Фазовые состояния и фазовые переходы в плазменно-пылевых структурах, формируемых в тлеющем разряде

• Автор: Иванов, Артем Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 93 с. : ил.

і 2 ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. НАБЛЮДЕНИЯ ФАЗОВЫХ

СОСТОЯНИЙ И ПЕРЕХОДОВ В ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУРАХ

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ

1.1. Методы описания фазового состояния плазменно-пылевых структур

1.1.1 .Определение трансляционного порядка

1.1.2. Определение ориентационного порядка

1.1.3. Описание фазового перехода

1.2. Наблюдения различных фазовых состояний в эксперименте

Количественная оценка состояний

1.3. Эксперименты, в которых наблюдалось изменение фазового состояния
пылевых структур
1.4. Постановка задачи
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ ФАЗОВЫМ
СОСТОЯНИЕМ ПЫЛЕВОЙ СТРУКТУРЫ В СТРАТИФИЦИРОВАННОМ
РАЗРЯДЕ
2.1. Техника эксперимента 32
2.1.1. Схема экспериментальной установки
2.1.2. Метод наблюдения
2.1.3. Условия разряда и параметры частиц
2.2. Создание структуры высокой упорядоченности
2.4. Изменение порядка в расположении частиц посредством формирования
границ структуры термофоретическим воздействием
ГЛАВА 3. ПЕРЕХОД ТИПА ПЛАВЛЕНИЯ, ИНИЦИИРОВАННЫЙ і
МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
3.1. Описание механического состояния исследуемой пылевой структуры
-3.2. Описание эксперимента по наблюдению'фазового состояния пылевой
структуры при изменении магнитного поля

3.3. Количественное описание изменения фазового состояния пылевой структуры с ростом магнитного поля
3.3.1. Характеристика последовательных состояний структуры при изменении магнитного поля с позиции теории двумерного плавления КТШЧУ
3.3.2. Характеристика последовательных состояний структуры при изменении магнитного поля с позиции феноменологического подхода. 60 ГЛАВА 4. ОПТИЧЕСКОЕ СКАНИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР ФОРМИРУЕМЫХ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ
4.1. Литературный обзор. Наблюдения фазовых состояний в трехмерных пылевых структурах, количественные методы описания
4.2. Эксперимент по оптическому сканированию пылевой структуры в страте
4.3. Количественное описание фазового состояния трехмерной структуры по результатам сканирования
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Пылевая (комплексная) плазма представляет собой многокомпонентную плазму, в которой пылевая компонента (макрочастицы размером 0.01 - 100 мкм) находится в состоянии сильной связи или сильных корреляций [1-10]. Попадая в газоразрядную плазму, пылинки приобретают значительный отрицательный заряд (до 10б элементарных), что позволяет им удерживаться и левитировать в разрядной камере в области сильного электрического поля.
Поскольку используемые частицы имеют размеры порядка мкм и более, они эффективно рассеивают свет. Среднее расстояние между пылинками в разряде обычно составляет доли миллиметра, что позволяет в экспериментах регистрировать пылевые структуры в оптическом диапазоне методом прямой визуализации.
Одним из методов изучения пылевой плазмы является наложение разного рода внешних воздействий: тепловых градиентов, оптических и радиоактивных излучений, ударных волн, постоянных и переменных электрических и магнитных полей, а также нескольких воздействий разной природы одновременно.
Среди приложений пылевой плазмы сегодня известны экология, энергетика, технологические процессы. Но основным приложением пока являются фундаментальные исследования: процессы самоорганизации,
фазовые переходы, взаимодействие плазмы с веществом, нелинейные явления и др.
В пылевой компоненте формируются структуры жидкостного или кристаллического типов, если параметр связи Г = и/(кТ) (И - потенциальная энергия взаимодействия пылевых частиц, Т — их температура) достигает величины 1 и более. В 1986 г. Икези [11] было высказано предположение о возможной кристаллизации пылевой компоненты в неравновесной

секунду. Очертания пылевых частиц на видеокадрах не разрешаются. Это, в частности, связано с колебаниями частицы и с ее вращением вокруг своей оси [35-38] с частотой много больше частоты съемки.
Для определения координат частиц по записанному видеоряду производилась компьютерная обработка с помощью разработанного программного кода. Образ каждой частицы на одном видеокадре представляет собой пятно с некоторым распределением интенсивности. При обработке для сглаживания фонового шума кадр подвергался фильтрации по методу Гаусса. Эта операция существенно сглаживает фоновые шумы, не смещая центр пятна, при размере пятна больше характерных размеров флуктуаций в фоне кадра, что всегда выполнялось в записанном видеоряде. Координаты частиц определялись усреднением по полученному пятну с весовой функцией - зависимостью интенсивности в пятне от координаты. ' Точность определения координат зависела от разрешения и размера пятна, однако была субпиксельной во всех измерениях.
2.1.3. Условия разряда и параметры частиц
Разряд зажигался в неоне, а также в смеси неона с водородом. Диапазон ' параметров разряда определялся условиями существования стоячих страт. Устойчивые пылевые структуры существуют в еще более узкой области параметров. Давление изменялось в пределах от 0.2 до 1.4 Topp, разрядный ток - от 1 до 5 мА. Расстояние между стратами составляло 2 - 2.5 см, длина светящейся части до 1 см. В работе использовались частицы ниобата лития (LiNbCT) плотностью 4.6 г/см3. Характерный размер засыпного порошка составлял около 1 мкм (определение размеров частиц, зависающих в стратах, производилось экспериментально, описано в Главе 4).
2.2. Создание структуры высокой упорядоченности
Для создания высокоупорядоченного плазменного кристалла в страте необходим стабильный разряд и монодисперсные порошки. При их