Курсовая работа (т): Пилова плазма

5. ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ В ПИЛОВИЙ ПЛАЗМІ

Як вже говорилося, Ікезі в 1986 р. було висловлено припущення про можливість кристалізації пиловий підсистеми в нерівноважній газорозряднійплазмі. Спочатку за основу був узятий критерій кристалізації однокомпонентною плазми γ = 106, що з урахуванням екранування дає γds≥106. Цей критерій насправді не точний, що видно з рис.3, де наведені дані з розрахунку кривої кристалізації різних авторів. Можна ввести емпіричне умова кристалізації, яке збігається з результатами чисельного моделювання аж до K ≤ 6

Зауважимо, що часто використовується інше нормування, коли замість відстані між пиловими частинками Nd-1/3 приймається радіус Вігнера-Зейтца (4πNd/3)-1/3. Визначені таким чином параметри більше в 1,6 разів, наприклад, кристалізація відбувається при γ ≥ 172. Крім того, існують феноменологічні критерії кристалізації. Наприклад, згідно з критерієм Ліндемана тверда фаза плавиться, якщо відношення зсуву частинки і міжчастинкової відстані досягає 0,1. До теперішнього часу кулонівський (або плазмовий) кристал спостерігався в експериментах майже у всіх типах розрядів.

У пиловий плазмі макроскопічні частинки можуть заряджатися потоками електронів та іонів, а також шляхом фото-, термо-або вторинної емвссії електронів з їх поверхні [7]. Емісія електронів призводить до позитивного електричного заряду частинки, при цьому концентрація електронів в газі зростає. Якщо ж частинки захоплюють електрони, то їх заряд негативний і виникає протилежний ефект - зниження електронної концентрації.

У ранніх експериментах, виконаних наприкінці 50-х років, кристалічні структури спостерігалися в системі заряджених частинок заліза і алюмінію мікронних розмірів, утримуваних змінним і статичним електричними полями. У більш пізніх роботах, що відносяться до 90-м рокам [8-9], повідомлялося про спостереження кулонівської кристалізації макрочастинок в слабо іонізованій плазмі високочастотного розряду при низькому тиску. Енергія електронів в плазмі становить кілька електронвольт, а енергія іонів близька до теплової енергії атомів (~ 0.03 еВ) [10]. Якщо емісійні процеси відсутні, заряд пилової частки є негативним. Це пов'язано з тим, що на центральну пилову частинку спрямовані потоки плазмових електронів та іонів. Прийнято вважати, що потрапили на її поверхню електрони поглинаються, а підлетів до поверхні іони виривають електрони і рекомбінують. Внаслідок більш високої рухливості електронів їх потік значно перевищує потік іонів, і частинка починає заряджатися відємно. З'являється у неї негативний заряд призводить до відштовхування електронів і притяганню іонів. Заряд частки змінюється до тих пір, поки не зрівняються потоки електронів та іонів, що падають на її поверхню.

Таким чином, в експериментах з високочастотним розрядом пилові частинки набували негативний і досить великий заряд (порядку 104-105 елементарних зарядів). Хмара частинок зависало поблизу твердої поверхні (електрода) з негативним потенціалом - там, де встановлювалося рівновагу між гравітаційними і електростатичними силами. У хмарі, діаметр якого кілька сантиметрів, у вертикальному напрямку налічувалося кілька десятків шарів частинок, а відстань між ними становило кілька сотень мікрон.

Робилися спроби отримати протяжні тривимірні впорядковані структури в квазінейтральної плазмі (а не в приелектродних області) при різних механізмах зарядки пилових частинок, зокрема термо- і фотоемісії. Так, в умовах квазінейтральності рідинні структури спостерігалися у термічній плазмі при атмосферному тиску і температурі близько 1700 К. Тривимірні кристалічні структури зареєстровані і в позитивному стовпі тліючого розряду постійного струму, і в плазмі, сформованої з заряджених макрочасток, при впливі радіоактивного і ультрафіолетового випромінювання .

Просторово-впорядковані структури у термічній плазмі. У низькотемпературній плазмі температури електронів, іонів і нейтралізації були рівні. У плазмовому потоці знаходилися в підвішеному стані частинки двоокису церію (СеО2). Температура плазми становила 1700-2200 К, тиск був атмосферним [11, 12]. Для двоокису церію характерна низька робота виходу термоелектронів (~ 2.75 еВ) з поверхні. В результаті пилові частинки заряджалися потоками електронів та іонів з плазми, а також шляхом термоелектронної емісії, яка може призводити до позитивного заряду частинок. Концентрація електронів була 109-1011 см-3.

Діагностичні вимірювання дозволили отримати дані про такі параметри плазми, як концентрація позитивних іонів і електронів, температура, середній діаметр і концентрація макрочастинок. Просторові структури останніх аналізувалися за допомогою бінарної кореляційної функції g (r), яка характеризує ймовірність знаходження частинки на відстані r від даної частинки і тим самим просторове їх розташування - хаотичне або впорядковане (рідинні і кристалічні структури). Для побудови кореляційної функції в плазмових потоках застосовувався лазерний час-пролітний лічильник. Він реєструє випромінювання, розсіяне окремими частинками, які рухаються в досліджувану область плазмового потоку через вимірювальний об’єм, сформований фокусуванням пучка лазера.

Вимірювання просторових структур макрочастинок порівнювалися з результатами, отриманими для аерозольного струменя з частинками двоокису церію при кімнатній температурі. Така система моделює плазму з випадковим (хаотичним) просторовим розташуванням макрочастинок ("газоподібна" плазма).

При більш низькій температурі плазми (1700 К) і більш високої концентрації частинок (5.0 х 107 см-3) кореляційна функція приймає вид, характерний для рідини. У цих умовах концентрація іонів (109 см-3) приблизно на порядок нижче концентрації електронів (5 х 1010 см-3). Заряд частинок, отриманий з умови квазінейтральності, був позитивним і складав близько 1000 елементарних зарядів. Відносно слабка упорядкованість структури в експерименті може бути пояснена кінцевим часом існування плазми (близько 20 мс), так що формування структури не встигає повністю завершитися.

пиловий плазма дебаєїський радіус

6. ТРИВИМІРНІ КРИСТАЛІЧНІ СТРУКТУРИ МАКРОЧАСТИНОК В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

На противагу термічної плазмі тліючий розряд є неізотермічною газовою плазмою при кімнатній температурі і низькому тиску. Експерименти проводилися з тліючим розрядом постійного струму в неоні при тиску газу від долі торра до декількох торр і розрядних струмах від долі міліампера до декількох міліампер.

Спостереження структур пилових частинок велися в позитивному стовпі тліючого розряду із стоячими стратами - нерухомими зонами нерівномірної світності, які регулярно чергуються з темними проміжками, характерний масштаб яких близько декількох сантиметрів [13]. Концентрація електронів, їх розподіл по енергіях, а також електричне поле сильно неоднорідні по довжині страти. Електричне поле відносно велике в її основі (світиться частини) і низьке поза цією областю. В основі кожної страти електростатична пастка, яка при вертикальному положенні розрядної трубки здатна утримати дрібнодисперсні частинки всередині додатного стовпа розряду, а сильне радіальне поле перешкоджає їх випаданню на стінки розрядної трубки, оскільки вони мають високим плаваючий потенціал.

Частинки були видні як хмара в центрі страти. Зазвичай спостерігається одночасно декілька хмар в сусідніх стратах. Діаметр хмари складали 5-10 мм для скляних мікросфер і збільшувались до 20 мм для частинок А12О3. Частинки розташовувалися в 10-20 (для скляних мікросфер) і більше (для частинок А12О3) плоских шарах. У вертикальній площині вони формували цепочки. Відстані між шарами лежали в діапазоні 250-400 мкм, відстані між частинками в горизонтальній площині - 350-600 мкм, що відповідає концентрації частинок 103-104 см-3 [14].

На рис. 3, а наведено фрагмент горизонтального перерізу плазмово-пилового кристала з монодисперсних частинок меламінформальдегіда в розряді в суміші неону з воднем при тиску 0,8 Торр і силі струму 1.1 мА. На рис. 3, б для даної структури показана бінарна кореляційна функція g (r), що підтверджує існування далекого порядку в розташуванні частинок, що означає формування кристалічної структури.

Варіюючи параметри розряду (тиск і струм), можна змінювати форму хмари частинок. Так, зменшення розрядного струму і тиску веде до злиття двох найближчих еліптичних хмар в циліндричну структуру, розміри якої по вертикалі становлять кілька десятків сантиметрів (рис. 1).

Рис. 1 - Горизонтальний переріз плазмово-пильного кристалу в страті додатного стовпа тліючого розряду (а), та бінарна кореляційна функція g (r), для пильової структури (б)

Рис. 2 - Зображення скляних мікросфер у вертикальній площині розряду при силі струму і тиску: а - І = 0,5 мА, Р = 0, 47 Торр; б - І = 0,5 мА, Р = 0, 44 Торр; в- збільшений фрагмент циліндричної структури , показаної на рисунку б

При зміні струму може спостерігатися перехід від кристалічного стану в рідину і потім в газ - відбувається "плавлення" кристала. Так, для частинок А12О3 при тиску 0.3 Торр і силі струму 0.4 мА кореляційна функція виявляє далекий порядок з чотирма добре вираженими максимумами (рис. 5, а), що відповідає кристалічній структурі частинок. При збільшенні струму майже на порядок до 3.9 мА відбувається "плавлення" плазмового кристала і виявляєся лише ближній порядок, іншими словами, утворюється рідинна структура (рис. 3, б). Слід зауважити, що при цьому фазовому переході відстань між частинками, рівна 250 мкм, залишається практично незмінною [15].

Рис. 3 - Зображення хмар полідисперсних частинок А12О3 у вертикальній площині в неоні при різних значеннях сили струму та відповідній цьому розподілу частинок бінарна кореляційна функція

У випадку малих частинок збільшення їх числа при певних параметрах розряду призводить до формування структур, в яких співіснують різні області: сильного впорядковуння (плазмові кристали), з конвективним і коливальним рухом частинок (плазмово-пилова рідина) [16]. При цьому, як правило, в нижній частині структури спостерігаються коливальні рухи частинок у вертикальному напрямку (хвилі щільності частинок) з частотою 25-30 Гц і довжиною хвилі близько 1 мм при середньому відстані між частинками 200 мкм (рис. 4). Самозбуджуючі коливання такого роду можуть відповідати нестійкості пилезвукових коливань [17].

Рис. 4 - Впорядкована структура з монодисперсних частинок при розрядному струмі 5 мА і тиску 0,3 Торр (розмір кадру по вертикалі - 10,6 мм, діаметр частинок - 1,87 мкм)

Пилові структури в плазмі, утвореної при дії ультрафіолетового випромінювання, в умовах мікрогравітації. Плазма з додатньо зарядженими частинками може виникати і при опроміненні частинок в буферному газі потоком фотонів з енергією, яка перевершує роботу виходу фотоелектрона з поверхні частинок. При певних умов в такій системі можуть формувалось кристалічні структури. Характерно величина роботи виходу фотоелектрона для більшості речовин не перевищує 6 еВ, тому фотони з енергією <12 еВ можуть зарядити частинки, що не іонізуючи буферний газ, наприклад гелій або аргон.

Пилові структури при зарядці частинок сонячним випромінюванням досліджувалися в експериментах, виконаних в умовах мікрогравітації на орбітальному комплексі "Мир" [18]. Подібні умови неможливо створити в лабораторіях на Землі. Слід зазначити, що інтенсивні потоки ультрафіолетового випромінювання в космічному просторі можуть заряджати пилові частинки за рахунок фотоемісії, причому макрочастинки розміром в декілька мікрон набувають позитивний заряд порядку 102-104 елементарних зарядів.

Космічний експеримент проводився зі скляними ампулами, заповненими неоном, в яких перебували сферичні частинки бронзи з цезієвим покриттям при тиску 0.01 і 40 Торр. Ампула встановлювалася біля ілюмінатора станції "Мир", частинки висвітлювалися плоским лазерним пучком - "лазерним ножем", ширина якого не більше 200 мкм, і реєструвалися відеокамерою.

Оскільки частинки осідають на стінки ампули, то спочатку здійснювалося динамічний вплив (поштовх) на систему, а потім відбувалася релаксація частинок до вихідного стану - їх догляд на стінки. На рис. 8 наведено послідовність стану системи частинок в ампулі з тиском 40 Торр при висвітленні сонячним випромінюванням. Спостереження показали, що рух частинок, спочатку хаотичне, надалі стає спрямованим, причому в ампулі з високим тиском рух по певних траєкторіях проявляється більш чітко. У деяких експериментах зазначалося коливання частинок на тлі загального поступального руху, і у всіх експериментах при обробці траєкторій частинок були виявлені періодичні зміни їх швидкості. Такі зміни можуть бути пов'язані з флуктуаціями заряду частинок або з динамічним впливом мікроприскорень на борту космічної станції.

Ще один цікавий факт - освіта агломератів, кількість частинок в яких варіює від трьох-чотирьох до декількох сотень. При слабкому динамічному впливі агломерати можуть злітати зі стінок ампули. Основна їх частина формується в ампулі протягом декількох секунд після динамічного впливу, під впливом сонячного випромінювання агломерати розпадає. Агломерація частинок в ампулі може бути обумовлена тим, що в початкові моменти освітлення частинки набувають різнойменні заряди: позитивні за рахунок емісії фотоелектронів, негативні під дією потоків плазмових електронів, емітованих з інших частинок.

Аналізуючи динамічну поведінку макрочастинок, можна оцінити величину їх заряду, яка склала (1-3) х 104 елементарних зарядів. Незважаючи на такий високий заряд, сильну про ¬ просторову впорядкованість проте виявити не вдалося - частинки утворювали тільки рідинну структуру.

Рідкі структури в ядерно-збудженій пиловий плазмі. Проходячи через речовину, продукти ядерних реакцій створюють у своєму треку електрон-іонні пари, а також збуджені атоми і молекули. Плазмові згустки з високою щільністю пар утворюються у вузькій області треку зарядженої ядерної частинки, причому діаметр треку багато менше його довжини. Один осколок поділу породжує в треку до декількох мільйонів електрон-іонних пар, а одна альфа-частинка - до декількох сотень тисяч. Через декілька наносекунд після прольоту іонізуючої частки трек сильно розпливається, концентрація електронів падає на порядок. У зовнішньому електричному поле за декілька десятків наносекунд плазмовий згусток перетворюється на дрейфові потоки електронів та іонів. На макроскопічні частинки, що потрапили в ядерно-порушувану плазму, спрямовані потоки електронів та іонів. Внаслідок великої різниці в рухливості і енергії електронів та іонів потік електронів на частку значно перевищує потік іонів, і вона починає заряджатися негативно.

У більшості випадків енергії ядерних частинок достатньо, щоб прострілити наскрізь макрочастинку радіусом у кілька мікрон. У результаті її заряд через вторинної електронної емісії може різко змінитися не тільки по величині, а й за знаком, так як коефіцієнт вторинної електронної емісії досягає декількох сотень на один осколок поділу. Таким чином, заряд пилової частки формується в ході складних фізичних процесів з характерними часом від декількох наносекунд до декілька десятків.

В одному з перших експериментів з ядерно-збудженою пиловою плазмою для її створення використовувалося явище електронного бета-розпаду. З цією метою в каналі ядерного реактора проводилася активація твердих частинок, після чого вони ставали бета-активними. В іншому експерименті заряди на дрібнодисперсних підтвердих частинках з'являлися при проходженні через речовину альфа-частинок і осколків поділу ядер каліфорнія-252 [19, 20].

Досліджувалося поведінку частинок мікронних розмірів - сферичних монодисперсних частинок з полімерного матеріалу і полідисперсних частинок двоокису церію. Експерименти проводилися в неоні і аргоні при різних тисках в діапазоні (0.25-1.0) х 105 Па. При висипанні частинок з контейнера вони були видні як левітуюча хмара в міжелектродному просторі при напруженості електричного поля менше 10 В / см. В експериментах з полімерними частинками спостерігалися конусоподібні впорядковані структури (рис. 5, а), відповідна їм бінарна кореляційна функція, представлена на рис. 5, б, має максимум при відстані між частинками 130 мкм, що означає формування впорядкованої (рідинної) структури пилових частинок. Заряди левітуючих частинок спостережуваних в експериментах, оцінювалися в 300 елементарних зарядів.