Диссипативные процессы и нелинейные ионно-звуковые возмущения в пылевой плазме

• Автор: Гиско, Андрей Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 124 с. : ил.

1 ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ

1.1 Образование и рост пылевых частиц

1.2 Плазменно-пылевой кристалл

1.3 Комплексная плазма

1.4 Линейные волны

1.5 Нелинейные возмущения

1.6 Пылевые ионно-звуковые нелинейные возмущения

1.6.1 Эксперименты в Институте по наукам о космосе и космонавтике (Япония)

1.6.2 Эксперименты в Университете штата Айова (США)

1.6.3 Теоретические исследования

1.7 Нелинейные возмущения, связанные с движением пылевых частиц , ,

2 ДИССИПАТИВНЫЕ ПРОЦЕССЫ
2.1 Кинетическое затухание пылевых ионно-звуковых волн
2.1.1 Диэлектрическая проницаемость
2.1.2 Кинетический декремент затухания
2.2 Гидродинамические модели пылевой плазмы
2.3 Эксперименты и модель ионизирующего источника
2.4 Роль затухания, описываемого на кинетическом уровне
2.5 Заключительные замечания
3 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ФОТОЭФФЕКТА
3.1 Квазистационарные нелинейные волны
3.2 Диссипативные процессы

3.3 Нелинейная эволюция возмущения
3.3.1 Метод расчета
3.3.2 Результаты расчетов
3.4 Заключительные замечания
4 ЯВЛЕНИЯ В СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЕ
4.1 Пыль в Солнечной системе
4.2 Взаимодействие пылевой комы кометы с солнечным ветром
4.3 Активные эксперименты и возможность наблюдения ударных волн
4.4 Заключительные замечания
Заключение
Библиография

Актуальность темы. В настоящее время интенсивно исследуются процессы, происходящие в пылевой плазме. На интенсивность исследований, в частности, указывают количество книг [1, 2, 3] и обзоров [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25], опубликованных по этой теме за последние годы. В девяностые годы прошлого века число публикаций по пылевой плазме росло экспоненциально, причем заметного насыщения в настоящее время не наблюдается [25]. Сейчас ежегодно публикуется порядка тысячи статей на эту тему.
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий частицы конденсированного вещества, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне. Иногда эту плазму называют комплексной, коллоидной или плазмой с конденсированной дисперсной фазой. В лабораторных условиях пылевая плазма была впервые обнаружена Лэнг-мюром еще в 1920-х гг. Однако ее активное исследование началось лишь в последние десятилетия в связи с целым рядом приложений, таких как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика рабочего тела магнитогидродинамических генераторов на твердом топливе, физика пылегазовых облаков в атмосфере, физика серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений в летней полярной мезосфере Земли. Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33]. Они обнаружены в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена также вблизи искуственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием. Повышенный интерес к изучению пылевой плазмы связан также с рядом приложений таких, как технологии плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также при производстве тонких пленок и наночастиц. Наличие пылевых частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности полупроводникового элемента и тем самым к увеличению выхода дефектных элеменов, но и возмущает плазму, как правило, непредсказуемым образом. Уменьшение или предотвращение этих негативных эффектов невозможно без изучения свойств пылевой плазмы.
Ряд процессов в пылевой плазме, среди которых можно выделить рекомбина,-цшо электронов и ионов на поверхности пылевых частиц, фотоэффект и другие, приводит к их быстрой зарядке. Наличие заряженной пыли существенным образом

Уравнение, описывающее поведение концентрации электронов, соответствует распределению Больцмана; при этом подразумевается, что роль захваченных электронов незначительна:
пе = пеоех р(|г)' (2.50)
В модели также используются уравнение Пуассона для электростатического потенциала
дху = 4тге (пе + ЯлПл ~ Щ) (2.51)
и уравнение, описывающее изменение заряда пылевых частиц
= 1е{Ял) + Ь{Чсд, (2.52)
где микроскопические электронный и ионный токи на пылевую частицу выводятся из формул (2.7) и (2.1) в предположении максвелловских распределений ионов, движущихся с конечной направленной скоростью цг, и электронов, и имеют вид
2,8 Те1/2 (ецл . ,
1е«-та е пе ехр — , (2.53)

аТеУ’
+ « ). (2.54)
д V атпг^) уЪ>п)
Линеаризация системы уравнений (2.46)—(2.47), (2.50)—(2.54) и использование преобразования Фурье позволяют получить следующее дисперсионное уравнение для ионно-звуковых колебаний системы:
Чк|Х, = 1 + 7_2!+МН4 +

1 + ■
(гш - ись)(г<ц - г/) + |к|2ц|4 2„2
(1 + Яыд) у (2.55)
Ты - исъ)(ш -и)+ |к|2д^
Решение этого уравнения в виде = ыц + гЦк дает при выполнении третьего неравенства (2.37) и й, ид} < закон дисперсии ионно-звуковых волн (1.8) (Гд = ш£ и следующее выражение для декремента затухания
ис |, + V
7к « -Г = — • (2.56)
Рассмотрение других модификаций модели ионизирующего источника, где в качестве слагаемого 5) выбирается постоянная величина, приводит к аналогичным результатам. Это относится, например, к модификации модели, используемой в работе