Магнитные и механические эффекты в пылевых образованиях и в газовом разряде

ВВЕДЕНИЕ............................................................7
ГЛАВА 1. ОБЗОР НЕКОТОРЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЫ.....................................................20
1.1 Некоторые направления исследований, связанные с настоящей
работой............................................................20
1.2 Применение внешних воздействий при исследованиях пылевой
плазмы...........................................................21
1.3 О динамике пылевых части и моделях расчета силы ионного
увлечения..........................................................23
1.4 Исследования пылевых структур, формируемых в тлеющем
разряде............................................................25
1.4.1 Первые работы в тлеющем разряде...........................25
1.4.2 Применение термофорстических воздействий в экспериментах. .26
1.4.3 Измерение заряда на пылевых частицах......................27
1.4.4 Использование частиц вытянутой формы......................27
1.4.5 Некоторые исследования, проводимые в Петрозаводском
государственном университете....................................28
ГЛАВА И. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ
ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ.................................30
2.1 Некоторые особенности экспериментальной установки и применения
метода визуализации................................................30
2.2 Выбор разрядных условий. Использование полидисперсных и
относительно монодисперсных порошков...............................33
2.3 Исследование сепарации пылевых частиц в тлеющем разряде.. .38
2.4 Создание пылевых образований сложной формы...................43
ГЛАВА III. О ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ. ОБЗОР
ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................55
3.1 Работы Н. Сато и др., университет г. Тахоку (Япония), но
исследованию пылевых структур в магнитном поле.....................55
3.2 Работа Г. Морфила и др., институт внеземной физики г. Гархенг
(Германия), в расходящемся магнитном поле...........................57
3.3 Об интерпретации вращения пылевых структур, обсуждение ранних
работ...............................................................70
3.3.1 О работе Г. Морфила и др...................................70
3.3.2 Гидродинамическая модель [39]..............................71
3.3.3 О работе группы университет г. Сиднея......................75
3.4 Наблюдение вращательного движения отдельных пылевых частиц. 76
3.5 О моделях собственного вращения...............................82
3.6 Аналогия в поведении подвеса и вытянутых пылевых гранул. . . 84
ГЛАВА IV. ИЗУЧЕНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ.........................86
4.1 Обнаружение вращательного движения пылевых структур в тлеющем
разряде.............................................................86
4.2 Дополнительные поисковые эксперименты и наблюдения.... 89
4.2.1 Наблюдения радиальной зависимости скорости вращения пылевого образования в водороде................................89
4.2.2 Применение воздействия, вызванного наклоном трубки. ... 89
4.3 Зависимость угловой скорости от магнитного поля...............95
4.3.1 Наблюдения со структурами из полидисперсных частиц кварца.........................................................95
4.3.2 Зависимость угловой скорости от магнитного поля, структуры из ниобата лития..................................................98
4.4 Изменение формы объемного пылевого образования в страте в
магнитном поле.....................................................103
4.5 Наблюдение сдвиговой деформации структуры и ее плавление.. 110
ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВРАЩАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ...........................................................115
5.1 О выборе рабочей гипотезы механизма вращения.................115
5.2 Дополнительный эксперимент по наблюдению возникновения вращения. Применение двойного воздействия..........................120
5.2.1 Смещение пылевой структуры с оси разрядной трубки в слабом магнитном поле................................................120
5.2.2 Смещение пылевых структур с оси разрядной трубки в сильном магнитном поле................................................120
5.2.3 Интерпретация опытов по наблюдению возникновения вращения........................................................126
5.3 Дополнительный эксперимент по зондированию страты пробными падающими частицами................................................128
5.3.1 Наблюдение траекторий зондирующих частиц в вертикальном сечении.......................................................129
5.3.2 Наблюдение азимутального отклонения траекторий пробных частиц........................................................134
5.4 Интерпретация механизмов вращения в новых литературных работах............................................................144
5.4.1 Независимое исследование структур, формируемых в стратах, в магнитном поле................................................144
5.4.2 Исследование влияния вращения газа на пылевые кластеры в ВЧ разряде.......................................................146
5.4.3 О работе А. В. Недоспасова [99]...........................154
5.5 Обсуждение механизмов вращения. Дополнительные опыты.. . .156
5.5.1 О вращении газа и вращении радиально-вытянутых пылевых структур......................................................156
5.5.2 Обсуждение случая сильного магнитного поля................158
ГЛАВА VI. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ УПОРЯДОЧЕННЫХ ОБЪЕМНЫХ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР, ФОРМИРУЕМЫХ В СТРАТАХ В ТЛЕЮЩЕМ
РАЗРЯДЕ............................................................161
6.1 Плазменные кристаллы, методы описания фазового состояния, используемые в пылевой плазме....................................163
5
6.1.1 Методы описания фазового состояния плазменно-пылевых
структур в 2D случае............................................163
6.1.2 Наблюдения различных фазовых состояний в эксперименте.
Количественная оценка состояний..............................170
6.1.3 Эксперименты, в которых наблюдалось изменение фазового
состояния пылевых структур..................................181
6.1.4 Наблюдения фазовых состояний в 3D пылевых структурах,
количественные методы описания...............................182
6.2 Изменение фазового состояния в магнитном поле.................189
6.2.1 Условия создания пылевых структур, качественный анализ.. .189
6.2.2 Количественное описание изменения фазового состояния пылевой
структуры по двумерной теории KTHNY..........................195
6.2.3 Анализ в соответствии с феноменологическим подходом.. . 197
6.3 Динамика формирования и “память” пылевых образований.
Управление расположением частиц и внешние воздействия...........197
6.4 Создание поликристаллических структур в тлеющем разряде.. . 210
6.4.1 О подборе смеси формирующего плазму газа..................210
6.4.2 Об уплотнении в расположении частиц.......................213
6.4.3 Структуры высокой упорядоченности, полученные в стратах
тлеющего разряда................................................214
6.5 Исследование объемного расположения частиц в структурах.. . 220
6.5.1 Эксперименты по оптическому сканированию..................220
6.5.2 Описание фазового состояния трехмерных структур...........227
6.6 О механических и термодинамических свойствах объемных пылевых
структур........................................................231
ГЛАВА VII. МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ В ГАЗОВОМ
РАЗРЯДЕ. ПРИМЕНЕНИЕ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
МАГНИТОМЕХАНИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА.......................................242
7.1 О гипотезе вращения газа в магнитомеханическом эффекте.. . .244
7.1.1 Литературные сведения о магнитомеханическом эффекте в плазме
газового разряда..................................................244
7.1.2 Попытки объяснения вращения, имеющиеся в литературе. . . 252
7.1.3 Сравнение экспериментов по исследованию момента сил и
вращения нейтрального газа........................................257
7.2 Экспериментальные исследования, инициированные М.П. Чайкой. .258
7.2.1 Косвенная проверка гипотезы вращения газа................259
7.2.2 Поиск вращения газа по измерениям доплеровских сдвигов на
атомах............................................................273
7.2.3 Измерение вращающего момента сил............................282
7.3 Применение пылевых частиц для исследования магнитомеханического
эффекта.............................................................284
7.3.1 Эксперименты, выполненные по методу ЛДА.....................284
7.3.2 Фотографирование траекторий. О наблюдениях у торцов
соленоидов........................................................291
7.3.3 Сопоставление скорости вращения газа и величины момента
сил...............................................................297
7.4 Аналогия между асимметричной пылевой гранулой и подвесом. . 301
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................308
ЛИТЕРАТУРА
310
7
ВВЕДЕНИЕ
Общие сведения и актуальность. После получения в экспериментах в 1994 г. упорядоченных образований в пылевой плазме [1-3], называемых плазменно-пылевыми структурами или плазменными кристаллами, в последующие 10 лет число научных публикаций по данной тематике росло по экспоненциальному закону [4]. Сегодня физика комплексной (пылевой) плазмы является достаточно новой и бурно развивающейся областью знаний. В мире существует несколько десятков ведущих научных групп, проводятся тематические конференции. Тематика исследований простирается от астрофизических объектов [5-6], до технологических приложений в субмикронном и наноразмерном диапазонах [5,7-9] в энергетике, но основными являются фронтальные фундаментальные исследования. В ряде обзоров [10-12| и лекций [13-15], связанных с данной тематикой, отмечается влияние пылевой компоненты на свойства газового разряда, работу технологических процессов и энергетических установок. Роль комплексной плазмы в современной физике показана в сериях работ, обзорах и монографиях [16-21]. Находящиеся в плазме заряженные пылевые гранулы являются телами конечных размеров. Их заряды могут быть велики, до миллиона элементарных. Для поддержания стационарного заряда пылинок, на их поверхность идет непрерывный поток плазменных частиц, действие потока сравнимо с действием электрических полей. Следствием этой физической причины является сильная диссипативность пылевой подсистемы, способность к самоорганизации. Взаимодействие между пылевыми частицами происходит па расстояниях, превышающих обычную длину экранирования. В настоящее время для поиска механизмов притяжения между одноименно заряженными гранулами проводятся теоретические исследования нелинейности экранирования и воздействия коллективных потоков [I 1,17,19]. Именно экспериментальные исследования могут подтверждать адекватность предлагаемых моделей. Актуальность тематики увеличивается в связи с тем, что комплексная плазма является не
8
собственно плазмой, а междисциплинарной областью, объединяющей физику плазмы, оптику, физику твердого тела, кристаллов, статистическую физику, астрофизику и другие разделы.
Изучение самоорганизованных структур именно в пылевой плазме наиболее удобно. Сами гранулы в этих условиях, как правило, имеют размер в несколько микрометров и эффективно рассеивают свет, межчастичное расстояние в формируемых ими структурах составляет доли миллиметров, внешняя среда - газоразрядная плазма - является прозрачной. Все это позволяет вести наблюдения на кинетическом уровне непосредственно в оптическом диапазоне. Структуру объемных пылевых образований можно исследовать, например, сканируя их сечения лазерным ножом, толщину которого можно уменьшить до десятой миллиметра, т.е., менее межчастичного расстояния.
Представленное исследование пылевой плазмы в тлеющем разряде в магнитном поле начиналось на кафедре Общей физики I физического факультета СПбГУ как логическое продолжение исследования магнитомеханического эффекта в газовом разряде, инициированного М.П. Чайкой в 1992-2000г. Отметим, что некоторые из представляемых результатов и по магнитомеханическому эффекту, и по пылевой плазме, в настоящее время обсуждаются в периодике и воспроизведены в работах других авторов, что дополнительно говорит о логической связи между различными направлениями содержащихся в работе исследований, об их актуальности и востребованности.
Цель работы. Целью работы являлось получение новых знаний о пылевых структурах и тлеющем разряде, и развитие новых методов исследований с применением внешних воздействий на пылевые структуры. Это* изучение механического состояния и поведения плазменно-пылевых образований, сформированных в тлеющем разряде, под воздействием наложенного продольного магнитного поля, а также уединенных микро и мезо тел, исследование структурного состояния пылевых образований и его
изменения в магнитном поле и при применении других внешних воздействий. Изучение особенностей формирования пылевых структур в тлеющем разряде при использовании различных порошков (по дисперсности и фактору формы). Определение роли нейтрального газа разряда в механических процессах в продольном магнитном поле.
Научная новизна.
о В работе впервые проведены исследования пылевых структур, сформированных в тлеющем разряде при наложении магнитного поля, обнаружено явление вращения, о Впервые обнаружено изменение направления угловой скорости вращения структуры при изменении только абсолютной величины индукции продольного магнитного поля, о Впервые зарегистрирован процесс разупорядочивания пылевой структуры под воздействием магнитного ПОЛЯ, о Впервые обнаружены участки повышенной упорядоченности внутри объемных пылевых структур, сформированных в тлеющем разряде, о Впервые наблюден эффект сепарации пылевых частиц разрядом по размеру и фактору формы, о Впервые созданы пылевые образования сложной формы в вертикальном направлении, содержащие несколько структур, о Впервые зарегистрировано влияние внешних воздействий на тип расположения частиц и их плотность внутри пылевой структуры, о Впервые произведено измерение радиального распределения плотности газа разряда в продольном магнитном поле, о Впервые обнаружен максимум на зависимости момента сил от магнитного поля в магнитомеханическом эффекте в газовом разряде, о Усовершенствован метод определения направленного движения атомов применением излучения стабилизированного лазера в качестве репера.
10
Практическая ценность работы. о В результате проведенных исследований получены новые знания о пылевой плазме, в частности, о состоянии пылевых структур в магнитном поле. Экспериментальные результаты уже сегодня используются для развития физики комплексной и газоразрядной плазмы при наличии пылевой компоненты, о Изученные особенности формирования пылевых структур и левитации пылевых гранул в тлеющем разряде используются для конструирования структур с требуемой формой, размерами и свойствами, а также могут быть применены для контроля размеров частиц и управления в технологических процессах, в промышленных и энергетических установках.
о Обнаруженное изменение расположения частиц под действием магнитного поля позволяет использовать магнитное поле как параметр, регулирующий порядок структуры и могущий стимулировать фазовые переходы в экспериментах, о Показана возможность получения высокоупорядоченных объемных пылевых структур в стратах в тлеющем разряде, что позволяет использовать данный объект как модель для изучения фазовых состояний и переходов, и процессов самоорганизации, о Обнаруженные струкгурные, механические, в том числе упругие и пластические, свойства пылевых структур уже используются в учебном процессе, в специализированных и общих курсах физики, о Полученные экспериментальные результаты необходимы для выяснения природы магнитомеханического эффекта в газовом разряде, о Полученные данные о свойствах тлеющего разряда в магнитном поле представляют ценность для развития физики газоразрядной плазмы, о Особая практическая ценность работы в том, что она выполнена на стыке ряда дисциплин - физики плазмы, оптики, физики кристаллов, дисперсных систем, фазовых преобразований.
и
о Усовершенствован экспериментальный метод регистрации направленного движения атомов по доплеровскому сдвигу частоты с помощью применения излучения стабилизированного лазера в качестве репера. Созданная установка может быть применена для измерения гиромагнитных отношений с высокой точностью.
Объект и метод исследования. Объектом исследования являлись отдельные тела и объемные пылевые структуры, находящиеся в тлеющем разряде. Основным методом служило экспериментальное исследование, наблюдение объекта в тлеющем разряде при наложении внешних воздействий.
Положения, выносимые на защиту.
1. Явление- вращательного движения объемных пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде, в продольном магнитном поле.
2. Сложный характер зависимости угловой скорости вращения пылевых структур от магнитного поля, имеющей градиенты и изменение знака. Существование различных механизмов вращательного движения пылевой структуры в страте в разных диапазонах магнитного поля.
3. Эффект воздействия магнитного поля на степень упорядоченности пылевой структуры, плавление пылевого кристалла под воздействием магнитного поля.
4. Сепарация пылевых гранул в тлеющем разряде по размеру и фактору формы, создание структур сложной формы и управление ими.
5. Обнаружение поликристаллической структуры горизонтальных сечений объемных упорядоченных пылевых образований.
6. Существование в пылевой структуре нескольких зилов объемной упаковки частиц (гранецентрированной, тетрагональной и гексагональной).
7. Отсутствие направленного вращательного движения нейтрального газа разряда, ранее зарегистрированного в условиях магнитомеханического эффекта.
12
8. Наличие максимума на зависимости момента сил от магнитного поля в магнитомеханическом эффекте.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 7 глав, разделенных на параграфы, Введения, Заключения и Списка Литературы. Общий объем диссертации 331 страница, включая 144 рисунка и список цитированной литературы на 232 позициях.
Аннотация содерэ/сания диссертации по главам.
Во Введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые па защиту, показана научная новизна и практическая ценность работы, отражен личный вклад диссертанта, описана апробация работы, логическая связь между главами диссертации, дана аннотация по главам и приведен список важнейших публикаций, отражающих основное содержание диссертации.
В Главе I содержится краткий обзор некоторых работ, касающихся экспериментов, выполненных с пылевыми структурами в стратах в тлеющем разряде, а также связанных с изучением динамики и воздействий на пылевые частицы. В обсуждаемых публикациях подчеркнуты те аспекты, которые оказали влияние на настоящую работу.
В Главе П описаны особенности формирования пылевых структур в представленных экспериментах. Даны постановка экспериментов, метод наблюдения, выбор и подготовка порошков, выбор разрядных условий для создания структур с требуемыми качествами. Также в главе содержится описание решения задачи по извлечению частиц непосредственно из разряда. Описана разрядная камера, сконструированная для этой цели и результаты сепарации частиц по размеру и форме. Также описаны способы конструирования структур сложной формы как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях.
Глава III посвящена литературному обзору первых работ по исследованию пылевой плазмы в магнитном поле. Описана серия работ Н.
13
Сато и др., университет г. Тохоку (Япония), устройства разрядных камер с разделенными электродами и наблюдения вихрей пылевых структур в магнитном поле. Описаны наблюдения Г. Морфилла и др., институт внеземной физики, г. Гархенг (Германия). Обсуждаются предложенные авторами интерпретации вращения.
Кроме того, обсуждаются эксперименты по наблюдению уединенных частиц в магнитном поле и представляются теоретические модели появления собственного вращательного движения пылевых частиц.
Глава IV содержит результаты исследования поведения пылевых структур в тлеющем разряде в магнитном поле, обнаружение вращательного движения. Описаны эффекты обращения угловой скорости структуры при увеличении магнитного поля в области В0 порядка 150-250 Гс, существования градиентов угловой скорости. Представлено изменение формы пылевой структуры в магнитном поле. Показано проявление неоднородного вращения в верхней и нижней частях структуры - эффектов сдвиговой деформации и плавления структуры, инициируемого сдвигом. Содержится краткое обсуждение.
В Главе V описаны дополнительные опыты, направленные на изучение механизма вращательного движения: наблюдение процесса возникновения вращения в структуре жидкостно-подобного типа при магнитных полях менее и более чем Во, применение двойного воздействия на структуру в этом случае; результаты зондирования пробными частицами пространства разряда вблизи области формирования структуры в головной части страты как при наличии структуры, так и при ее отсутствии. Кроме того, представлена интерпретация вращательного движения, даны элементарные оценки и сравнение с недавними работами.
Глава VI посвящена созданию и изучению пылевых образований высокой степени упорядоченности. Приведен литературный обзор данного направления и результаты исследований в стратах. Так, во-первых, описано обнаруженное влияние магнитного поля на упорядоченность пылевых
14
образований, показано существование процесса плавления, аналогичного наблюдавшемуся в работе Г. Морфилла и др. при уменьшении давления газа в разряде и в работе Л. Ай и др. при увеличении вкладываемой в разряд мощности. Процесс плавления определен по поведению трансляционной и ориентационной корреляционных функций и соответствующих локальных корреляционных параметров. Во-вторых, созданы объемные пылевые структуры, содержащие порядка 6000 частиц, показано, что внутри их горизонтальных сечений существуют области с более высокой
упорядоченностью, а также, что управление формой границы сечения задает внутреннее перераспределение частиц, аналогичное полиморфным преобразованиям в кристаллах. В-третьих, показано, что возможно реализовать воздействия, обладающие устойчивостью в отношении
изменения позиций частиц - управлять их расположением. Кроме того, изучено расположение частиц внутри объемных пылевых структур,
формируемых в тлеющем разряде.
Глава VII посвящена изучению магнитомеханического эффекта в газовом разряде и применению пылевых частиц для его диагностики. Приведены литературные сведения о двух сериях работ по наблюдению момента сил и исследованию вращения газа. Представлена серия работ, инициированных М.П. Чайкой. Она посвящена исследованиям влияния радиального электрического поля на магнитомеханический эффект,
изучению перераспределения концентрации атомов положительного столба в магнитном поле, повторным измерениям доплёровских сдвигов на атомах, (экспериментам, не подтвердившим магнитомеханический эффект), а также измерению момента сил, показавшему наличие максимума на зависимости от магнитного поля, и верный знак эффекта. Также представлены эксперименты по определению возможного вращения газа, экспериментальные оценки, полученные при применении падающих в разряде частиц в условиях существования магнитомеханического эффекта. Проведено сравнение с
15
новыми работами, предлагающими учитывать роль вращения газа, обсуждена связь эффекта с вращением пылевых частиц.
В Заключении перечислены результаты, полученные в работе, и благодарности.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинаре по атомной спектроскопии (Черноголовка 1993), на конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП (Петрозаводск 1995, 1998, 2001, 2004, 2007), на семинаре по лазерной аналитике (С-Петербург 2000), школах и симпозиуме молодых ученых (Петрозаводск 2002, 2005, 2009), на международной конференции по физике плазмы и плазменным технологиям ФППТ (Минск 1997, 2000, 2003, 2006, 2009), на конференции по оптическим методам исследования потоков ОМИП (Москва 2003, 2005, 2007, 2009); на международном симпозиуме по физике плазмы ICPP (2006, 2008); на международной конференции по физике пылевой плазмы и процессов горения (Одесса 2007); на международной конференции по неидеальной плазме PNP-13 (Черноголовка 2009); представлялись на международной конференции по физике пылевой плазмы PCPDP-5 (2008) и конференции 1COPS (Karlsruhe 2008), а также докладывались и обсуждались на семинарах в Петрозаводском государственном университете (1998, 2005) и на заседаниях Кафедры Общей физики I физического факультета СПбГУ (1993-2010).
Личный вклад. Все представленные в диссертации результаты получены лично, или при непосредственном участии автора. В части исследований, связанных с изучением пылевой плазмы, постановка всех задач была сформулирована лично автором.
Публикации. Результаты работы опубликованы в ведущих научных журналах - Оптика и Спектроскопия, Вестник СПбГУ, ЖЭТФ, Phys. Rev. Е, и др., - всего 33 статьи, 23 из которых опубликованы в журналах из списка ВАК, 4 - в тематических иностранных журналах, 6 - в сборниках статей; 34 -в материалах докладов конференций; 7 - в тезисах конференций, всего 77
16
публикаций, все по теме диссертационной работы. Основная часть диссертации опубликована в следующих работах:
1. Карасев В. Ю., Семенов Р. И., Чайка М. П. Радиальное электрическое поле в плазме положительного столба разряда низкого давления // Опт. и Спектр. 1995. Т. 78. №» 3. С. 393-396.
2. Карасев В. Ю, Семенов Р. И., Чайка М. ГІ. Трубчатый разряд в магнитном поле // Опт. и Спектр. 1995. Т. 78. № 4. С. 601-602.
3. Карасев В. Ю., Чайка М. П. Влияние магнито-механического эффекта на радиальное электрическое поле положительного столба разряда // Опт. и Спектр. 1996. Т. 80. № 2. С. 197-198.
4. Карасев В. Ю., Семенов Р. И., Чайка іМ. ГІ., Эйхвальд А. И. Измерение радиального распределения плотности газа положительного столба разряда в магнитном поле // Опт. и Спектр. 1997. Т. 83. № 3. С. 369-372.
5. Карасев В. Ю., Семенов Р. И., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Эксперименты по магнито-механическому эффекту // Опт. и Спектр. 1998. Т. 84. № 6. С. 910-912.
6. Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Направление момента сил в положительном столбе разряда в продольном магнитном поле // Опт. и Спектр. 1998. Т. 85. №2. С. 181-182.
7. Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И., Щего Ц. Измерение магнитомеханического эффекта в газовом разряде // Опт. и Спектр. 2001. Т. 91. № 1. С. 34-36.
8. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Исследование магнитомеханического эффекта в газовом разряде с помощью пылевых частиц//Опт. и Спектр. 2002. Т. 92. № 6. С. 1018-1023.
9. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. О гипотезе вращения газа в магнитомеханическом эффекте // Опт. и Спектр. 2004. Т. 97. № 1. С. 107-113.
10. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Воздействие продольного магнитного поля на плазменно-пылевые структуры в стратах в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2005. Т. 98. № 4. С. 621-626.
17
11. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Возникновение вращательного движения плазмено-пылевых структур в стратах в тлеющем разряде в магнитном поле// Опт. и Спектр. 2006. Т. 100. № 3. С. 499-506.
12. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Применение зондирующих пылевых частиц для исследования стратифицированного разряда с плазменно-пылевым и структурами в магнитном поле // Опт. и Спектр. 2006. Т. 101.№3. С. 511-517.
13. Иванов А. Ю., Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. О возможности фазовых переходов в гшазменно-пылевых структурах в тлеющем разряде под воздействием магнитного поля // Опт. и Спектр. 2006. Т. 101. №5. С. 882-887.
14. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С., Иванов А. 10., Голубев М.
С., Ермоленко М. А. Оптическое сканирование пылевых структур формируемых в тлеющем разряде // Опт. и Спектр. 2009. Т. 106. № 6. С. 914-918.
15. Карасев В. Ю., Иванов А. 10., Дзлиева Е. С., Эйхвальд А. И. Об упорядоченных пылевых структурах формируемых в тлеющем разряде // ЖЭТФ. 2008. Т. 133. № 2. С. 460-465.
16. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Упорядоченные плазменнопылевые структу ры в стратах тлеющего разряда И Вестник СПбГУ, Серия 4.
2008. № 1. С. 36-41.
17. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. Влияние магнитного поля на форму пылевых структур // Вестник СПбГУ, Серия 4. 2008. № 2. С. 120-126.
18. Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева. Е. С. О наблюдении вращательного движения пылевых частиц, помещенных в низкотемпературную плазму // Вестник СПбГУ, Серия 4. 2008. № 4. С. 115-118.
19. Карасев В.Ю., Дзлиева. Е.С. О балансе сил и равновесии пылевых частиц //Вестник СПбГУ, Серия 4, 2009. В. 1. С. 136-139.
18
20. Карассв В. Ю., Эйхвальд Д. И., Дзлиева. Е. С. Сепарация полидисперсных пылевых частиц в тлеющем разряде // Вестник СПбГУ. Серия 4. Физика. Химия. 2009. № 1. С. 140-144.
21. Семенов Р. И., Карасев В.Ю., Иванов А.Ю., Голубев М.С. О магнитомеханическом эффекте в газовом разряде // Вестник СПбГУ, Серия 4,
2009. В.4. С. 140-142.
22. Karasev V. Yu., Dzlieva Е. S., Ivanov A. Yu., Eikhval’d A. 1. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. E. 2006. V. 74. № 6. P. 066403.1-066403.12.
23. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu., EikhvaPd A. I., Golubev M. S., Ermolenko M. A. Single dust-particle rotation in glow-discharge plasma // Phys. Rev. E. 2009. V. 79. P. 026406.1-026406.6.
24. Karasev-V. Yu., Dzlieva E. S., EikhvaPd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M. S., Ivanov A. Yu. Macrospin of the dusty particle // Plasma and Fusion Research Series. 2009. V. 8. P. 312-315.
25. Chaika M. P., Eichvald A. I., Karasev V. Yu., Shigo Ts. The Magnetomechanical Effect// Journal of Magnetohydrodinamics, Plasma and Space Research. 2001. Vol. 10. № 3. P. 215-265.
26. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., EikhvaPd A. I., Ermolenko M. A., Golubev M.
S. Observation of Rotational Motion of Single Dusty Particle // AIP Conf. Proc. 2008. V. 1041. P. 247-250.
27. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S. and Ivanov A. Yu. Changing the Structure Boundary Geometry // Proc. AIP Conf. 2008. V. 1041. P. 239-240.
28. Дзлиева E. С., Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Применение стабилизированного гелий-неонового лазера для исследования магнитомеханического эффекта // Лазерные исследования в СПбГУ. СПб.: СИбГУ, 2003. С. 286 294.
29. Дзлиева Е. С., Карасев В. Ю., Чайка М. П., Эйхвальд А. И. Использование лазерного излучения для визуализации плазменно-пылевых структур // Лазерные исследования в СПбГУ. СПб.: СПбГУ, 2005. С. 114-125.
30. Дзлиева E. C. , Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И., Иванов А. Ю. Об управлении ППС в лабораторных экспериментах и технологических процессах // Лазерные исследования в СПбГУ. СПб: СПбГУ, 2006. С. 171-179.
31. Дзлиева Е. С., Карассв В. Ю., Эйхвальд А. И. Применение пылевых частиц для исследования магнитомеханического эффекта // Мат. Школы молодых ученых «Методы и техн. исследования процессов самоорганизации упорядоченных структур в плазменно-пылевых образованиях». Петрозаводск: ПетрГУ, 2002. С. 25-262.
32. Дзлиева Е. С. , Карасев В. Ю., Эйхвальд А. И. Пылевая плазма в магнитном поле // Мат. Школы молодых ученых “Фундаментальные проблемы приложений низкотемпературной плазмы”. Петрозаводск: ПетрГУ, 2005. С. 244-263.
33. Голубев М.С., Дзлиева Е.С., Ермоленко М.А., Иванов АЛО., Карасев
В.Ю., Эйхвальд А.И. Управление плазменными структурами и отдельными частицами в газовых разрядах // Ученые записки Петрозаводского гос. университета. Естественные и технические науки, 2009. Л'. 11. С. 95-103.
20
ГЛАВА Т. ОБЗОР НЕКОТОРЫХ НАПРАВЛЕНИЙ ИСС ЛЕДОВ АНИЯ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЫ
1.1 Некоторые направления исследований, связанные с настоящей работой.
Ежегодно количество публикаций по пылевой плазме существенно увеличивается, и уже сегодня невозможно провести единый обзор даже наиболее значительных результатов. Существующие на сегодняшний день представления о физических процессах в пылевой плазме собраны в появившихся учебниках [6-8,16] и обзорах [9,11,12,18-21]. По этой причине имеет смысл лишь перечислить те из фронтальных направлений исследований, которые, по мнению автора, связаны с тематикой настоящей работы, а также некоторые сопутствующие проблемы. Для решаемых в работе задач исследования пылевой плазмы в магнитном поле, наблюдения фазовых состояний и динамики фазовых переходов анализ литературных работ рассмотрен в соответствующих разделах диссертации, а также ряд работ будет перечислен ниже в Главе I. Экспериментальные и теоретические исследования пылевой плазмы, проводимые к настоящему времени и по мнению автора наиболее тесно связанные с работой, условно можно разделить по следующим направлениям:
Применение внешних воздействий для управления и диагностики; Динамика пылевых частиц, исследование силы ионного увлечения; Создание плазменных кристаллов, разработка критериев упорядоченности для различных типов кристаллических решеток; Исследование фазовых переходов типа плавления, описание их динамики;
Взаимодействие пылевых гранул, изучение потенциала взаимодействия, изучение физических причин притяжения между пылевыми гранулами, проблема экранировки;
Взаимодействие пылевых частиц с потоками плазмы;
Управление и манипуляции с отдельными частицами и структурами;
21
Исследование неустойчивостей в пылевых структурах;
Создание нелинейных и ударных волн, солитоиов, их описание, воздействие ультракороткими импульсами, в том числе, кратковременным воздействием магнитного поля;
Влияние пылевой компоненты на характеристики разряда.
В отношении магнитомеханического эффекта полный обзор первых работ содержится в [22-23], более поздние работы обсуждаются в Главе VII.
1.2 Применение внешних воздействий при исследованиях пылевой плазмы.
В представленной работе получен ряд новых результатов с помощью применения внешних воздействий разной природы и в сочетании их друг с другом. Используемыми воздействиями являются продольное магнитное поле, сила термофореза, наклон разрядной камеры к вертикали в поле силы тяжести, ускоренное движение (при встряхивании) камеры, ускоренное перемещение пылевой ловушки (страты), столкновения двух пылевых структур и др. Сегодня применения внешних воздействий для создания и диагностики пылевых структур рассматривается как новое направление исследований [11,16]. Перечисленными ниже методиками автор либо руководствовался, либо сравнивал свои результаты с полученными в этих работах.
о Воздействие магнитным полем. Ему отводятся отдельные главы, поскольку оно является основным и самым продуктивным в настоящей работе, Главы III - V.
о Тепловые воздействия, реализуемые силой термофореза при искусственно созданном градиенте температуры в нейтральном газе разряда, также кратко будут рассмотрены отдельно, о Для экспериментов представляет интерес электростатическое воздействие, реализуемое при помещении в разряд в область вблизи нахождения пылевой структуры диэлектрических и проводящих тел, на которые может
22
быть подан постоянный или переменный потенциал. В [24] в разрядной камере располагался линейный проводник, потенциал которого варьировался. При увеличении отрицательного потенциала пылевые частицы приходили в движение - в ближней области отталкивались, в то время как в удаленной - притягивались. Авторы интерпретировали эти наблюдения как проявление дальнодействующей силы притяжения за счет действия на пылинки ионного потока из удаленной области, в ближней области доминирует сила опал кивания. Подобный метод вариации потенциала использовался в ВЧ разряде для измерения электрического заряда пылевых гранул [25]. о При действии сфокусированного излучения лазера на пылевую частицу, последнюю можно сдвинуть вдоль луча. Такая методика эффективна и наглядна при применении к цепочкам частиц. В [26] она показала анизотропию взаимодействия между двумя гранулами по и против потока ионов. Смещение средней в цепочке частицы вбок приводит к смещению части цепочки расположенной ниже по потоку, в то время как верхняя часть исходной цепочки не чувствительна к воздействию. Отмеченное воздействие на отдельную цепочку аналогично наблюдавшемуся в настоящей работе разрыву структуры при неоднородном вращательном движении в магнитном поле, о Экспериментальные исследования действия на пылевую структуру измененной силы тяжести проводились в свободно падающей разрядной камере, при осуществлении параболических полетов, а также в условиях микрогравитации на станциях “ Мир ” и МКС [27-28]. Не перечисляя все находки, полученные при проведении подобных уникальных экспериментов, отметим создание сложных структур, содержащих пустоты - пылевые воиды (void) [29], а также несколько типов упаковки частиц в объемных структурах [30]. Связь данного воздействия с настоящей работой в том, что в ней применялось воздействие силой тяжести, меняющей геометрию при наклоне разрядной трубки к вертикали, что
23
вызывало изменение вида структуры и ее состояния в присутствии магнитного поля.
о Резкое перемещение пылевой ловушки - страты - посредством газодинамического воздействия [31], либо короткого воздействия магнитного поля [32], способного вызывать неоднородную деформацию структуры, развитие в ней нелинейных и ударных волн.
1.3 О динамике пылевых частиц и моделях расчета силы ионного увлечения.
Если скорость плазменных частиц относительно пылевой отличается от нуля, возникает сила, связанная с передачей импульса от плазменных частиц к пылевой. Из-за существенно большей массы ионов, согласно теоретическим оценкам [33-36], а также экспериментальной проверке соотношения ионного и электронного увлечения в магнитном поле [37], электронным увлечением пренебрегают.
Сила увлечения ионами при различных разрядных условиях и при различных размерах (зарядах) частиц может существенно отличаться по величине. Например, для частиц размера 1 мкм в не очень сильных электрических нолях она может превышать силу, действующую на частицу со стороны электрического поля [33]. Сравнение сил разной природы, действующих на частицы можно найти в работах [33,37]. Для задачи исследования пылевой плазмы в магнитном поле тангенциальная составляющая силы ионного увлечения играет доминирующую роль. В самом общем случае теоретическое выражение для силы увлечения пока не получено, существуют лишь подходы, позволяющие лишь описывать частные предельные случаи [11].
При учете только парных столкновений сила ионного увлечения в общем случае может быть записана в виде
(1)
24
здесь f (у) распределение ионов по скоростям V, - транспортное сечение ионов и пылевой частицы, т,- и п, — масса и концентрация ионов. Согласно [34], в качестве / (у) может использоваться сдвинутое максвелловское распределение. Для случая и<у/„ - скорости потока ионов и дотспловые, у7, тепловая скорость ионов - используется разложение
В случае и»У/7 применяется модель f (v)«5(v-u). Для учета транспортного сечения необходимо различать два случая: точечной частицы и частицы конечных размеров, но как оказалось [34], результаты этих двух случаев практически совпадают.
Более 10 лет вычисления Fici проводились по стандартной теории кулоновских столкновений [33,19,24,38-41], т.е. использовался кулоновский потенциал взаимодействия и обрезание расчетов на прицельных параметрах р, больших длины экранирования. В 2002 г. было показано, что необходимы изменения в расчете транспортного сечения. Для пылевых частиц, имеющих существенно большой заряд, радиус взаимодействия частиц (кулоновский
г =м!
радиус) с m v2 превышает длину экранирования ^d, и пренебрегать
прицельными параметрами, большими длины экранирования, нельзя, zd -безразмерный заряд пылинки.
Зависимость сечения от скорости удобно представлять через параметр
Для случая р«1 справедливо стандартное кулоновское рассеяние. Для типичных размеров частиц а= 1мкм величина р может составлять 5-10 единиц. Для случая Р< рст ~ 13.2 нужно учитывать в процессе рассеяния ионы с р>Хс1, которые могут приближаться в процессе рассеяния на
f (v) = /о (v)0 + ).
Vr.
Ti
(2)
A
(3)
25
расстояние меньшее длины экранирования. Для случая (3>рсг согласно [35] для вычислений сечения используется численное моделирование. Его результат, представленный в [35] в виде графиков, показывает нормированное транспортное сечение как функции от р. Из графиков следует, что расхождение стандартного кулоновского приближения с новыми моделями имеется, но в интервале Р от 1 до 10 оно не превышает 5-6 раз.
Итак, в случае дотепловых скоростей потока ионов при учете зависимости транспортного сечения от Р для частиц конечных размеров можно использовать выражение для р,<|, полученное в работе [34] интегрированием выше представленного выражения при Р меньших 5:
Первые два слагаемых в скобках связаны с неупругим рассеянием, последнее связано с упругим и является доминирующим.
Касательно экспериментальной проверки выражения силы ионного увлечения отметим, что прямых экспериментальных работ не много. Например, согласно [36] для условий тлеющего разряда, вычисления по классической модели [33] дают втрое заниженный результат по сравнению с усовершенствованными (по формуле 4).
1.4 Исследования пылевых структур, формируемых в тлеющем разряде.
1.4.1. Первые работы в тлеющем разряде. Появление работы [42], во многих отношениях пионерской, открыло как новые физические явления, так и предложило новые конструктивные особенности в технике экспериментов. Пылевые структуры, которые формировались в стратах в тлеющем разряде,
(4)
^ ^ — ---------
Здесь Тг , аТе , Г1 - модифицированный кулоновский логарифм, проинтегрированный по скоростям с функцией распределения:
26
существенно отличались от создаваемых в слое (и предслое) в ВЧ разряде. Они объемные» вытянутые вдоль оси разряда, в горизонтальном сечении насчитывают порядка 100 частиц. При применении полых микросфер в качестве засыпного порошка авторам впервые удалось получить вертикально сверхпротяженные образования до 6 см длиной. В вертикальном направлении пылинки располагались одна под другой в форме цепочки. Аналогично наблюдениям в ВЧ разряде, при увеличении вкладываемой мощности, при увеличении тока от 0.5 до 4 мА, наблюдалось уменьшение упорядоченности в расположении частиц, плавлению пылевой структуры. Данный факт авторами фиксировался по размыванию “дальнего” порядка, 2-4 максимумов парной функции корреляции в рассматриваемых
горизонтальном и вертикальном сечениях.
Также в работе наблюдалось формирование структур не только в ловушке в головной части страты, но и в области сужения разряда над вставленной узкой диафрагмой - в ловушке, образованной двойным электрическим слоем [43].
Были проведены расчеты частоты амбиполярных уходов и частоты гибели электронов на поверхности частиц. Сравнение показало, что влияние пылевой компоненты на разряд происходит при ее концентрации 250 см*3 , По фотографиям была определена концентрация пылевой компоненты
плазмы, которая оказалась на порядок выше.
1.4.2 Применение термофоретических воздействий в экспериментах. В серии работ [44-47], начатых в 1999 г., изучались тепловые воздействия на объемные пылевые структуры, формируемые в стратах и в ВЧ разряде из полидисперсных частиц, преимущественно в воздухе. Результаты
представляют интерес прежде всего для управления структурами и отдельными частицами посредством силы термофореза, связанной с созданием градиента температуры в нейтральном газе разряда. Авторы применяли тепловые воздействия для изменения положения структуры в горизонтальном сечении трубки, изменения формы структуры,
27
осуществления манипуляций, приводящих к разрыву единой структуры на две части.
Кроме того, была создана структура сложной формы в горизонтальном сечении: кольцевой и кольцевой с внутренним вторым облаком. Была дана интерпретация образования сложных в радиальном направлении структур, как результат баланса радиальных сил термофореза и электрической, действующих на отдельную частицу. При охлаждении до криогенной температуры авторы регистрировали существенное уменьшение межчастичного расстояния, а также образования сверхлротяженных структур длиной до 12 см.
1.4.3 Измерение заряда на пылевых частицах. Работу [48], в которой было применено воздействие на отдельную частицу внутри пылевой структуры с помощью сфокусированного лазерного пучка, необходимо выделить особо в связи с диагностикой заряда пылевых гранул. Подобная диагностическая работа в условиях стратифицированного разряда при более высоких давлениях, чем в ВЧ разряде, до сих пор остается единственной. Авторы использовали сферические частицы трех размеров, радиусами порядка 1, 2.5, 6 мкм в рабочем газе неоне при двух значениях давления 0.5 и 1.5 Topp. Заряд пылевых частиц в стратах оказался слабо зависящим от давления газа, он растет с размером используемых частиц от 5 -10J до МО5 элементарных.
Приведенные результаты удобны для использования, в настоящей работе они применялись для оценок, поскольку практически перекрывают диапазон параметров, используемых в экспериментах в тлеющем разряде. Говоря о количественных оценках, приведем здесь основные параметры плазмы, типичные для экспериментов в стратифицированном разряде. Концентрация плазменных частиц 108- 10<;см_3, температура электронов 2-4 эВ, ионов порядка 0.03 эВ, длина пробега атомов и ионов порядка 0.1 мм, электронов менее 1 мм, длина экранирования (ионная) порядка 40 мкм.
1.4.4 Использование частиц вытянутой формы. В работе [49] в качестве пылевых частиц были применены частицы асимметричной формы, так
28
назывемые иглы, или прутки (rod particles). Диаметр частиц был 15 и 20 мкм, а длина 300 мкм. Для создания оптимальных условий левитации авторы добавляли к буферному инертному газу водород, который должен формировать более резкие стоячие страты и увеличивать напряженность продольного электрического поля [50,51]. Площадь поверхности таких частиц относительно велика и сравнима с площадью микросфер, используемых в настоящей работе. Поверхностный заряд игл авторами оценен как порядка 100000 элементарных. Пылевые структуры из частиц асимметричной формы демонстрировали упорядоченные структуры нематического типа [52] (с единственным направлением ориентации частиц). В горизонтальном сечении иглы ориентировались в одном направлении, причем оси их фигур располагались горизонтально. Направление выделенной горизонтальной оси было связано с конструктивной особенностью разрядной трубки. Поведение асимметричных тел, горизонтально расположенных в разряде, представляет интерес в связи с исследованием магнитомеханического эффекта.
Можно отметить, что ориентация игл в других условиях будет отличной от наблюдаемой. Так в теоретической работе, посвященной вопросам зарядки и ориентации игл [53] предсказывались лишь два возможных направления - вертикальное и горизонтальное, в [54] эти две ориентации наблюдались. В работах [55, 56], а также в исследованиях автора, наблюдалась ориентация асимметричных частиц под произвольным углом. Таким образом, вопрос о заряде и устойчивом направлении ориентации частиц асимметричной формы сегодня до конца не решен.
1.4.5 Некоторые исследования, проводимые в Петрозаводском государственном университете. Отмеченные выше работы по изучению пылевых структур в тлеющем разряде были выполнены в основном в период 1997-2001г. в ИВТАН. Помимо них, также существуют независимые исследования со структурами, формируемыми в стратифицированном разряде, проводимые в Петрозаводском государственном университете в
29
НОЦ “Плазма” [57-60]. Выделим некоторые из полученных там результатов. Во-первых, это систематические количественные изучения изменения межчастичных расстояний в структурах в зависимости от изменения условий в разряде. Во-вторых, создание протяженных пылевых структур. В-третьих, наблюдение левитации внутри одного пылевого образования частиц, существенно различных размеров, разделенных разными межчастичными расстояниями. А также это развитие новых методик исследования, применительно к пространственным структурам в пылевой плазмы: томографии, корреляционной спектроскопии.
Упомянутые выше в основном экспериментальные работы по исследованию пылевых образований в тлеющем разряде в определенной и разной степени оказали влияние на планирование собственных экспериментов, а также рассматривались при сравнении и интерпретации полученных в диссертации результатов. Детальный литературный обзор трех направлений для решаемых в работе задач приводится в соответствующих главах диссертации.
30
ГЛАВА И. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И НАБЛЮДЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ.
2.1 Некоторые особенности экспериментальной установки и применения метода визуализации.
Экспериментальные исследования пылевых образований, представленные в настоящей работе, были начаты в конце 2000г. как продолжение исследования магнитомеханического эффекта в газовом разряде. Поэтому была необходимость применять разрядные трубки, пригодные для размещения внутри создающих магнитное поле катушек. Первоначально использовались порошки АЬОз, частицы которых отличались как по размеру, так и по фактору формы. Формируемые из них структуры могли иметь сложные формы. Для изучения особенностей формирования пылевой плазмы в тлеющем разряде и создания удобных для изучения структур была разработана дополнительная конструкция разрядной камеры и изучалась сепарация частиц разрядом.
Принцип создания объемных пылевых структур в стратах, как отмечалось'в Главе I, был предложен в [42], чем мы и руководствовались в настоящей работе. Разрядная трубка устанавливается вертикально катодом вниз. Внутрь ее помещается сужающая канал тока вставка - диафрагма - для следующих целей: уменьшения влияния катодного пятна на стабильность разряда и формирования стоячих страт [50], ее положение задает положение первой стоячей страты, т.е., пылевой ловушки, в удобном для наблюдения месте. Контейнер с порошками, имеющий сетчатое дно, располагается в верхней части трубки. При его встряхивании пылинки падают и попадают в страту, где формируется плазменно-пылевое образование, Рис. 1.
Визуализация. Стандартная визуализация, являющаяся сегодня основным способом наблюдения пылевых гранул в плазме, служила основным инструментом наблюдений в настоящей работе. Для освещения структур использовался расширенный пучок излучения лазера. Для
31
Рис.1 Экспериментальная установка. 1 - трубка; 2 - диафрагма; 3 - страта; 4 - левитирующие частицы; 5 - CCD камера; 6 - система, формирующая лазерный нож; 7 - фильтр; 8 - анод; 9 - катод; 10 - контейнер с порошком; 11 - катушки; 12 - оптическое окно.