Формирование устойчивых кулоновских структур заряженными диамагнитными частицами в неоднородном магнитном поле

• Автор: Савин, Сергей Федорович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 104 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Плазма, заряженные и нейтральные частицы в электромагнитных ловушках

1.1. Электромагнитные ловушки для исследования дву- и одномерных ансамблей заряженных частиц

1.1.1. Магнитная ловушка Дж. Дж. Томсона

1.1.2. Ловушка для электронов над поверхностью жидкого гелия

1.1.3. Исследования одномерных кулоновских кристаллов

1.2. Электромагнитные ловушки

1.2.1. Электродинамические ловушки Пауля

1.2.2. Лазерное удержание

1.2.3. Электростатическая ловушка

1.3. Поведение частиц в потенциальных ловушках
1.4. Силы, действующие на частицы в электромагнитных ловушках
1.5. Кулоновские кластеры и кристаллы в электромагнитных ловушках
1.6. Динамика ансамбля заряженных частиц в электромагнитных ловушках
1.7. Устойчивая левитация частиц в статическом магнитном поле
1.8. Выводы к Главе
Глава 2. Удержание заряженных частиц в статических магнитных полях
2.1. Удержание частиц в антипробкотронном магнитном поле
2.2. Удержание частиц в магнитном поле конфигурации «бейсбол»
2.3. Левитация диамагнитных макрочастиц в магнитном поле электромагнита с жёлобообразными полюсами
2.4. Магнитные характеристики материалов

2.9. Выводы к Главе

Глава 3. Аппаратура для экспериментального изучения кулоновских кластеров и кристаллов из заряженных диамагнитных частиц удерживаемых в неоднородных магнитных полях
3.1. Экспериментальная установка для проведения лабораторных экспериментов в условиях земной гравитации
3.2 Аппаратура для изучения левитирующих диамагнитных макрочастиц
в условиях микрогравитации
3.3. 3.3. Выводы к Главе
Глава 4. Эксперименты по формированию устойчивых кулоновских кластеров заряженными частицами графита в неоднородном магнитном поле
4.1. Эксперименты на наземной установке
4.2. Эксперименты «Кулоновский кристалл» на Международной космической станции
4.3. Выводы к Главе
Заключение
Основные публикации по теме диссертации
Список литературы

Введение
Актуальность темы
Интерес к физике неидеальной плазмы сильно возрос в последнее время и это направление исследований интенсивно развивается. Слабоионизованная газовая плазма всегда является идеальной. Изучение неидеальной плазмы сопряжено со значительными техническими трудностями. Изучение динамической системы заряженных макрочастиц с чисто кулоновским взаимодействием между собой и находящихся в потенциальной яме может прояснить многие аспекты поведения неидеальной плазмы. В
экспериментальных исследованиях чаще всего потенциальная яма для заряженных частиц формируется с помощью электрических и магнитных полей - различного рода электромагнитных ловушек.
В наших исследованиях мы для изучения динамики ансамблей заряженных макрочастиц впервые применили ловушки с неоднородным стационарным магнитным полем.
Устойчивые кулоновские классические (неквантовые) структуры
представляют собой ансамбли частиц, несущих заряды одного знака, испытывающих взаимное кулоновское отталкивание и удерживаемых в ограниченном объёме в стационарном состоянии. Пространственную устойчивость таких систем может обеспечить как однородный
компенсирующий заряд среды, в которой находятся заряженные частицы ансамбля, так и внешнее поле, препятствующее разлетанию частиц. Небольшое число частиц ансамбля (Ы < 102) образует кулоновский кластер, ансамбль из большого числа частиц (Ы > 10'’) может образовать регулярную пространственную структуру - кулоновский кристалл. Интерес к устойчивым

объёмноцентрированной решёток соответствующие значения потенциальной энергии, приходящейся на одну частицу (энергия Маделунга) равны:
E„om(sc)/N = - (1,760119) (q2/d);
E„om(fcc)/N = - (1,791 753) (q2/d); (1.14)
E„om(bcc)/N = - (1,791860)(q2/d), где q - заряд частицы, d = (3/4тт)'/3 среднее расстояние между частицами в ансамбле.
В основном состоянии энергия (Ьсс) решётки примерно на 0,006% меньше энергии (fcc) решетки и на 1,7% меньше энергии (sc) решётки. На основании этого делается вывод о том, что электроны в кристалле Вигнера образуют объемно-центрированную кубическую решетку; - при таком расположении электронов обеспечивается минимальная потенциальная энергия системы по сравнению с другими конфигурациями имеющими одну и туже среднюю плотность распределения электронов.
1.6. Динамика ансамбля заряженных частиц в электромагнитных ловушках
Задачи определения динамического поведения заряженных частиц в гармонической потенциальной ловушке носят сложный характер. Элементарно решается задача о движении одной частицы в гармонической потенциальной ловушке. Движение одной такой частицы сводится к гармоническим колебаниям вдоль трёх взаимно перпендикулярных осей. Движение уже двух заряженных частиц в гармоническом потенциальном поле не описывается аналитическими функциями за исключением случаев имеющих меру нуль в фазовом пространстве. Поэтому вопросы динамики многих частиц в потенциальных ловушках исследуются численными методами и натурными экспериментами.