Сильнонеидеальные кулоновские системы пылевых частиц во внешних магнитных полях

• Автор: Мясников, Максим Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 97 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Сильнонеидеальные кулоновские системы в плазме и ловушках

1.1. Методы получения пылевых структур в лабораторной плазме газовых разрядов

1.2. Пылевая плазма в условиях мирогравитации

1.3. Пылевые кластеры в плазме

1.4. Методы получения и удержания сильнонеидеальных кулоновских систем состоящих из частиц с зарядами одного знака

1.4.1. Ловушки Пеннинга

1.4.2. Линейные ловушки Пауля

1.5. Свойства кулоновских кластеров

1.6. Механизмы электризации пылевых частиц

1.6.1. Кинетика зарядки пылевых частиц в плазме
1.6.2. Эмиссионная зарядка пылевых частиц
1.7. Заключение к Главе
Глава 2. Сильнонеидеальные кулоновские системы во внешних магнитных полях: методы исследования и экспериментальные установки
2.1. Диамагнитные частицы в неоднородном магнитном поле
2.2. Лабораторные эксперименты
2.3. Экспериментальная установка для исследования левитации заряженных диамагнитных частиц в неоднородном магнитном поле
в условиях микрогравитации
2.4. Расчет электромагнитного поля в экспериментальной
установке "Кулоновский кристалл" методом конечных элементов

2.4.1. Использование метода конечных элементов в трехмерных задачах электродинамики
2.4.2. Трехмерные задачи магнито- и электростатики
2.4.3. Результаты численного расчета магнитного и электрического
полей в экспериментальной установке "Кулоновский кристалл"
2.5. Заключение к Главе
Глава 3. Сильнонеидеальные кулоновские системы пылевых частиц в неоднородном магнитном поле в условиях микрогравитации: результаты исследования
3.1. Поведение структуры макрочастиц графита в условиях микрогравитации
3.2. Форма кулоновского кластера
3.3. Колебания кулоновского ансамбля из частиц графита
3.4. Расчет заряда на частицах
3.5. Заключение к Главе
Глава 4. Моделирование формирования упорядоченных структур из заряженных диамагнитных макрочастиц в антипробкотронном магнитном поле методом молекулярной динамики
4.1. Уравнения движения макрочастиц
4.2. Моделирование формирования кулоновских кластеров из диамагнитных заряженных частиц
4.3. Двумерные кулоновские кластеры из диамагнитных
заряженных частиц
4.4. Заключение к Главе
Заключение
Основные публикации по теме диссертации
Список литературы

Введение
Актуальность темы
В последние годы большой теоретический и практический интерес представляет изучение сильно взаимодействующих устойчивых кулоновских систем - ансамблей частиц, несущих заряд одного знака и испытывающих взаимное кулоновское отталкивание.
Упорядоченные пылевые структуры жидкостного и кристаллического типа в газоразрядной плазме часто рассматриваются в качестве физической модели сильно взаимодействующих кулоновских систем [1-5]. Многие явления в таких системах (фазовые переходы, волновые процессы, возникновение неустойчивостей различного типа) могут экспериментально моделироваться с помощью этих структур и изучаться на кинетическом уровне.
Одной из основных характеристик системы многих взаимодействующих частиц, является параметр неидеальности, определяемый как отношение потенциальной энергии взаимодействия между соседними частицами к их средней кинетической энергии. Для кулоновского взаимодействия между заряженными частицами
Z2e2 г

где rd = nd ' 3 - среднее расстояние между пылевыми частицами, а Td - кинетическая температура пылевых частиц, характеризующая кинетическую энергию их стохастического движения.
В случае Г > 1 систему принято называть неидеальной.
К свойствам, делающим пылевую плазму не только привлекательным для изучения объектом, но и эффективным инструментом для исследования свойств сильно неидеальной плазмы, а также фундаментальных свойств кристаллов, следует отнести относительную простоту получения, наблюдения и управления

объясняется тем, что в стационарном состоянии большая часть электронов не должна иметь достаточной кинетической энергии для преодоления разности потенциалов между поверхностью пылевой частицы и окружающей плазмой.
Поглощение электронов и ионов плазмы не является единственным механизмом зарядки пылевых частиц. В частности, электроны могут эмитироваться с поверхности пылевой частицы благодаря процессам термоэлектронной, фотоэлектронной и вторичной электронной эмиссии. Особенно важны эти процессы для зарядки частиц конденсированной дисперсной фазы в рабочих средах МГД-генераторов и ракетных двигателей [111-114, 115], в верхних слоях атмосферы [43], в космосе [116,117, 118] и некоторых лабораторных экспериментах (например, в термической плазме [111,13-15,119,120], плазме, индуцированной УФ излучением, или с фотоэлектронной зарядкой пылевых частиц, плазме с наличием электронных пучков [121] и т.д.). Эмиссия электронов увеличивает заряд частицы, и, при определенных условиях он может оказаться положительным, в отличие от ситуации рассмотренной выше. Более того, благодаря эмиссионным процессам оказывается принципиально возможным существование двухкомпонентной системы пылевых частиц и эмитированных ими электронов. В этом случае, равновесный потенциал (заряд) пылевой частицы будет определяться балансом между поглощением электронов на ее поверхности и термоэмиссионным током с поверхности частицы, а условие квазинейтральности имеет вид
Zdnd = ne. (I-Ю)
(Здесь пе, nd - концентрации электронов и пылевых частиц, соответственно) Такая система служит простейшей моделью для исследования различных процессов, связанных с эмиссионной зарядкой пылевых частиц [111, 112].