Кинетика макрочастиц в упорядоченных структурах комплексной плазмы тлеющего разряда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат физико-математических наук Пискунов, Андрей Анатольевич

• Пискунов, Андрей Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пискунов, Андрей Анатольевич

Оглавление

Оглавление

Список основных обозначений и сокращений

Введение

ГЛАВА 1 Генерация упорядоченных плазменно-пылевых структур. Исследование условий их существования. Влияние условий на вид ППС

1.1 Обзор УППС, формируемых в стратах тлеющего разряда

1.2 Обзор УППС разного физико-химического состава

Заключение

ГЛАВА 2 Лабораторный программно-аппаратный комплекс исследования УППС

2.1 Автоматический вакуумный пост

2.2 Газоразрядная трубка и инжекция макрочастиц

2.3 Программно-аппаратный измерительный комплекс

2.3.1 Алгоритм получения и обработки изображений

2.3.2 Структура программы обработки данных

Заключение

ГЛАВА 3 Характеристики компонент УППС различных систем КДФ-плазмообразующий газ

3.1 Физические свойства порошка макрочастиц

3.2 Химический состав макрочастиц

ГЛАВА 4 Исследование характеристик движения отдельных частиц КДФ в пределах структуры

4.1 Межчастичные расстояния в УППС

4.2 Корреляции перемещения макрочастиц в структуре

4.3 Транспортные характеристики макрочастиц в структуре

Заключение

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Список основных обозначений и сокращений

УППС - упорядоченная плазменно-пылевая структура

ППО - плазменно-пылевое образование

ППС - плазменно-пьшевая структура

ПГ - плазмообразующий газ

КДФ - конденсированная дисперсная фаза

ПК - персональный компьютер

НЖМД - накопитель на жёстких магнитных дисках

PCI - peripheral component interconnect

ПО - программное обеспечение

ОС - операционная система

МАХ - Measurement & Automation eXplorer

JPEG - Joint Photographic Experts Group

HTML - Hypertext Markup Language (гипертекстовый язык разметки) ROI - region of interest

PAL - phase alternate line (построчное изменение фазы) NTSC - National Television Standards Committee ЦАП - цифроаналоговый преобразователь

SDRAM - synchronous dynamic random access memory (синхронная динамическая память с

произвольным доступом)

ОЗУ - оперативное запоминающее устройство

RGB - red, green, blue

HSL - hue, saturation, lightness

ВП (VI) - виртуальный прибор (virtual instrument)

R - радиус макрочастицы

R-i p - радиус разрядной трубки

А - межчастичное расстояние

v - скорость макрочастицы

RMt2 - среднеквадратичное смещение макрочастиц

D - коэффициент диффузии макрочастиц

I - разрядный ток

р - давление плазмообразующего газа

к - постоянная Больцмана

so - диэлектрическая постоянная

- коэффициент трения со - частота электростатических колебаний макрочастиц р - плотность материала макрочастицы Т - температура газа Цс - подвижность электронов п - концентрация макрочастиц П] - концентрация ионов пе - концентрация электронов Ъ - зарядовое число е - заряд электрона та - масса макрочастицы Та - кинетическая температура макрочастиц

Основные результаты получены и оформлены под руководством доктора физико-математических наук профессора Анатолия Диамидовича Хахаева.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика макрочастиц в упорядоченных структурах комплексной плазмы тлеющего разряда»

Введение

Объектом исследования данной работы является плазма тлеющего разряда, содержащая частицы конденсированной дисперсной фазы (КДФ или макрочастицы). В такой многочастичной системе возникает специфическое коллективное взаимодействие между разными сортами частиц, которое приводит к образованию разнообразных структур [1]. При некоторых условиях в разрядной плазме с КДФ самопроизвольно могут возникать более или менее упорядоченные структуры из макрочастиц [2-3]. Такую форму организации вещества в литературе принято называть комплексной (пылевой) плазмой [4-7]. В новом контексте возникает проблема многих тел, в связи с чем требуется исследовать кинетику частиц, которая отражает внутренние процессы коллективного взаимодействия между частицами, приводящие к образованию комплексной плазмы как особой формы организации вещества, отличной как от классического дисперсного состояния, так и от классической плазмы, и других форм и состояний (кварк-глюонная плазма, ядерное вещество, атомарное и молекулярное вещество, органическое вещество, живая материя).

Возможность формирования упорядоченных структур макрочастиц в плазме была предсказана 1кег1 (1986) [8], а впервые в лабораторных условиях УППС были получены в плазме ВЧ-разряда низкого давления при комнатной температуре [9-12] в 1994 г.. С этого времени началось интенсивное изучение упорядоченных плазменно-пылевых структур. Получить подобные структуры в плазме тлеющего разряда постоянного тока успешно удалось группе А.П. Нефедова (1996) [13] в стратах тлеющего разряда, и вскоре после этого группе японских ученых - Б. Ыипотига, N. 01то и Б. Такатига (1997) [14] - в слое анодного свечения. УППС были экспериментально получены в термической плазме атмосферного давления [15], в ядерно-возбуждаемой плазме [16], в несамостоятельном разряде, контролируемым пучком быстрых электронов [17-18], при криогенных температурах [19], плазме сгорания твердых топлив [20], плазме безэлектродного индукционного разряда [21], плазме протонного пучка [22-23]. Формирование упорядоченных структур заряженных макрочастиц имеет место в электростатических вакуумных ловушках [24-25], но в этом случае условия создаются специально (ловушка Пеннинга), таким образом, чтобы получить необходимое распределение электрического поля. Для комплексной плазмы характерно то, что природа взаимодействия её компонент позволяет формировать структуру без специальных внешних условий.

Комплексная плазма широко распространена в природе и может являться неотъемлемой частью технологического процесса. Появление макрочастиц в плазме приводит к формированию разнообразных процессов: взаимодействие макрочастицы с ионами и электронами приводит к тому, что макрочастица приобретает электрический заряд, передача энергии от плазмы к макрочастице осуществляется через колебания плазмы, макрочастица теряет энергию при столкновениях с нейтралами газа, отрицательный заряд на поверхности макрочастицы приводит к формированию потоков массивных положительных ионов, направленных к макрочастице, и др. Исследование этих и других процессов имеет большое значение в контексте таких критических направлений физики как генерация энергии (токамаки [26-28], МГД-генераторы, фотовольтаические источники [29], лазеры [30] и др.), получение новых материалов (в т.ч. тонких плёнок) и нанотехнологии [31-34], эволюция космических объектов (галактики, газопылевые облака, звёзды, планетные системы и др. [3544], плазменная обработка (в т.ч. плазменное травление микросхем), экология и исследования атмосфер планет [45] и ближнего космоса [46]. Лабораторная комплексная плазма может быть использована как физическая модель [4, 47-49] процессов и явлений недоступных для экспериментального исследования (явления космического масштаба [50]), либо объектов микро- и наномира (сложные органические соединения типа спиралевидной молекулы ДНК [51]). Появление комплексной плазмы как объекта для научного исследования стимулирует изучение процессов взаимодействия плазмы с веществом и плазмохимии, а также разработку новых инструментов диагностики комплексной плазмы.

Несмотря на широкую распространенность и полезность данного явления, несмотря на обилие публикаций по этому поводу, структура комплексной плазмы и причины, приводящие к формированию упорядоченных плазменно-пылевых образований, остаются далеко не ясными. На сегодня не существует методов достоверного установления распределения потенциала и заряда, потоков частиц, вызванных неоднородностью параметров в комплексной плазме, поэтому предлагаются всё новые модели, при этом развитие эксперимента сильно отстаёт от теоретических построений. Несмотря на многочисленные публикации [12, 52-56 и мн. др.] посвященные исследованию такого важного процесса как зарядка макрочастиц, до сих пор существует проблема экспериментального определения заряда макрочастиц in situ, в связи с чем проблема применимости той или иной модели зарядки остается актуальной [5]. А ведь именно большое значение величины заряда макрочастиц и его непостоянство как во времени так и в пространстве определяет появление новых свойств плазмы, позволяющих формировать упорядоченные структуры в пылевой плазме. Неопределенность с механизмом зарядки и в величине заряда макрочастицы

приводит к неопределенности структуры электрического поля в комплексной плазме. Ничтожно мало экспериментальных работ [57-60], в которых уделяется внимание исследованиям роли компонентного состава комплексной плазмы на свойства УППС, с чем, в частности, связана проблема создания и контроля вакуумных условий, которые также остаются без должного внимания. Экспериментальных исследований посвященных кинетике макрочастиц в комплексной плазме тлеющего разряда тоже крайне мало [61-63]. Так, в частности, не было проведено никаких экспериментальных исследований корреляции перемещения макрочастиц в структуре. Недостаточно данных о межчастичных расстояниях в УППС [153,154].

Совокупное и взаимосвязанное протекание многочисленных процессов, распределение полей и зарядов проявляется в движении макрочастиц, структуре и излучении комплексной плазмы, данные о которых могут сравнительно легко быть получены из эксперимента. Благодаря относительно большим размерам макрочастиц и большому межчастичному расстоянию наблюдение за движением макрочастиц можно проводить в рассеянном на частицах излучении в оптическом диапазоне длин волн. При этом можно наблюдать всю структуру целиком, сечение структуры, либо движение отдельных макрочастиц.

Кинетика макрочастиц в УППС тлеющего разряда экспериментально исследовалась сравнительно мало, в отличие от комплексной плазмы ВЧ-разряда, что отражает весьма малое число публикаций по этой проблеме (работы [64-73, 7, 62] и некоторые другие). Тлеющий разряд традиционно используется для исследования процессов протекающих в плазме. В связи с возможными применениями представляет большой интерес построение модели изучаемой плазмы, по этому поводу можно указать работы, освещающие отдельные стороны этого вопроса [74-76]. Возможность получать протяженные трехмерные структуры [77] и структуры со свободной границей [19, 78] в тлеющем разряде даже в условиях земной гравитации также имеет прикладной и фундаментальный интерес, в связи с чем проявилась проблема техники распознавания объектов и слежение за ними в течение длительного времени в трехмерных структурах однородных объектов, требующего разработки более совершенных средств исследования.

Цель диссертационной работы. Исследование закономерностей структурообразования и поведения макрочастиц в УППС разного состава «материал конденсированной дисперсной фазы - плазмообразующий газ» (КДФ-ПГ) в широком диапазоне плазменных условий в тлеющем разряде постоянного тока.

Научная новизна работы заключается в том, что получены новые экспериментальные данные о характере движения и пространственном расположении макрочастиц в УППС в

комплексной плазме тлеющего разряда при малых плотностях постоянного тока (19-94 мкА/см2) и низких давлениях газа (60-600 Па-см) в зависимости от параметров разряда для различных систем КДФ-ПГ: Аг+АЬОз, Ые+А^Оз, Аг+2п, - позволяющих судить о силах межчастичного взаимодействия, которые удерживают УППС от распада и определяют их свойства. На основе полученных данных был проведен комплексный анализ влияния плазменных условий и состава комплексной плазмы на параметры УППС. Разработан пакет оригинальных компьютерных программ, позволяющий организовать сбор и обработку экспериментальных данных с помощью оборудования захвата видеоданных.

Научная и практическая ценность заключается в том, что результаты исследований могут служить экспериментальной базой для проверки достоверности математических гипотез в рамках развития теории плазменно-пылевых структур. Результаты анализа полученных данных дают информацию об эволюции структур макрочастиц с изменением действующих условий, а также дают возможность связать характеристики индивидуальных веществ с параметрами УППС.

Положения, выносимые на защиту.

1) Комплекс фактических данных о состоянии УППС комплексной плазмы тлеющего разряда в диапазоне действующих условий: )= (19-94 мкА/см2) и рЯтр =(60-600 Па-см), -для систем КДФ-ПГ разного состава: Аг+АЬОз (<Я>=23 мкм), Ые+АЬОз (<К>=23 мкм), Аг+гп (<Я>=8 мкм), Аг+7л1 (<Я>=28 мкм):

) определены положения макрочастиц и средние межчастичные расстояния в УППС в

зависимости от действующих условий: давление ПГ, разрядный ток; ) определены скорости перемещения макрочастиц в УППС в зависимости от

действующих условий: давление ПГ, разрядный ток; ) определены коэффициенты диффузии макрочастиц в УППС для различных разрядных

условий: давления ПГ и плотности разрядного тока; ) определен коэффициент термического расширения; величина коэффициента линейного термического расширения УППС отрицательна.

2) Корреляции перемещений макрочастиц в УППС, нормальное распределение макрочастиц по скоростям.

3) Пакет алгоритмов и программ, используемый в системе компьютерного зрения, для автоматизированного получения и обработки данных о положениях макрочастиц в последовательные моменты времени.

Апробация работы. Содержание работы было представлено в виде устных и стендовых докладов на Всероссийском симпозиуме молодых ученых, студентов и аспирантов

«Фундаментальные проблемы приложений физики низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2005), XVI Международной конференции по газовым разрядам и их приложениям (Xi'an, Китай, 2006), 3й Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (Томск, 2007), Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2007), Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LABVIEW и технологии National Instruments» ESEA-NI-07, (Москва, 2007), V Международной конференции по физике пылевой плазмы (Понта Дельгада, Азоры, Португалия, 2008), V Всероссийской конференции «Физическая электроника» (Махачкала, 2008), XII Школе молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школе-семинаре «Инновационные аспекты фундаментальных исследований» (Москва, ФИАН, 2008), III Всероссийской молодёжной школе-семинаре с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (Москва, 2009), XIII Международной конференции по физике неидеальной плазмы (Черноголовка, Москва, 2009), 3 й Международной конференции «Пылевая плазма и её приложения» (Одесса, Украина, 2010), VII Российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды» (Москва, НИЯУ МИФИ, 2010), Всероссийской (с международным участием) конференции «Физика низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 2011), VI Международной конференции по физике пылевой плазмы (Гармиш-Партенкирхен, Германия, 2011). Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1 .Piskunov, A. A. Control of properties of ordered plasma-dust structures/ A. A. Piskunov, A. D. Khakhaev // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. - 2010. - vol. 37, № 1. - P. 20-22,

2.Пискунов, А. А. Модификация свойств плазменно-пылевых структур и микрочастиц в комплексной плазме/ Н. Н. Жариков, А. А. Пискунов, С. Ф.Подрядчиков и др.//Ученые записки ПетрГУ. Серия: естественные и технические науки. - 2010. - № 6 (111). - С. 99-108,

3.Пискунов, А. А. О роли компонентного состава комплексной (пылевой) плазмы в формировании упорядоченных структур макрочастиц / А. А. Пискунов // Физическое образование в вузах. - 2011. - т. 17, № 1. — П7,

4.Пискунов, А. А. Управление свойствами упорядоченных плазменно-пылевых структур/ А. А. Пискунов, А. Д. Хахаев //Краткие сообщения по физике. -2010. -№ 1. - С. 35-38,

5.Пискунов, A.A. Видеонаблюдение упорядоченных структур в плазме тлеющего разряда/ A.A. Пискунов, A.B. Пушкарев // Материалы всероссийского симпозиума молодых ученых, студентов и аспирантов «Фундаментальные проблемы приложений физики

низкотемпературной плазмы» (Петрозаводск, 5-11 сентября 2005 г.)/отв. ред. А.Д.Хахаев. -Петрозаводск, 2005. - 290 с. С.264-266,

6.Piskunov, А.А. Movement of macroparticles in particle structures/ A.D. Khakhaev, L.A. Luizova, A.A. Piskunov et al.// GD 2006: Proceedings of the XVI International Conference on Gas Discharges and their Applications. - Xi'an, China, September 11-15, 2006. - vol.1. - P.341-344,

7.Пискунов, A.A. Исследование структуры плазменно-пылевых образований/ А.В. Бульба, JI.A. Луизова, А.А. Пискунов и др. //Физика низкотемпературной плазмы - 2007: материалы Всероссийской (с международным участием) конференции (24-28 июня 2007 г.): в 2 т. /отв. ред. А.Д.Хахаев. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2007. - Т.2 - С. 214-218,

8.Пискунов, А.А. Исследование кинетики движения макрочастиц в упорядоченных плазменно-пылевых структурах/ А.А. Пискунов // Труды Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LABVIEW и технологии National Instruments» ESEA-NI-07 (23 - 24 ноября 2007 г., Москва). М.: Изд-во РУДН, 2007. - секция 3. - С. 28-31,

9.Пискунов, А.А. Корреляции движения пылевых частиц в плазме тлеющего разряда/ А.А. Пискунов // Физика и химия высокоэнергетических систем: сб. материалов III Всероссийской конференции молодых ученых (24-27 апреля 2007 г., г. Томск). - Томск: ТМЛ-Пресс, 2007. - С. 412-413,

10.Piskunov, А.А. Correlations of Macroparticle Movements In Dusty Plasma Structure/ A.D. Khakhaev, L.A. Luizova, A.A. Piskunov et al.// AIP Conference Proceedings: Multifacets of Dusty Plasmas V International Conference on Physics of Dusty Plasmas (Ponta Delgada, Azores, Portugal 18-23 May 2008)/ by ed. J.T. Mendonca, D.P. Resendes, P.K. Shukla. - Melville, New York: AIP, 2008.-vol. 1041.-P. 309-310,

11 .Piskunov, A.A. Structural Analysis of Dusty Plasma Formations Based on Spatial Spectra/ A.D. Khakhaev, L.A. Luizova, A.A. Piskunov et al. // AIP Conference Proceedings: Multifacets of Dusty Plasmas V International Conference on Physics of Dusty Plasmas (Ponta Delgada, Azores, Portugal 18-23 May 2008)/by ed. J.T. Mendonca, D.P. Resendes, P.K. Shukla. - Melville, New York: AIP, 2008. - vol. 1041. - P. 307-308,

12.Пискунов, A.A. Исследование структуры плазменно-пылевых образований с помощью пространственных спектров/ Л.А. Луизова, А.А. Пискунов, С.Ф. Подрядчиков и др.// Ученые записки петрозаводского государственного университета. Серия: естественные и технические науки. - 2008. - № 4 (96). - С. 96-99,

13.Piskunov, A.A. Movement of macropartieles in ordered structures of various composition/ A.D. Khakhaev, A.A. Piskunov, S.F. Podryadchikov // Proceedings 3rd international Conference on The Dusty and Burning Plasmas. - Odessa, Ukraine. - 2010. - P. 60-62,

14.Piskunov, A.A. Growth of elongated dusty structures in gas discharge plasma/ A.D. Khakhaev, A.A. Piskunov, S.F. Podryadchikov // Proceedings 3rd International Conference on The Dusty and Burning Plasmas. - Odessa, Ukraine. - 2010. - P. 63-67,

15.Пискунов, A.A. Машинное зрение для диагностики поведения макрочастиц в упорядоченных структурах комплексной плазмы/ A.A. Пискунов, С.Ф. Подрядчиков, А.Д. Хахаев // Материалы VII российской конференции «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды». Москва, 30 ноября -2 декабря 2010 г. М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - С. 83-86,

16.Пискунов, А. А. Кинетика макрочастиц в упорядоченных плазменно-пылевых структурах комплексной плазмы тлеющего разряда/ JI. А. Луизова, А. А. Пискунов, С. Ф. Подрядчиков и др.//Физика низкотемпературной плазмы - 2011: материалы Всероссийской (с международным участием) конференции (21-27 июня 2011 г.): в 2 т. /отв. ред. А.Д.Хахаев. -Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2011. - Т.2 - С. 219-225,

а также в научно-технических отчетах:

17.рук. Хахаев А. Д.; исполн.: Владимиров В.И., Депутатова JI.B., Логинова С.В., Луизова Л. А., Пискунов A.A., Подрядчиков С. Ф., Соловьев А. В., Никифорова Т.А. -Фундаментальные проблемы физики и приложений комплексной низкотемпературной плазмы [Текст]: отчет о НИР (промежут.)// Петрозаводский госуниверситет Петрозаводск, 2006. - 53 с. Библиогр.: с. 52-53. -№ ГР 0120.0603101. - Инв. № 0220.0801352,

18.рук. Хахаев А. Д.; исполн.: Луизова Л. А., Пискунов A.A., Подрядчиков С. Ф., Соловьев А. В., А. В., Щербина А. И., Шелестов А. С., Филимонков А. Н., Семенов А. В., Никифорова Т.А. - Фундаментальные проблемы физики и приложений комплексной низкотемпературной плазмы [Текст]: отчет о НИР (промежут.)// Петрозаводский госуниверситет Петрозаводск, 2007. - 41 с. Библиогр.: с. 32. - № ГР 0120.0603101. - Инв. № 0220.0801352,

19.рук. Хахаев А. Д.; исполн.: Луизова Л. А., Пискунов A.A., Подрядчиков С. Ф., Соловьев А. В., Щербина А. И., Логинова С. В., Бульба А. В., Шелестов А. С., Филимонков А. Н., Семенов А. В. Фундаментальные проблемы физики и приложений комплексной низкотемпературной плазмы [Текст]: отчет о НИР (заключит.)// Петрозаводский госуниверситет; - Петрозаводск, 2007. - 89 с. Библиогр.: с. 87-89. - № ГР 0120.0603101. -Инв. №0220.0801352,

20.рук. Хахаев А. Д.; исполн.: Луизова Л. А., Пискунов А. А. [и др.]. Фундаментальные проблемы физики и приложений комплексной низкотемпературной плазмы [Текст]: отчет о НИР (заключит.)// Петрозаводский госуниверситет; - Петрозаводск, 2008. - 74 с. Библиогр.: с. 72-74. -№ ГР 0120.06 03101. -Инв. № 0220.09 00974,

и тезисах конференций:

21.Пискунов, A.A. Экспериментальные исследования феномена упорядоченных пылевых структур в комплексной плазме/ A.A. Пискунов, С.Ф. Подрядчиков, A.B. Семенов и др. // Физическая электроника: Материалы V Всероссийской конференции ФЭ-2008. -Махачкала: ИПЦ ДГУ, 2008. - С. 298,

22.Пискунов, A.A. Физика плазменно-пылевых кристаллов/ Л.А. Луизова, A.A. Пискунов, С.Ф. Подрядчиков и др.// Тезисы XII Школы молодых ученых «Актуальные проблемы физики» и II Школы-семинара «Инновационные аспекты фундаментальных исследований» (23-27 ноября 2008 г.). - М.: ФИАН, 2008. - С. 21-22.

23.Пискунов, A.A. Управление свойствами упорядоченных плазменно-пылевых структур/ A.A. Пискунов, А.Д. Хахаев // III Всероссийской молодёжной школы-семинара с международным участием «Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики» (25-30 октября 2009 г.): аннотации докладов. - М.: Изд-во ФИАН. - 2009. - С. 47,

24.Piskunov, A.A. Macroparticle motion in ordered dusty plasma structure/ A.A. Piskunov, S.F. Podryadchikov, A.D. Khakhaev et al. //XIII International Conference on Physics of Non-Ideal Plasmas (September 13-18, 2009, Chernogolovka, Russia): book of abstracts. - Chernogolovka: изд-во ИПХФ PAH. - 2009. - P. 105.

Благодарности. В период 2006-2008 гг. работа выполнялась при финансовой поддержке по гранту RUX0-000013-PZ-06/B2M413 (НОЦ «Плазма») Американского фонда гражданских исследований и развития, а также Министерства образования и науки РФ и правительства Республики Карелии, в 2011 г. - поддержана в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК №14.740.11.1106).

За обсуждение и деятельное участие сотрудникам кафедры информационно-измерительных систем и физической электроники Петрозаводского государственного университета Л. А. Луизовой, С. Ф. Подрядчикову, А. И. Щербине.

Специальная благодарность сотрудникам кафедры твердого тела Петрозаводского государственного университета Л. А. Алешиной и Д. В. Логинову за проведение рентгенографического исследования структуры порошков.

ГЛАВА 1 Генерация упорядоченных плазменно-пылевых структур. Исследование условий их существования. Влияние условий на вид ППС.

Для формирования плазменно-пылевых структур необходимы две компоненты: плазменное образование и макрочастицы. При соединении двух этих составляющих вместе образуется новая форма организации вещества. Как проявляет себя это вещество и каковы условия его возникновения и существования предстоит рассмотреть в данной главе.

Отличие вещества в состоянии плазмы от газа связывают обычно с двумя факторами: коллективное взаимодействие и появление новых свойств, обусловленное появлением объемного заряда и токов, вызываемых взаимодействием с электрическими и магнитными полями. Всё это остаётся верным и для комплексной плазмы, только на качественно ином уровне, т.к. качественно меняется состав заряженных частиц. На коллективные процессы в плазме существенным образом начинает влиять присутствие макрочастиц, которые кардинально модифицируют свойства плазменной среды. Макрочастица, попадая в плазму, неизбежно приобретёт отрицательный заряд при отсутствии эмиссионных процессов с её поверхности. Современные оценки показывают, что в газоразрядной плазме низкого давления и малых токов в отсутствие внешних воздействий заряд может изменяться в пределах ()~103-104е.

Заряд макрочастицы сильно искажает электрическое поле в пространстве около неё, вследствие чего формируются сложные структуры заряда, поля, массы, потоков частиц. Относительно большой заряд и масса (инертность) макрочастиц приводит к тому, что в комплексной плазме возникают собственные характерные пространственные и временные масштабы в результате самосогласованного взаимодействия всех её компонент: положительных ионов, электронов, нейтральных атомов, макрочастиц, электрического поля, -что проявляется в расположении и движении макрочастиц. Другими словами, в комплексной плазме существуют свои внутренние особенности, которые порождают особенности формирования объемных зарядов, и связанные с ним потоки вещества (или его колебания).

1.1 Обзор УППС, формируемых в стратах тлеющего разряда.

Плазма может быть получена в широком диапазоне условий, но не при любых плазменных условиях возможно образование УППС. Температура окружающего газа может принимать значения от криогенных порядка нескольких К (плазма криогенного разряда, темные газо-пылевые облака) до ~ нескольких тысяч К (термическая плазма пламен, плазма

токов размыкания высоковольтных выключателей, пылевые оболочки новых), т.е. температуры, когда вещество макрочастиц еще может существовать в конденсированном состоянии (пылинки, капли). Концентрация нейтралов может варьироваться от 1013 см3 (на

20 3

средних высотах в ионосфере) до ~10 см" . Концентрация заряженных плазменных частиц может варьироваться также в широких пределах от 106 см"3 (в ионосфере) до 1016-1017 см"3 (термоядерный реактор).

Макрочастицы могут возникать в плазме самопроизвольно, либо инжектироваться специально. Самопроизвольное возникновение макрочастиц обычно происходит в химически активных смесях газов, в результате конденсации паров какого-либо материала, как продукт травления или распыления. Для исследования процессов и явлений в контролируемых условиях обычно прибегают к инжекции макрочастиц в плазму. Это позволяет вводить в плазму материалы с заранее известными свойствами. Инжекция макрочастиц может быть необходима также для того, чтобы ввести материал в измельченном состоянии для различных технологических операций.

К настоящему времени сравнительно большее внимание уделяется исследованию комплексной плазмы ВЧ-разряда, в которой возможно образование как двумерных упорядоченных пылевых структур, так и трехмерных структур.

Помимо комплексной плазмы ВЧ-разряда представляет интерес комплексная плазма тлеющего разряда, где процессы ионизации поддерживаются постоянной разностью потенциалов приложенной между электродами. Интерес этот имеет как прикладное значение (тлеющий разряд имеет ряд приложений в качестве источника излучения, в технологиях травления и напыления), так и фундаментальное, связанное с возможностью проводить материаловедческие исследования плазменной среды. Более того, как было показано в работе [77], есть практическая возможность получать протяженные структуры макрочастиц, распространяющиеся за пределы плазменной ловушки, где они начинают формироваться и заполняющие все пространство положительного столба разряда. Экспериментально доказано, что в земных условиях можно получать структуры не привязанные изначально к плазменной ловушке, т. н. структуры со свободной границей (рис.1 и рис.2), что является экспериментальным свидетельством проявления плазменно-пылевого вещества «в чистом виде» (без влияния электрического поля плазменной ловушки - внешнего по отношению к плазменно-пылевому образованию). На сегодня существуют некоторые объективные трудности исследования подобных структур, например, короткое время их жизни и не регулярность их появления.

Рисунок 1 Формирование структуры под действием ВЧ-импульса длительностью I МО мс к слабом потоке газа с исходными параметрами тлеющего разряда при давлении 60 Па, разрядном токе 1 мА, при комнатной температуре [78]; стрелками показано направление дрейфа макрочастиц.

Рисунок 2 1, 2, 3) наблюдение пылевых структур (показано стрелкой) при температуре жидкого гелия 4.2 К при параметрах разряда [=0.5 niA, N—1.6*10' cm"3; a. b, с) изображение ел ела оставляемого движущейся структурой па поверхности газоразрядной трубки; d) увеличенное изображение следа с) 119].

Для исследований ППО в наземных лабораториях требуются необходимые условия не

только для создания плазменной среды, но также и для удержания массивных макрочастиц в

гравитационном поле. Результаты первых экспериментов, в которых было осуществлено формирование НПО в плазме тлеющего разряда, были опубликованы в работе [13]. Захват макрочастиц происходит в «голове» страты, области с наибольшим градиентом напряженности электрического поля, смещенной в сторону катода относительно области максимального свечения страты, благодаря чему удастся скомпенсировать действие гравитации на макрочастицы. Радиальный градиент поля препятствует уходу макрочастиц на стенки трубки. Радиальное распределение поля в слоистом столбе такое же как в однородном, и разность потенциалов между осью разряда и стенкой близко к падению потенциала па длине страты (-10-20 В).

Рассмотрим далее, что происходит с плазм еино-пылевыми образованиями в тех или иных условиях значимых для их формирования и существования. Как было сказано выше, существуют вполне очевидные ограничения, накладываемые на условия, в которых могут быть сформированы НПО. Эти ограничения связаны, во-первых, с энергией вкладываемой в плазмеш!о-пылевое вещество по различным каналам, а во-вторых, с концентрацией частиц комплексной плазмы. Изменение энергий и концентрации частиц плазмы (ионы, электроны, нейтралы, макрочас тицы) сказывается на виде структуры, образующейся из макрочастиц, и на поведении макрочастиц. Ниже приведен обзор экспериментов по исследованию УППС в стратах тлеющего разряда.

Концентрацию электронов, например, можно регулировать путем варьирования плотности тока протекающего сквозь плазменио-пылевую структуру:

1~еиепе0,

где е - элементарный заряд. ье - дрейфовая скорость электронов в электрическом поле, псо -концентрация электронов вблизи оси разряда.

Увеличение концентрации электронов может изменить заряд макрочатсиц и тем самым взаимодействие между макрочастицами. С другой стороны, в работах учитывают неоднородный разогрев массивных нейтралов за счет ион-нейтральных столкновений. Изменение одного и того же параметра (плотности тока) приводит к разным проявлениям плазменно-пылевого вещества разного физико-химического состава (сравнить, например, рис.3 - рис.6). Для воздуха и инертных газов изменение структурных параметров: форма, объем, концентрация макрочастиц - протекает по-разному.

Рисунок 3 Изменение структуры поперечного сечении структур составленных из макрочастиц в плазме при изменении разрядного тока для сочетаний ГХГ-КДФ: 1\е+Л12СЬ (0 3-5 Мкм) а) 0.4 мА, б) 0.9 мА, в) 3.85 мЛ при давлении ПГ р=0.3 торр [2|,

!. мЛ

И П.5 1,11 Ы5 2Л) ±:> я,о

:Н)

1Î4 l'ij

Рисунок 4 Изменение формы продольного сечения структур составленных нз Макрочастиц в плазме при изменении разрядного тока для сочетаний ПГ-КДФ: воздух+ АЬО, (0 3-10 мкм) при давлении ПГ р=0.2-0.8 торр |79|.

Рисунок 5 Изменение структуры поперечного сечения плазмеппо-пылевого образования при изменении разрядного тока для сочетаний ПГК'ДФ: воздух !-А1 (0 1-5 мкм) а) 0.4 мА, б) 1.2 мА, в) 1.6 мА, в) 3.0 мА прн давлении ПГ р=0.1-0.2 торр [80|.

* *

.. » .» »* I »•«*

! •* jf. * * ■ • • ** • -. _ • .* а ,.

Я

Рисунок 6 Изменение структуры поперечного сечения структур, составленных из макрочастиц в плазме, при изменении разрядного тока для сочетаний ПГ-КДФ: воздух+MgO (Ö 5-20 мкм) а) 1.0 мА, Г>) 1.4 мА, в) 1.8 »1А при давлении ИГ р 0.1-0.2 торр |80].

Увеличение концентрации электронов по-разному проявляется в разных газах: в плазме воздуха это приводит к изменению формы НПО (рис. 4) и образованию внутреннего войда (рис. 5. 6). в то время как в инертных газах - к перестройке макрочастиц внутри структуры в горизонтальном сечении без существенного изменения межчастичного расстояния (рис. 3 и табл. 3, 4}.

В работе [81] используется другая часть разряда, а именно - ионный приэлектродпый слой, в котором формируются однослойные структуры. Дополни тельная инжекция электронов в эту область приводит к упорядочению (рис. 7) макрочастиц, где в качестве критерия упорядочения используются ячейки Вороного. При этом межчастичное расстояние изменяется от 330 мкм (рис. 7а) до 200 мкм (рис. 7с). Здесь явно видна разница между У1ТПС, получаемых в разных частях разряда.

Рисунок 7 Слева: изменение структуры однослойных структур, составленных из макрочастиц в плазме, в ионном слое нрн дополнительной ннжскиин электронов для сочетаний ПГ-КДФ: А г+мети л мета к р ил ат (0 10±0.1 мкм). Ток ннжскиин а) 0.6 мЛ, о) 1.0 мА, в) 1,2 мА при давлении ПГ р=0.13 торр. Справа: анализ структуры с помощью ячеек Вороного [811.

Увеличение энергии электронов приводит к более интенсивному движению

макрочастиц. За одинаковое время - время экспозиции — отдельная частица совершает большее число перемещений, т.е. траектория ее движения покрывает большую площадь -«жирные» пятна в центральной области ГТГТО на рис. 86. Сформированный узкий пучок выефшэнергетических электронов «разогревает» центральную часть структуры макрочастиц, а периферийные области ПП07 в свою очередь, остаются относительно спокойными.

Рисунок 8 Изменение структуры поперечного еечення структур составленных из макрочастиц в плазме при воздействии электронным пучком, формируемым с помощью полого катода, для сочетаний ПГ-КДФ: возду\+М°0 (0 5-20 мкм) для разрядного тока а) 03-0,6 мА, б) 0.6-2.0 мА при давлении IIГ р=0.2 торр |82|.

Другой канал притока энергии в структуру, не связанный с предыдущим в случае низкотемпературной неравновесной плазмы, - это нагрев нейтралов газа. На нагрев ПГ10 реагирует внутренней перестройкой своей структуры и сопровождается изменением плотности структуры из макрочастиц, что особенно явно видно в экспериментах с криогенными температурами, когда плотность меняется значительно (рис.10,11).

Эксперименты с температурными воздействиями производились либо путем локального нагревания/охлаждения, либо в термостате.

Локальный нагрев приводит к появлению градиента температуры, отклик на который может быть различным для 11ПО, составленных из разных комбинаций ПГ-КДФ, - это или изменение формы структуры (рис. 9). или изменение внутреннего строения (рис. 12). Для плазмы воздуха охлаждение стенок газоразрядной трубки (как показано на рис. 9) па 20 К деформирует структуру и в конечном счете приводит к разделению НПО на две части, симметрично расположенные относительно оси разрядной трубки (рис. 96 крайний справа). При разъединении среднее межчастичное расстояние не меняется, в то время как суммарная площадь сечения по сравнению с исходной (рис. 96 крайний слева) сокращается в два раза.

Локальное охлаждение в плазме смеси Ие+Нг (3:1) приводит к перестройке внутренней структуры (рис. 12). Охлаждение осуществляется с помощью «небольших холодильников - цилиндров диаметром 2 см. и высотой 6 см., находящихся при 0°С. располагаемых напротив страты со структурой ... Варьируя число холодильников, их расположение и расстояние до стенки трубки посредством азимутального несимметричного термофоретического воздействия можно создавать линейные границы, а также изменять величину угла между их элементами ... » [83]. В этом эксперименте наглядно можно увидеть разницу, если сравнить поперечные сечения ППО (рис. 12): гексагональная ячейка (крайний слева и центральный) и «квадратная» ячейка (крайний справа), при этом перестройка происходит без какого-либо заметного изменения среднего межчастичного расстояния.

Эксперименты с термостатами были проведены в широком диапазоне температур [84]: комнатной температуре (рис, 10а), температуре жидкого азота (77 К) (рис. 106), температурах 25-50 К и температуре жидкого гелия (4.2. К). Понижение температуры в термостате сопровождается уменьшением межчастичного расстояния (рис. 11) от -600 мкм до -30 мкм.

Из экспериментов с температурными воздействиями можно сделать важный вывод о том, что термофоретичсское воздействие приводит к перестройке внутренней структуры без заметного изменения её плотности (или межчастипого расстояния), тогда как изменение температуры термостата приводит к изменению плотности структуры.

".-и- V ■

•».v

".¿Г;

Рисунок 9 а) I- газоразрядная трубка, 2 и 3 - мнкрохолодильннкн, 4 — ППО. б) Изменение структуры поперечного сечения структур составленных из макрочастиц в плазме при изменении температуры от комнатной в сторону понижения на 21) К для сочетаний ПГ-КДФ: воздух+МцО (0 3-5 мкм) для [■оков 0.25-1.0 мА нрн давлении ПГ р=0.Г0.5торр [85].

ЩШ

» I« * * * %; * \

У.' - 41- .

I - .

Рисунок 10 Изменение структуры продольного сечения структур составленных из макрочастиц в плазме нрн изменении температуры ПГ для сочетаний ПГ-КДФ: Не+полнстирен {0 5,44±0.09 мкм) а) 300 К, б) 77 К при разрядном токе 0.5 мА и концентрации нейтралов N=6.4*10"' см"'1 [19].

М КМ

Рисунок 11 Зависимость межчастичного расстояния он температуры для Г1ПС «Не+полнсдирольпые

сферы» |84[.

Рисунок 12 Изменение структуры поперечного сечения структур составленных из макрочастиц в плазме в присутствии нагревателя для сочетаний ПГ-КДФ: 1Че+Нг (3:1) + УТЧЬОз (0 1 мкм) при разрядном токе 1.3 мА и давлении ПГ р=0.9 торр (83].

Для выяснения особенностей НПО очень показательны эксперименты с магнитным полем. Помещая ППО магнитное поле, можно наблюдать вращение НПО, При этом было установлено, что скорость вращения макрочастиц структуры прямо пропорциональна расстоянию от оси вращения

щ, = оЖш.

т.е. структура ведет себя как целое, подобно вращающемуся твердому телу [86-88]. Экспериментально было обнаружено, что существует некоторое критическое значение величины магнитной индукции Во. при которой происходит обращение направления вращения I [ПО.

Помимо того, что воздействие магнитным полем приводит к вращению ППО, исследования [87] показывают, что вместе с тем происходит фазовая перестройка структуры, образованной макрочастицами - уменьшение кубической фазы с увеличением магнитного 1!оля от 0 до Во- В качестве критерия при анализе структуры макрочастиц в этом случае использовались рассчитанные корреляционная и ориентации иная функции |87|.

Рисунок 13 Эксперименты с ма1 нктным полем: а) сечение структуры |87|, Ь) схематичное представление всей структуры и сечения С1 рукггуры 2 ¡87], с) |Х6|.

Эффект вращения наблюдаемый в экспериментах с магнитным полем может быть также достигнут путем введения металлической пластины (рис. 14), на которую подается потенциал, соответствующий плавающему потенциалу плазмы, в область формирования структуры [891. 13 этом случае зависимость % (Ка,) не всегда будет линейной, а может иметь более сложный вид, что придает ППО больше гибкости в управлении. Этот эффект был использован для построения пылесоса для удаления пылинок из плазмы [90-91].

(а) 0.4

Рисунок 14

Рисунок 15 Продольное ееченпс структур составленных из макрочастиц в плазме: а) Аг+А1,03(0 3-5 мкм), Ь) Ке+ Л 1,0., (0 3-5 мкм) 15 иижекний, с) §е+ А!,0, (0 3-5 мкм) 35 инжекннй нри давлении Р=80 Па и разрядном токе 1=0.3 мА |57-58|.

Изменение давлений 11 л аз мообраз у ю ще го газа при постоянной температуре

соответствует изменению концентрации нейтралов. При низких давлениях в пылевой плазме развивается неустойчивость 11 рода (но классификации Ваулипой [61 ]% когда сила тремия ¡те

подавляет осциллирующих движений макрочастиц (рис. 15). Уменьшение давления вызывает повышение температуры электронов. Как уже было сказано, температура электронов влияет па кинетическую температуру макрочастиц. При увеличении давления температура электронов падаег. в связи с тем, что возрастает время их жизни, т.е. для поддержания разряда нужна меньшая скорость ионизации. Тем самым уменьшается величина энергии приобретаемой макрочастицей в результате электростатических колебаний плазмы, сильные колебания постепенно затухают и в области относительно высоких давлений можно наблюдать конденсированное состояние пылевой плазмы. В работе [56] проводились измерения движения скорости потока макрочастиц в плазме в зависимости от давления (рис.16). Из зондовых измерении было известно, что напряженность электрического поля не меняется в рассматриваемом диапазоне давлений (20-1 50 Па) при токе 1 мА.

Структурные изменения наблюдаемых плазмен но-11 ыл евых образований сопровождаются изменением конфигурации электрического поля в пределах этого образования.

В работе [64] (табл. 1) приведены некоторые сведения о параметрах УИПС при неизменном разрядном токе 1=3 мА для Ме+Ре (р= 8 г/см3, <0> = 4 мкм):

Таблица 1

Р, Па Д. мкм Тр, ,)В (v, мм/с)

56 250 1(1,1)

80 230 1 (U)

109 220 1 (U)

128 190 1.2(1,2)

«Среднее межчастичное расстояние определяется по положению максимума корреляционной функции. Температура макрочастиц находилась путем наилучшей подгонки измеряемого спектра мгновенных скоростей распределению Максвелла» [64].

В работе [62] (табл. 2) приведены результаты экспериментальных измерений в условиях микрогравитации р=1 торр Ые+бронзовые сферы (р= 8.2 г/см3, <0> - 125 мкм).

Таблица 2

I, мА Д. мкм V. мм/с

0.1 710 1.3

0.2 800 1.3

0.4 825 1.3

0.5 810 1.3

0.8 1000 1.2(1.5)

Несмотря на то, что энергия изменяется па несколько порядков для макрочастиц разных размеров, их скорость не меняется.

_<Л

Р (На)

Рисунок 16 Зависимость скорости потока макрочастиц от давления плазм «об радующего газа для системы [Че+меламннформальдегпд (0 1.2 мкм) с разными концентрациями макрочастиц: о - -10' см"'\ П -~4х10' см"*, Д >4x105 см"3 [56].

Очень показателен эксперимент [56, 92], в котором исследуется роль концентрации

макрочастиц на пылевую плазму. При фиксированном давлении для определенной

концентрации макрочастиц происходит переход в нестабильный режим, в котором

наблюдаются волны плотности макрочастиц (рис. 17). Подобные наблюдения бьтли

опубликованы в работе [57-58] (рис. 15), когда исследовалась проблема достройки УППС

при последовательно проводимых инжекциях макрочастиц. Возникающая нестабильность с

ростом числа пнжекций усиливалась.

Рисунок 17 Продольное сечение потока макрочастиц меламинформальдегпда (0 1.2 мкм) в плазме N6: сверху) Р=56 Па, спичу) Р=53 11а и разрядном токе 1=1 мА для концентрации макрочастиц 2.5*105 ем"3 |56|.

1.2 Обзор УППС разного физико-химического состава.

Выше уже было обращено внимание на то, что структуры макрочастиц разного физико-химического состава в одних и тех же условиях выглядят не одинаково. Целенаправленные экспериментальные исследования роли компонентного состава на свойства ППО очень немногочисленны и фактически начинаются с работы, опубликованной на конференции 1СРОР-4 коллективом петрозаводских исследователей [57].

Было исследовано влияние физико-химического состава плазмообразующего газа и материала макрочастиц на самоорганизующиеся в плазме структуры макрочастиц, а также проведено исследование структурных особенностей. В качестве таких газов использовались Не, Ые, Аг, Хе, С02, И2, воздух (рис.15, 18-20).

Рисунок 18 Продольное сечение структур составленных из макрочастиц А1203 (0 3-5 мкм) в плазме при давлении р=80 Па, разрядном токе 1~0 3 м \ в з) гсчии, Ь) неоне, с) аргоне [58].

Рисунок 19 Продольное сечение структур составленных из макрочастиц в плазме для сочетаний ПГ-КДФ: 1Ч2+гп (0 2-5 мкм) в условиях а) Р=53 Па, 1=0.6 мА; б) Р=80 Па, 1=0.6 мА [109].

i. t "»Si Г:

г

"s« !

1 MM

I-1

1 1 Ï (

•«ШУвЬ:

J

i.

ï » S - f : t 'I Щ: M Î

t * ' ■ i, < f '

.t. F ■ k ■ 4. ' t f • '

a

I .t

h-^H

Рисунок 20 Продольное сечение структур составленных из макрочастиц п плазме для сочетании III КДФ: C02+Zn (0 2-5 мкм) В условиях а) Р=25 Па, 1=1 мЛ; б) Р=25 Па, 1=1.2 мА [1091.

Таблица 3 Меж чает1 тое расст ояние |57|

ПГ+КДФ Аг +А12Оз(0 3-5 мкм) Ые+АЬОз (0 3-5 мкМ) Не+Л120:, (0 3-5 мкм)

Давление, Па Р=80 Р=80 Р=80

Ток разряда, мА 1=0.3 1=0.5 1=1.0 1=2.0 1=2.0 1=2.0

Межчастичное рассгоиние, мкм 170 180 210 330 140 70

Погрешность, мкм 10 10 20 20 20 20

Таблица 4 Межчасз нчное расстояние |э7|

ПГ+КДФ Ar+Zn (2-5 мкм) Ne-t /п (2-5 мкм)

Давление, Па Р= 80 Р= 80

Ток разряда, мА 1=0.6 1=1.0 I 0.5 1=2.0

Межчастичное 170 190 140 150

расстояние, мкм

Погрешность, МКМ 10 10 10 10

Таблица 5 Межчастнчное расстояние 11091

ПГ+КДФ N2+Zn (2-5 мкм) Nî+Zn (2-5 мкм) С02 ) /п (2-5 мкм)

Давление, Па Р=53 Р=80 Р=25

Ток разряда, мА 1=0,6 1-0.8 1=0.6 1=0.8 1=1.0 ¡=1.2

Межчастичное расстояние, мкм 105 115 140 144 86 73

По1 решность, мкм 10 12 И 20 8 9

Структурные исследования, опубликованные в работе |59J. также обнаруживают взаимосвязь между внешним видом ППО и его газовым наполнением. Оценка изменения состояния производилась с помощью корреляционных функций. В результате было обнаружено, что в смеси газов ГШС разупорядочивается по сравнению с I !11С формируемых в чистых инертных газах (рис. 21} при одинаковых параметрах разряда. Авторы связывают подобные проявления УI il 1С с тем. что добавка примеси тяжелого газа к более легкому

приводит к разогреву ионов и формированию сверхзвуковых ионных потоков. Т. о. составом газа можно влиять на энергетику ионов 160. 110], что является дополнительным фактором, управляющим структурными и кинетическими свойствами УППС в комплексной плазме тлеющего разряда. Например, из литературных данных [111-113] известно, что для проведения измерений в чистых газах подвижностей частиц плазмы или спектральных измерений доля примесей для низких давлений (~1 торр) пе должна превышать 10" -10"*, поэтому при проведении эксперимента очень важно следить за вакуумными условиями.

• ш . * « • * » *

* * * я ■ * «' ■ ' . • * *

* * . m ! 1 ♦ m « * * ' . ' • ' • • » * > ' > . » t_1 . - 1_1 * •

(а) (b) (С)

vfb Щ „ * * „ • 1 4 ,

i * . , t ( . t » t ■ *

' * I л t , ; ï j : i *• ! ! * t( i * p _ • * - * * ' ' t • . « * * »»t* 1 •

.. *. * • • • * mm - г * ■

[ -v'-fv

M) (e) (0

Рисунок 21 Изменение структуры поперечного и продольного сечения структур составленных из макрочастиц ц плазме для различных сочетаний ПГ-К'ДФ: а и (I) Лг+ЛЬО_, (0 3-5 мкм), b и с) He+A!j03 (0 3-5 мкм), с и f) Ar+He (11.4%+Н8.6%) + А1203, (0 3-5 мкм) при разрядном токе 1.2 мА и давлении ИГ р=0,О9 торр [59].

В публикациях можно найти сведения о том, какие материалы частиц КДФ. используются в исследованиях фундаментальных свойств комплексной плазмы. При этом они сильно отличаются по своим физико-химическим свойствам: металлы (Al. Fe, бронза), кремнийсодержащие материалы (Si Оз, Si, тонкостенные полые сферы б о роси л икатного стекла), органические соединения (мел амин формальдегид, пол и сти рольные сферы, зеленые флуоресцирующие полистирольные частицы, метилметакрилат, нейлон) и другие (LiNbCh, AIîOj. Mg,0. частицы табачного дыма), но пока этому не придавалось большого значения и сравнительных экспериментов почти не проводилось. Выли проведены эксперименты с сильно протяженными макрочастицами [114-115] (рие.22).

В обзорах [120-122] было показано, что механизмы прилипания заряженных плазменных частиц для металлических и диэлектрических частиц различны. На поверхности диэлектрических частиц существуют активные центры, которые принимают частицу из

шшмы. Каждый такой центр локализован На поверхности, Совокутюсть активных центров далека от зарядового насыщения, т.е. плотность заряда па поверхности гораздо меньше плотности активных центров. Неподвижность активных центров на поверхности макрочастицы, дискретность зарядки и рельеф поверхности макрочастицы, находящейся во флуктуирующем электрическом поле плазмы, приводит к возникновение спина у макрочастицы. Согласно проведенному моделированию процесса зарядки идеальных сфер в потоке плазмы вращение может быть вызвано толыср у диэлектрических макрочастиц [123].

Рисунок» 22 Поперечное сечение структуры из протяженных цилиндрических нейлоновых макрочастиц (ллнна 300 мкм, 0 15 и 7.5 мкм) и неоне с водородом (1:1), давление 0.9 горр, разрядный т ок 3.8 мА ) 114/.

Металлические частицы обладают высокой электропроводностью, поэтому в ответ на

внешнее возмущение электроны проводимости перераспределяются в материале

макрочастицы, причем перераспределение электронов происходит быстрее, чем плазменные

процессы, определяющие зарядку макрочастицы. Временной масштаб релаксации зарядов

проводимости материала макрочастиц порядка его удельного электронного сопротивления.

Для любого проводящего материала это время намного меньше, чем масштаб времени

зарядки из-за плазменной адсорбции. Для частот электрического поля < Ю'°с

проводимость можно выразить следующей формулой [124, 125]:

.2

п g

а =

тР

где fi - константа затухания, обусловленного столкновениями. Удельная проводимость Zn гг — 1,7* }0 См / л/, пе - 10* Щ , тогда Я ~ 101'1 с"', что намного порядков превышает

характерные частоты в комплексной плазме (ионная, плазменная частоты порядка 10:' с"5.

частота зарядки [6]). Электроны перераспределяются таким образом, что поверхностный потенциал остаётся постоянным.

В работах [126-127] рассматривается влияние эмиссии электронов с поверхности непроводящих макрочастиц. В работе [128] предлагается новый подход, включающий в рассмотрение микроскопические процессы вблизи поверхности макрочастицы. В [129] приведены результаты экспериментов по формированию структур из суперпарамагнитных макрочастиц в ВЧ-разряде в присутствии магнитного поля.

Захваченные в плазме макрочастицы при некоторых условиях подвергаются травлению, что приводит к уменьшению размера макрочастиц, смещению теплового баланса между поверхностью макрочастицы и окружающей плазмой, загрязнённой продуктами травления. Для разрядных условий представленных в данной работе это в большей степени касается органических соединений в комбинации с химически активными газами (например, Ог) и отличается сравнительно большим (со временем эксперимента) временем протекания реакции [130] (для ВЧ-разряда).

Заключение.

Из многочисленных наблюдений явно следует, что макрочастицы могут образовывать УППС различного типа. Все эти структуры, как показали и наши исследования, объединяет то, что они обладают, во-первых, четко выраженной границей, во-вторых, макрочастицы отстоят друг от друга на некотором расстоянии, которое зависит от упаковки макрочастиц или фазового состояния структуры, и, в-третьих, макрочастицы совершают непрерывное движение, область локализации которого зависит от типа структуры. Изменение энергии и концентрации частиц плазмы (ионы, электроны, нейтралы, макрочастицы) сказывается на виде структуры, образующейся из макрочастиц, и на поведении макрочастиц. Обнаруживая разные структуры макрочастиц, следует ожидать для них различные свойства при концептуальной общности их структурной организации.

Немногочисленные публикации результатов экспериментов с УППС в комплексной плазме тлеющего разряда показывают, что с изменением условий меняется форма и размер ППО и его внутреннее строение. Изменение внутреннего строения сопровождается изменением конфигурации электрического поля и перераспределением плотности электрического заряда в пределах плазменно-пылевой структуры, при которых может происходить изменение упаковки макрочастиц, плотности структуры, скорости и локализации движения макрочастиц. Характер этих изменений был продемонстрирован, основываясь на имеющиеся экспериментальные и наблюдательные данные при некоторых разрядных условиях и для немногочисленных вариаций систем КДФ-ПГ. Существует целый

ряд работ, посвященный теоретическому исследованию процессов зарядки макрочастиц из различных материалов. Систематические исследования роли материала при формировании УППС фактически только начинаются, и предлагаемая работа направлена на их развитие.

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Пискунов, Андрей Анатольевич

1. Результаты исследования порошка цинка.

Качественный фазовый анализ показал, что порошок цинка содержит 2 фазы, одной из которых является цинк, а другой - оксид цинка 2пО. Обе фазы гексагональные (а=Ь#с, а=р=90", 7=120").

Периоды элементарной ячейки и количественное соотношение фаз уточнялись методом полнопрофильного анализа рентгенограмм поликристаллов. На рис. 40 приведен графический результат уточнения. На рис. 41 показано расположение атомов в элементарных ячейках 7л и ЪпО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная экспериментальная работа посвящена исследованию кинетики макрочастиц в упорядоченных плазменно-пылевых структурах комплексной плазмы тлеющего разряда, производимых в газоразрядных трубках при низких давлениях (0.3-3 торр) и малых токах (0.3-1.5 мА). В результате проведенного обзора были выяснены факторы, влияющие на формирование и существование УППС. К ним можно отнести концентрацию нейтралов, концентрацию электронов, «температуру» электронов, температуру нейтралов. Изменение энергии, вкладываемой по различным каналам, и концентрации частиц плазмы (ионы, электроны, нейтралы, макрочастицы) сказывается на виде структуры, формируемой из макрочастиц, и на поведении макрочастиц в структуре. Очень небольшое количество экспериментальных и теоретических работ было посвящено влиянию материала макрочастиц и сорта газа на свойства УППС.

Многочисленные наблюдения показывают ряд общих для всех УППС черт: структуры обладают четко выраженной границей, макрочастицы отстоят друг от друга на некотором расстоянии и совершают непрерывное движение, область локализации которого зависит от типа структуры. Немногочисленные публикации результатов экспериментов с УППС в комплексной плазме тлеющего разряда показывают, что с изменением условий изменяется форма и размер ППО и его внутреннее строение. Особенности взаимодействия между заряженными макрочастицами в плазме позволяют сформировать упорядоченную структуру с характерным межчастичным расстоянием, которое может меняться при изменении условий. Транспортные характеристики (средняя скорость перемещений, коэффициент диффузии) макрочастиц несут информацию о соотношении между энергией комплексной плазмы возбуждающей движение макрочастиц и потерями на трение в вязкой газовой среде.

В данной работе были исследованы системы КДФ-ПГ, в которых газовой составляющей были инертные газы (Аг, Ие), а макрочастицы - диэлектрический АЬОз и металлический Ъп, в следующих комбинациях: Аг+АЬОз (<Я>=23 мкм), Аг+2п (<11>=8мкм), Аг+гп (<Я>= 28 мкм) и Ые+А1203 (<Ы>=23 мкм).

Для проведения экспериментального исследования был создан специальный лабораторный стенд, который обеспечивает необходимые условия проведения эксперимента. Исследовательский стенд объединил в себе функции по созданию среды и поддержанию условий, в которых формируются и существуют УППС, контроля и управления параметрами этой среды, и получения данных о состоянии УППС с использованием компьютерных средств захвата и обработки видеоданных. Полученные данные каталогизировались на НЖМД персонального компьютера для последующей обработки. Программное обеспечение организации сбора и обработки экспериментальных данных, разработанное автором, включает программу Acquisition.vi и библиотеку программ compplasma.llb. Программа Acquisition.vi производит обработку цифровых изображений и определяет положения макрочастиц. Программы, составляющие библиотеку compplasma.llb, позволяют вычислять на основе данных, полученных с помощью программы Acquisition.vi, расстояния между макрочастицами в структуре, а также транспортные характеристики, например, перемещения, скорости перемещения и др.

В результате проведенной работы был получен комплекс фактических данных о состоянии УППС комплексной плазмы тлеющего разряда в диапазоне действующих условий: j= (19-94 мкА/см2) и pR-ф =(60-600 Па-см), - для систем КДФ-ПГ разного состава: Аг+А1203 (=23 мкм), Ne+Al203 (=23 мкм), Ar+Zn (=8 мкм), Ar+Zn (=28 мкм): определены положения макрочастиц и средние межчастичные расстояния в УППС в зависимости от действующих условий; ) определены скорости перемещения макрочастиц в УППС в зависимости от действующих условий; ) определены коэффициенты диффузии макрочастиц в УППС для различных разрядных условий; определен коэффициент термического расширения; величина коэффициента линейного термического расширения УППС отрицательна.

Наибольший процент макрочастиц УППС, между которыми наблюдаются корреляции перемещений, соответствует малому времени дискретизации и не зависит от условий разряда; макрочастицы имеют нормальное распределение по скоростям.

Данные экспериментов, проведенных в различных разрядных условиях и с различными сочетаниями КДФ-ПГ, позволяют установить, что материал исходных компонентов УППС играет важную роль в формировании их свойств. На основании этого можно определить важное свойство плазменно-пылевого вещества в упорядоченном состоянии: зависимость A(Td) и коэффициент термического расширения а.

Полученные экспериментальные данные могут быть использованы для проверки математических теорий, в частности для определения функции взаимодействия между макрочастицами. В свою очередь открытое из эксперимента аномальное термическое расширение УППС еще требует теоретического обоснования.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пискунов, Андрей Анатольевич, 2011 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

I .Цытович, В.Н. Самоорганизующиеся пылевые структуры в плазме / Цытович В.Н. //

Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия А. Прогресс в физике и технике низкотемпературной плазмы. T.I - 2. Пылевая плазма/ под ред. В.Е. Фортова. - М.: ЯНУС-К, 2006.-С. 183-249.

2.Нефедов, А. П. Кристаллические структуры в плазме с сильным взаимодействием макрочастиц / А.П. Нефедов, О.Ф. Петров, В. Е.Фортов //УФН. - 1997. - т. 167, № 11. - С. 1215-1226.

3.Луизова, J1. А. Проблемы и перспективы исследования упорядоченных структур в плазме/ JI.A. Луизова, А.Д. Хахаев [Электронный ресурс]: Статья; НОЦ «Плазма» -Петрозаводск, 2002. - 31 с.// http://plasma.karelia.ru/pub/arc/plasma_crystals.pdf.

4.Morfill, G. Е. Complex plasmas: An interdisciplinary research field/ G.E. Morfill, A.V. Ivlev // Reviews of Modern Physics. - 2009.-vol. 81.-P. 1353-1404.

5.Цытович, В. H. Комплексная плазма. I. Комплексная плазма как необычное состояние вещества / В.Н. Цытович, Г.Е. Морфилл, X. Томас //Физика плазмы. - 2002. - т. 28, № 8. -С. 675-707.

6.Fortov, V. Е. Complex (dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives / Y.E. Fortov, A.V. Ivlev, S.A. Khrapak et al.// Physics Reports. - 2005. - vol. 421. - P. 1-103.

7.Пылевая плазма: эксперимент и теория / О.С. Ваулина, О.Ф. Петров, В.Е. Фортов и др.. -М.: Физматлит, 2009. - 316 с.

8.1kezi Н. Coulomb solid of small particles in plasmas/ Ikezi H.//Physics of Fluids. - 1986. - vol. 29.-P. 1764-1766.

9.Chu, J. H. Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas / J.H. Chu, L. I //Physical Review Letters. - 1994. - vol. 72, № 25. - P. 4009-4012.

10.Thomas, H. Plasma crystal: coulomb crystallization in a dusty plasma / H. Thomas, G.E. Morfill, V. Demmel et al. // Physical Review Letters. - 1994. - vol. 73, № 5. - P. 652-657.

II .Hayashi, Y. Observation of Coulomb-crystal formation from carbon particles grown in a

methane plasma/Y. Hayashi, S. Tachibana // Japanese Journal of Applied Physics. - 1994. -vol. 33.-P. L804-L806.

12.Melzer, A. Experimental determination of the charge on dust particles forming Coulomb lattices / A. Melzer, T. Trottenberg, A. Piel // Physics Letters A. - 1994. - vol. 191. - P. 301307.

13.Фортов, В. Е. Кристаллизация пылевой плазмы в положительном столбе тлеющего разряда / В.Е. Фортов, А.П. Нефедов, В.М. Торчинский и др.// Письма в ЖЭТФ. - 1996. -т. 64, вып. 2.-С. 86-91.

14.Nunomura, S. Observation of the structure and its formation process of a new volumetric coulomb cloud composed of different multiple dust layers / S. Nunomura, N. Ohno, S. Takamura // Japanese Journal of Applied Physics. - 1997. - vol. 36, part 2, № 7B. - P. L949-L951.

15.Fortov, V. E. Experimental observation of Coulomb ordered structure in sprays of thermal dusty plasmas / V.E. Fortov, A.P. Nefedov, O.F. Petrov et а1.//Письма в ЖЭТФ. - 1996. - т.63, № 3. - С. 176-180.

16.Владимиров, В. И. Упорядоченные структуры в ядерно-возбуждаемой плазме неона и аргона / В.И. Владимиров, JI.B. Депутатова, В.И. Молотков и др. //Физика плазмы. -2001.-т. 27, №1,-С. 37-44.

17.Бабичев, В. Н. Устойчивые пылевые структуры в несамостоятельном газовом разряде при атмосферном давлении / В.Н. Бабичев, А.Ф. Паль, А.Н. Старостин и др. //Письма в ЖЭТФ. - 2004. - т. 80, вып. 4. - С. 271-276.

18.Филиппов, А. В. Пылевая плазма с внешним источником ионизации газа при повышенных давлениях: Дисс. док. физ.-мат. наук: 01.04.08 / ГНЦ РФ ТРИНИТИ. -Троицк, 2007. - 322 с.

19.Antipov, S. N. Dust structures in cryogenic gas discharges / S.N. Antipov, E.I. Asinovskii, V.E. Fortov et al.// Physics of Plasmas. - 2007. - vol. 14. - P. 090701. (4 pp.)

20.Самарян, А. А.Структуры частиц конденсированной дисперсной фазы в плазме продуктов сгорания твердого топлива / А.А. Самарян, А.В. Чернышев , О.Ф. Петров и др. //ЖЭТФ. - 2000. - т. 117, № 5. - С. 939-946.

21.3обнин, А. В. Упорядоченные структуры пылевых частиц в плазме высокочастотного безэлектродного газового разряда / А.В. Зобнин, А.П. Нефедов,

B.А. Синелыциков и др. //Физика плазмы. - 2000. - т. 26, № 5. - С. 445-454.

22.Fortov, V. Е. Dust crystals in plasma created by a proton beam / V.E. Fortov, V.A. Rykov, A.P. Budnik et al. // Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical. - 2006. - vol. 39. - P. 4533-4537.

23.Депутатова, JI.B. Самоорганизация пылевых частиц в плазме пучка протонов / JI.B.

Депутатова, В.И. Владимиров, B.C. Филинов и др.//Прикладная физика. - 2009. - № 1. -

C. 46-52.

24.Wuerker, R. F. Electrodynamic containment of charged particles / R.F. Wuerker, H. Shelton, R.V. Langmuir // Journal of Applied Physics. - 1959. - vol. 30, № 3. - P. 342-349.

25.Пауль, В. Электромагнитные ловушки для заряженных и нейтральных частиц / В. Пауль //УФН. - 1990. - т. 160, № 12. - С. 109-127.

26.Цытович, В. Н. Пыль в установках управляемого термоядерного синтеза / В.Н. Цытович, Дж. Винтер //УФН. - 1998. - т. 168, № 8. - С. 899-907.

27.Крауз, В. И. Наноструктуры в установках управляемого термоядерного синтеза / В. И. Крауз, Ю. В. Мартыненко, Н. Ю. Свечников и др.// УФН. - 2010. - т. 180, № 10. - С. 10551080.

28.Krasheninnikov, S. I. Recent progress in understanding the behavior of dust in fusion devices / S.I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov, R.D. Smirnov et al. // Plasma Physics and Controlled Fusion. - 2008. - vol. 50. - P. 124054 (13pp).

29.Баранов, В. Ю.Радиоизотопные генераторы электрического тока / В. Ю. Баранов, А. Ф. Паль, А. А. Пустовалов и др. // Изотопы: свойства, получение, применение. В 2 т./ под. ред. Баранова В. Ю. - М: Физматлит, 2005. - т. 2. - С. 259-290.

30.Donin, V. I. "Laser snow" in the active medium of an XeCI laser / V. I. Donin, Yu. I. Khapov //Soviet Journal of Quantum Electronics. - 1986. - vol. 16. - P. 1034-1037.

31.Vladimirov, S. V. Dynamic self-organization phenomena in complex ionized gas systems: new paradigms and technological aspects /S.V. Vladimirov, K. Ostrikov // Physics Reports. -2004.-vol. 393.-P. 175-380.

32.Denysenko, I. B. Nanopowder management and control of plasma parameters in electronegative SÍH4 plasmas / I.B. Denysenko, K. Ostrikov, S. Xu et al. // Journal of Applied Physics. - 2003. - vol. 94, № 9. - P. 6097-6107.

33.Boufendi, L. Particle nucleation and growth in a low-pressure argon-silane discharge / L. Boufendi, A. Bouchoule //Plasma Sources Science and Technology. - 1994. - vol. 3, № 3. - P. 262-267. (Plasma Sources Science and Technology. - 1994. - vol. 3, № 3: номер посвящен исследованиям процессов возникновения и взаимодействия макрочастиц в плазме)

34.Dusty Plasmas: Physics, Chemistry, and Technological Impacts in Plasma Processing// by ed. Bouchoule A., - Chichester: Wiley, 1999. - 418 pp.

35.Снытников, В. H. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических процессов. Жизнь создаёт планеты? / В.Н. Снытников // Эволюция биосферы и биоразнообразия. К 70-летию А.Ю. Розанова. - М.: Т-во научных изданий КМК, 2006. - 600с.

36.Managadze, G. A new universal mechanism of organic compounds synthesis during prebiotic evolution / G. Managadze // Planetary and Space Science. - 2007. - vol. 55. - P. 134140.

37.Манагадзе, Г. Г. Плазма метеоритного удара и добиологическая эволюция / Г. Г.

Манагадзе. - М.: Физматлит, 2010.-352 с.

38.Napier, W. М. The origin of life in comets / W.M. Napier, J.T. Wickramasinghe, N.C. Wickramasinghe // International Journal of Astrobiology. - 2007. - vol. 6. - P. 223-228.

39.Whipple, E. C. Potentials of surfaces in space / E.C. Whipple //Reports on Progress in Physics. -1981.-vol. 44.-P. 1197-1250.

40.Goertz, С. K. Dusty plasmas in the solar system / C.K. Goertz // Reviews of Geophysics. -

1989. - vol. 27, № 2. - P. 271-292.

41.Горькавый, H. H. Физика планетных колец / H.H. Горькавый, A.M. Фридман //УФН. -

1990. - т. 160, вып. 2. - С. 169-237.

42.Verheest, F. Waves and instabilities in dusty space plasmas / F. Verheest //Space Science Reviews. - 1996. - vol. 77. - P. 267-302.

43.Whittet D. С. B. Dust in the Galactic Environment/ D.C.B. Whittet - 2 ed. - Bristol and Philadelphia: Institute of Physics Publishing, 2003. - 390 pp.

44.1p, W.-H. Comet-solar wind interactions: A dusty point of view / W.-H. Ip //Advances in Space Research. - 1984. - vol. 4, № 9. - P. 239-247.

45.Coll, P. Experimental laboratory simulation of Titan's atmosphere: aerosols and gas phase / P. Coll, D. Coscia, N. Smith et al. // Planetary and Space Science. - 1999. - vol. 47, № 10. - P. 1331-1340.

46.Попель, С. И. Мелкодисперсные частицы и пылевая плазма в гелиогеофизике / С.И.

Попель // Плазменная гелиогеофизика. в 2 т./ под ред. Л.М.Зелёного, И.С.Веселовского. -М.: Физматлит, 2008. - т. 2. - С. 368-390.

47.Thoma, М. Н. Strongly Coupled Plasmas in High-Energy Physics / M.H. Thoma // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2004. - vol. 32, № 2. - P. 738-741.

48.Псахье, С. Г. О формировании структурных состояний в пылевой плазме / С. Г. Псахье, К. П. Зольников, А. В. Абдрашитов // Физическая мезомеханика. - 2010. - т. 13, № 5-6.-С. 75-83.

49.Fathalian, A. Dust acoustic wave oscillations in metallic carbon nanotubes / A. Fathalian, S. Nikjo // Solid State Communications. - 2010. - vol. 150. - P. 1062-1064.

50.Yokota, T. Planetary ring simulation experiment in fine particle plasmas / Yokota T. //Physica Scripta. - 2000. - vol. T84. - P. 175-177.

51.Tsytovich, V. N. From plasma crystals and helical structures towards inorganic living matter / V.N. Tsytovich, G.E. Morfill, V.E. Fortov et al. //New Journal of Physics. - 2007. - vol. 9.-P. 263.1-263.11.

52.Barkan, A. Charging of dust grains in a plasma / A. Barkan, N. D'Angelo, L.R. Merlino //Physical Review Letters. - 1994. - vol. 73, № 23. - P. 3093-3096.

53.Walch, B. Measurement of the Charging of Individual Dust Grains in a Plasma / B. Walch, M. Horanyi, S. Robertson // IEEE Transactions on Plasma Science. - 1994. - vol. 22, № 2. - P. 97-102.

54.Hazelton, R. C. Measurement of Dust Grain Charging in a Laboratory Plasma / R.C.

Hazelton, E.J. Yadlowsky // IEEE Transactions on Plasma Science. - 1994. - vol. 22, № 2. - P. 91-96.

55.Homann, A. Measuring the charge on single particles by laser-excited resonances in plasma crystals / A. Homann, A. Melzer, A. Piel // Physical Review E. - 1999. - vol. 59, № 4. - P. 3835-3838.

56.Khrapak, S. A. Particle charge in the bulk of gas discharges / S.A. Khrapak, S.V. Ratynskaia, A.V. Zobnin et al. // Physical Review E. - 2005. - vol. 72. - P. 016406. (10 pp.)

57.Bulba, A. V. The Influence of Physical-Chemical Characteristics of Plasma-Forming Gas and Macroparticle Matter in Complex Plasma on Ordered Structure Self-Organization /

A.V. Bulba, L.A. Luizova, S.F. Podryadchikov et al.//AIP Conf. Proc. NEW VISTAS IN DUSTY PLASMAS: Fourth International Conference on the Physics of Dusty Plasmas. - 2005. -vol. 799. - P. 359-362.

58.Бульба, А. В. Самоорганизация и рост пылевых структур в тлеющем разряде / А.В. Бульба, JI.A. Луизова, С.Ф. Подрядчиков и др.//Химия высоких энергий. - 2006. - т. 40, № 2.-С. 155-160.

59.Maiorov, S. A.Investigation of plasma-dust structures in He-Ar gas mixture / S.A. Maiorov, T.S. Ramazanov, K.N. Dzhumagulova et al.// Physics of Plasmas. - 2008. - vol. 15. - P. 093701.

60.Антипов, С. H. Плазменно-пылевые структуры в Не- Кг тлеющем разряде постоянного тока / С. Н. Антипов, М. М. Васильев, С. А. Майоров и др.// ЖЭТФ. - 2011. -т. 139, вып. З.-С. 554-567.

61.Ваулина, О. С. Автоколебания макрочастиц в пылевой плазме тлеющего разряда /

О.С. Ваулина, А.П. Нефедов, О.Ф. Петров и др.//ЖЭТФ. - 2001. - т. 120, вып. 6. - С. 13691374.

62.Нефедов, А. П. Динамика макрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока в условиях микрогравитации / А.П. Нефедов, О.С. Ваулина, О.Ф. Петров и др.//ЖЭТФ. - 2002. - т. 122, вып. 4(10). - С. 778-788.

63.Ваулина, О. С. Экспериментальные исследования динамики макрочастиц в плазме газовых разрядов / О.С. Ваулина, О.Ф. Петров, В.Е. Фортов и др.//Физика плазмы. -

2003. - т. 29, № 8. - С. 698-713.

64.1vlev, А. V. Non-Newtonian Viscosity of Complex-Plasma Fluids / A.V. Ivlev, V. Steinberg, R. Kompaneets et al.// Physical Review Letters. - 2007. - vol. 98. - P. 145003. (4 pp.)

65.Mitic, S. Convective Dust Clouds Driven by Thermal Creep in a Complex Plasma / S. Mitic, R. Sutterlin, A.V. Ivlev et al.// Physical Review Letters. - 2008. - vol. 101. - P. 235001. (4 pp.)

66.Ваулина, О.С. Формирование вихревых структур в неоднородной газоразрядной плазме / О.С. Ваулина, А.А. Самарян, О.Ф. Петров и др.//Физика плазмы. - 2004. - т. 30, № 11.-С. 988-1007.

67.Ваулина, О.С. Кинетическая температура и заряд пылевой частицы в слабоионизованной газоразрядной плазме / О.С. Ваулина, А.Ю. Репин, О.Ф. Петров и др.//ЖЭТФ. -2006.-т. 129, вып. 6.-С. 1118-1131.

68.Thomas Jr., Е. Direct measurements of two-dimensional velocity profiles in direct current glow discharge dusty plasmas / E. Thomas Jr.//Physics of Plasma (Letters). - 1999. - vol. 6, № 7.-P. 2672-2675.

69.Thomas Jr., E. Application of stereoscopic particle image velocimetry to studies of transport in a dusty (complex) plasma / E. Thomas Jr., J.D. Williams, J. Silver // Physics of Plasmas. -

2004. - vol. 11, № 7. - P. L37-L40.

70.Thomas Jr., E. Driven dust acoustic waves with thermal effects: Comparison of experiment to fluid theory/ E. Thomas Jr.//Physics of Plasmas. - 2010. - vol. 17. - P. 043701. (8pp)

71.Thomas Jr., E. Benchmarking Particle Image Velocimetry Measurements Applied to Dusty Plasmas / E. Thomas Jr., J. Williams, C. Rath // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2010. -vol. 38, №4.-P. 892-896.

72.Williams, J. D. Measurement of the Kinetic Dust Temperature of a Weakly Coupled Dusty Plasma / J.D. Williams, E. Thomas Jr.// IEEE Transactions on Plasma Science. - 2007. - vol. 35, №2.-P. 303-308.

73.Thomas Jr., E. Dust Clouds in Dc-Generated Dusty Plasmas: Transport, Waves, and Three-Dimensional Effects / E. Thomas Jr.// Contributions to Plasma Physics. - 2009. - vol. 49, № 4-5.-P. 316-345.

74.SuWiinin, G. I. Dust particle charge distribution in a stratified glow discharge / G.I. Sukhinin, A.V. Fedoseev, T.S. Ramazanov et al.// Journal of Physics D: Applied Physics. - 2007. - vol. 40. -P. 7761-7765.

75.Sukhinin, G. I. Non-local effects in a stratified glow discharge with dust particles / G.I, Sukhinin, A.V. Fedoseev, T.S. Ramazanov et al.//Journal of Physics D: Applied Physics. - 2008. -vol. 41.-P. 245207 (8pp). 76.Sukhinin, G. I. Effect of trapped ions and nonequilibrium electron-energy distribution function on dust-particle charging in gas discharges / G.I. Sukhinin, A.V. Fedoseev, S.N. Antipov et al.// Physics Reviews E. - 2009. - vol. 79. - P. 036404. (9pp.)

77.Khakhaev, A. D. Growth of elongated dusty structures in gas discharge plasma / A.D. Khakhaev, A.A. Piskunov, S.F. Podryadchikov // Proceedings 3rd international Conference on The Dusty and Burning Plasmas, Odessa, Ukraine. - 2010. - P. 63-67.

78.Usachev, A. D. Formation of a Boundary-Free Dust Cluster in a Low-Pressure GasDischarge Plasma / A.D. Usachev, A.V. Zobnin, O.F. Petrov et al.// Physical Review Letters. -2009. - vol. 102. - P. 045001. (4 pp.)

79.Балабанов, В. В. Влияние градиента температуры газа на пылевые структуры в плазме тлеющего разряда / В.В. Балабанов, JI.M. Василяк, С.П. Ветчинин и др.//ЖЭТФ. -2001.-т. 119, вып. 1.-С. 99-107.

80.Василяк, Jl. М. Формирование пылевых структур сложной формы в плазме при неоднородном выделении тепла / JI.M. Василяк, С.П. Ветчинин, Д.Н. Поляков и др.//ЖЭТФ. - 2005. - т. 127, вып. 5.-С. 1166-1172.

81.Uchida, G. Liquid-crystal phase transition by electron shower in a direct current complex plasma / G. Uchida, S. Iizuka, N. Sato // Physics of Plasmas. - 2009. - vol. 16. - P. 083707. (6pp.)

82.Василяк, JI. M. Воздействие электронного пучка на пылевые структуры / Л.М. Василяк, М.Н. Васильев, С.П. Ветчинин и др.//ЖЭТФ. - 2003. - т. 123, вып. 3. - С. 498502.

83.Карасев, В. Ю. Об упорядоченных пылевых структурах, формируемых в тлеющем разряде / В.Ю. Карасев, А.Ю. Иванов, Е.С. Дзлиева и др.//ЖЭТФ. - 2008. - т. 133, вып. 2. - С. 460-465.

84.Антипов, С. Н. Заряд и структуры пылевых частиц в газовом разряде при криогенных температурах / С.Н. Антипов, Э.И. Асиновский, А.В. Кирилин и др.//ЖЭТФ. - 2008. - т. 133, вып. 4.-С. 948-956.

85.Василяк, Л. М. Пылевые частицы в термофоретической ловушке в плазме / Л.М. Василяк, С.П. Ветчинин, B.C. Зимнухов и др.//ЖЭТФ. - 2003. - т. 123, вып. 3. - С. 493-497.

86.Sato, N. Dynamics of fine particles in magnetized plasmas / N. Sato, G. Uchida, T. Kaneko et al.// Physics of Plasmas. - 2001. - vol. 8 № 5. - P. 1786-1790.

87.Karasev, V. Yu. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field / V.Yu. Karasev, E.S. Dzlieva, A.Yu. Ivanov et al. //Physical Review E. - 2006. -vol. 74.-P. 066403.

88.Васильев, M. M. Плазменно-пылевые структуры в магнитных полях в разряде постоянного тока / М.М. Васильев, Л.Г. Дьячков, С.Н. Антипов и др.//Письма в ЖЭТФ. -2007. - т. 86, вып. 6. - С. 414-419.

89.Uchida, G. Generation of two-dimensional dust vortex flows in a direct current discharge plasma / G. Uchida, S. Iizuka, T. Kamimura et al.// Physics of Plasmas. - 2009. - vol. 16. - P. 053707.

90.Sato, N. Dust collection and removal - NFP-collector / N. Sato // [Электронный ресурс]: статья; Dusty Plasmas in Applications - Одесса, Украина, 2004. - 6 с.

91.Kurimoto, Y. Fine particle removal by a negatively-charged fine particle collector in silane plasma / Y. Kurimoto, N. Matsuda, G. Uchida et al.// Thin Solid Films. - 2004. - vol. 457. - P. 285-291.

92.Ratynskaia, S. Experimental Determination of Dust-Particle Charge in a Discharge Plasma at Elevated Pressures / S. Ratynskaia, S. Khrapak, A. Zobnin et al.// Physical Review Letters. -2004.-vol. 93.-P. 085001.

93 .Техническая товаросопроводительная документация Высоковакуумная аппаратура AV 63.

94.Вакуумная запорная и регулирующая арматура. Справочные материалы. - ОТЭИНТИ, 1987.

95.Вентили с ручным винтовым приводом типа ВРП-2. Эксплуатационная документация. Паспорт ОТО.005.248 ПС.

96.Вентили запорные сильфонные вакуумные латунные. Паспорт.

97.Вакуумметр ионизационно-термопарный ВИТ-3. Паспорт 3.399.112. - 1988.

98.Преобразователь манометрический ионизационный ПМИ-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

99.Преобразователь манометрический ионизационный ПМТ-2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации.

100.MKS Baratron Type 622А/626А/627А/628А/629А Absolute Pressure Transducers. Instruction Manual 114492-P1 RevF. 10/98.

101.Рот А. Вакуумные уплотнения. - М.: Энергия, 1971.

102.Вольтметр универсальный цифровой В7-40 (В7-40/1; В7-40/2; В7-40/3; В7-40/4; В7-40/5). Техническое описание и инструкция по эксплуатации Тг.2.710.016 ТО. 4.1. - 1989.

103 .Вольтметр универсальный В7-21 Техническое описание и инструкция по эксплуатации И22.710.004 ТО.-1979.

104.Лазер. Модель LCS-DTL-316. Инструкция по эксплуатации.

105.User Manual IMAQ PCI/PXI-1409, Part Number 322811A-01, 2000. - 48 pp.

106.IMAQ Vision: Concepts Manual, Part Number 322916B-01, 2003. - 315 pp.

Ю7.Тревис, Дж. Lab VIEW для всех/ Дж. Тревис. - М.: ДМК Пресс; ПриборКомплект, 2005. - 544 с.

108.Обработка и анализ цифровых изображений с примерами на Lab VIEW и IMAQ Vision / Ю.В. Визильтер, С.Ю. Желтов, В.А. Князь и др. - М.: ДМК Пресс, 2007. - 464 с.

109.Фундаментальные проблемы физики и приложений комплексной низкотемпературной плазмы [Текст]: отчет о НИР (промежут.) / Петрозаводский госуниверситет; рук. Хахаев А.Д.; исполн.: Луизова Л.А., Подрядчиков С.Ф., Соловьев А.В., Щербина А.И., Шелестов А.С., Филимонков А.Н., Пискунов А.А., Семенов А.В. - Петрозаводск, 2007. - 41 с. Библиогр.: с. 32. -№ ГР 0120.0603101. - Инв. № 0220.0801352.

110.Maiorov, S. A. On a Supersonic Flow of Ions in a Light Gas / Maiorov S. A. // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. - 2007. - vol. 34, № 7. - P. 214-218.

Ш.Бочкова, О. П. Спектральный анализ газовых смесей / О.П. Бочкова, Е.Я. Шрейдер. -М.:ГИ ФМЛ, 1963.-308 с.

112.Мотт, Н. Теория атомных столкновений / Н. Мотт, Г. Месси. - М.: Мир, 1969. - 756 с.

113.Biondi, М. A. Mobilities of atomic and molecular ions in the noble gases / M.A. Biondi, L.M. Chanin // Physical Review. - 1954. - vol. 94, № 4. - P. 910-916.

114.Молотков, В. И. Жидкий плазменный кристалл: кулоновская кристаллизация цилиндрических макрочастиц в газоразрядной плазме / В.И. Молотков, А.П. Нефедов, М.Ю. Пустыльник и др.//Письма в ЖЭТФ. - 2000. - т. 71, вып. 3. - С. 152-156.

115.Ivlev, А. V. Rodlike particles in gas discharge plasmas: Theoretical model / A.V. Ivlev, A.G. Khrapak, S.A. Khrapak et al.// Physical Review E. - 2003. - vol. 68. - P. 026403. (10pp.)

116.Программный комплекс PdWin / НПП ОАО "Буревестник", Санкт-Петербург, 2006.

117.Wyckoff, R. W. G. Hexagonal closest packed, hep, structure/ R. W. G. Wyckoff //Crystal Structures. - 2nd ed. - Interscience Publishers, New York, 1963. - vol. 1. - P. 7-83.

118.Kihara, K. Anharmonic thermal vibrations in ZnO. Model: 2-е, at T = 293 К / К. Kihara, G. Donnay// The Canadian Mineralogist. - 1985. - vol. 23. - P. 647-654.

119.Фундаментальные проблемы физики и приложений комплексной низкотемпературной плазмы [Текст]: отчет о НИР (промежут.) / Петрозаводский госуниверситет рук. Хахаев А.Д.; исполн.: Владимиров В.И., Депутатова J1.B., Логинова С.В., Луизова Л.А., Пискунов А.А., Подрядчиков С.Ф., Соловьев А.В., Никифорова Т.А. - Петрозаводск, 2006. - 53 с. Библиогр.: с. 52-53. -№ ГР 0120.0603101. - Инв. № 0220.0801352.

120.Илленбергер, Е. Прилипание электрона к свободным и связанным молекулам / Е. Илленбергер, Б.М. Смирнов //УФН. - 1998 - т. 168, № 7. - С. 731-766.

121.Смирнов, Б. М. Кластеры в газах и плазме / Б.М. Смирнов //Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Серия Б. Справочные приложения, базы и банки данных. T.VIII-1. Химия низкотемпературной плазмы/ под ред. Ю.А. Лебедева, Н.А. Платэ, В.Е. Фортова. - М.: ЯНУС-К, 2005. - 578 с.

122.Смирнов, Б. М. Кластерная плазма / Б. М. Смирнов //УФН. - 2000 - т. 170, № 5. - С. 495-534.

123.Miloch, W. J. Charging of insulating and conducting dust grains by flowing plasma and photoemission / W. J. Miloch, S. V. Vladimirov, H. L. Pecseli et al.// New Journal of Physics. -2009. - vol. 11. - P. 043005. (20 pp.)

124.Джексон, Дж. Классическая электродинамика / Дж. Джексон / пер. с англ. Г.В. Воскресенского, Л.С.Соловьева, под ред. Э.Л.Бурштейна. - М.: Мир, 1965. - 703 с.

125.Абрикосов, А. А. Основы теории металлов/ Абрикосов А. А. / под ред. Л.А.Фольковского. - М.: Физматлит, 2009. - 600 с.

126.Pavlu, J. Emissions From Nonconducting Negatively Charged Dust Grains / J. Pavlu, Z. Nemecek, J. Safrankova et al.// IEEE Transactions on Plasma Science. - 2004. - vol. 32, № 4. -P. 607-612.

127.Pavlu, J. Impact of surface properties on the dust grain charging / J. Pavlu, I. Richterova, J. Safrankova et al. //Advances in Space Research. - 2006. - vol. 38. - P. 2558-2563.

128.Bronold, F. X. Surface States and the Charge of a Dust Particle in a Plasma / F.X. Bronold, H. Fehske, H. Kersten et al. // Physical Review Letters. - 2008. - vol. 101. - P. 175002. (4 pp.)

129.Samsonov, D. Levitation and agglomeration of magnetic grains in a complex (dusty) plasma with magnetic field / D. Samsonov, S. Zhdanov, G. Morfill et al. // New Journal of Physics. - 2003. - vol. 5. - P. 24.1-24.10. 130.Stoffels, W. W. Etching a single micrometer-size particle in a plasma / W.W. Stoffels, E. Stoffels, G.H.P.M. Swinkels et al. // Physical Review E. - 1999. - vol. 59, № 2. - P. 2302-2304.

131 .Голубовский, Ю. Б. Страты / Ю.Б. Голубовский, В.О. Некучаев, Л.Д. Цендин //Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Вводный том II / под ред. ак. В.Е. Фортова. - М.: Наука, МАИК «Наука/Интерпериодика», 2000. - с. 43-47.

132.Пекарек, Л. Ионизационные волны (страты) в разрядной плазме / Л. Пекарек //УФН. -1968. - т.94, вып.З. - С.463-500.

133.Недоспасов, А. В. Страты / А.В. Недоспасов // УФН. - 1968. - т. 94, вып. 3. - С. 439-462.

134.Голубовский, Ю. Б. Самосогласованный механизм поддержания ионизационных волн в разряде низкого давления / Ю.Б. Голубовский, С.У. Нисимов, И.А. Порохова // ЖТФ. - 1997. - т. 67, № 2. - С. 24-30.

135.Golubovskii, Yu. В. Kinetic resonances and stratification of the positive column of a discharge / Yu.B. Golubovskii, A.Yu. Skoblo, C. Wilke et al. //Physical Review E. - 2005. -vol. 72.-P. 026414. (10 pp.)

136.Kolobov, V. I. Striations in rare gas plasmas (topical review) / V.I. Kolobov // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2006. - vol. 39. - P. R487-R506.

137.Нерушев, О. А. Сферические страты в тлеющем разряде / О.А. Нерушев, С.А. Новопашин, В.В. Радченко и др.// Письма в ЖЭТФ. - 1997. - т. 66, № 11. - С. 679-682.

138.Nerushev, О. A. Spherical stratification of a glow discharge / О. A. Nerushev, S.A. Novopashin, V.V. Radchenko et al.// Physical Review E. - 1998. - vol. 58, № 4. - P. 4897-4902.

139.Scherbina, A. I. Dusty structures in spherical glow discharge / A.I. Scherbina, S.V. Burdyukh II Proceedings 3rd international Conference on The Dusty and Burning Plasmas. - Odessa, Ukraine, 2010.-P. 120-123.

140.Луизова, Л. А. От постановки задачи до принятия решения: уч. пос. по планированию эксперимента и статистической обработке его результатов для инженеров-физиков / Л. А. Луизова. - Петрозаводск, 1991. - 100 с.

141.Ваулина, О. С. Моделирование динамики сильновзаимодействующих макрочастиц в слабоионизованной плазме / О. С. Ваулина, С. А. Храпак //ЖЭТФ. - 2001. - т. 119, № 2. -С. 264-271.

142.Смирнов, Н. В. Курс теории вероятностей и математической статистики / Н.В. Смирнов, Н.В. Дунин-Барковский. - М.: Наука, 1965. - 512 с.

143.Жаховский, В. В. Аномальный нагрев системы пылевых частиц в газоразрядной плазме/ В.В. Жаховский, В.И. Молотков, А.П. Нефедов и др.//Письма в ЖЭТФ. - 1997. -т. 66, вып. 6. - С. 392-397.

144.Vaulina, О. S. Role of stochastic fluctuations in the charge on macroscopic particles in dusty plasmas/ O.S. Vaulina, A.P. Nefedov, O.F. Petrov et al. //JETP. - 1999. - vol.88, №6. -P.1130-1136.

145.Vaulina, O. S. Effect of electrostatic plasma oscillations on the kinetic energy of a charged macroparticle/ O.S. Vaulina, S.V. Vladimirov, A. Yu. Repin et al. //Physics of Plasmas. - 2006. -vol.13.-P.012111. (6 pp.)

146.Marmolino, C. On the role of stochastic heating in experiments with complex plasmas/ C.

Marmolino, U. de Angelis, A.V. Ivlev et al. // Physics of Plasmas. - 2009. - vol.16. - P.033701. (5 pp.)

147.Khrapak, S. A. Momentum transfer in complex plasmas / S.A. Khrapak, A.V. Ivlev, G.E. Morfill //Physical Review E. - 2004. - vol.70. - P.056405. (9 pp.)

148.Nunomura, S. Instability of Dust Particles in a Coulomb Crystal due to Delayed Charging/

S. Nunomura, T. Misawa, N. Ohno et al. // Physical Review Letters. - 1999. - vol. 83, № Ю. - P. 1970-1973.

149.Pustylnik, M. Y. Modification of the damping rate of the oscillations of a dust particle levitating to the delayed charging effect/ M.Y. Pustylnik, N. Ohno, S. Takamura et al.// Physical Review E. - 2006. - vol. 74. - P. 046402. (7pp.)

150.Грановский, В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток / В.Л. Грановский. -М.: Наука, 1971.-544 е.,

151.Löwen, Н. Dynamical criterion for freezing of colloidal liquids/ H. Löwen, Т. Palberg, R. Simon// Physical Review Letters. - 1993. - vol. 70. - P. 1557-1560.

152.Hoffman, G. P. Freezing and melting criteria in non-equilibrium/G. P. Hoffmann, H. Löwen// Journal of Physics: Condensed Matter. - 2001. - vol. 13. - P. 9197-9206.

153.Сысун, В.И. Заряд и потенциал пылевой частицы в плазме низкого давления с учетом ионизации в области возмущения/ В. И. Сысун, А.Д. Хахаев, О.В. Олещук и др.//Физика плазмы. - 2005. - т. 31, № 9. - С. 834-841.

154.Сысун, A.B. Зависимость потенциала и заряда пылевой частицы от межчастичного расстояния и его установление в плазме низкого давления/ А. В. Сысун, В. И. Сысун, А.Д. Хахаев и др.//Физика плазмы. - 2008. - т. 34, № 6. - С. 548-555.