылевым структурам в магнитном поле.
1.1. Общепринятые представления о пылевой плазме
1.1.1. Общие сведения о пылевых частицах
При описании параметров отдельных пылевых частиц частицы обычно рассматриваются как "изолированные, т.е. предполагается, что их присутствие не влияет на свойства плазмы на расстоянии порядка нескольких дебаевских радиусов.
Т.к. пылинка это тело, имеющее достаточно большую поверхность, то, попадая в плазму, она приобретает значительный заряд по сравнению с плазменными частицами. Плавающий потенциал, а, следовательно, и заряд пылевой частицы определяется балансом электронного и ионного потоков на пылевую частицу. В неизотермической плазме диффузионный поток электронов на нейтральное тело много больше ионного (т.к. ТС»Т{). В результате пылинка начинает заряжаться отрицательно, отталкивая электроны и притягивая положительные ионы. Этот процесс продолжается до тех пор, пока потоки электронов и ионов не станут равными, и не установится квазистационарное состояние. Характерное время, за которое происходит зарядка пылевых частиц в лабораторной плазме, порядка нескольких микросекунд [5]. Для обеспечения этого режима потенциал
- Київ+380960830922