Формирование неизотропных пылевых структур в слабоионизованной комплексной плазме

• Автор: Лисина, Ирина Игоревна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 131 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР, ФОРМИРУЮЩИХСЯ В КОМПЛЕКСНОЙ ПЛАЗМЕ

1Л. Пылевые структуры в лабораторной плазме газовых разрядов

1.1.1. Слоистые пылевые структуры в плазме высокочастотного разряда..

1.1.2.Цепочечные пылевые структуры в газоразрядной плазме

1.1.3.Несферические пылевые частицы (стержни) в комплексной плазме

1.2. Модель для описания свойств пылевой плазмы и методы численного моделирования динамики зарязкенных частиц в неидеальных системах

1.2.1.Моделирование взаимодействия между пылевыми частицами в плазме.

1.2.2.Неидеальность пылевой подсистемы комплексной плазмы

1.2.3.Моделирование стохастических процессов в пылевой подсистеме комплексной плазмы
1.2.4. Численное моделирование динамики взаимодействующих частиц вблизи от положения равновесия в неидеальных системах
1.3. Краткий обзор теоретических и численных работ, посвященных исследованию анизотропного потенциала вокруг пылевой частицы в плазме
1.4. Выводы
ГЛАВА СФОРМИРОВАНИЕ ЦЕПОЧЕЧНЫХ СТРУКТУР ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ИЗОТРОПНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
2.1. Параметры исследуемых систем
2.2. Устойчивость вертикальной конфигурации системы из двух идентичных заряженных частиц
2.3. Задача о нарушении вертикальной конфигурации в изначально одномерной цепочке частиц
2.4. Проверка предложенного критерия с помощью численного моделирования
2.5. Выводы
ГЛАВА 3. ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕПОЧЕЧНЫХ СТРУКТУР ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ
3.1. Распределение плотности заряда по поверхности проводящей и диэлектрической цилиндрической частицы при зарядке во внешнем электрическом поле
3.2. Модель взаимодействия равномерно заряженных стерзкней
3.3. Теоретическое исследование условий формирования цепочечных конфигураций стерзкней при их различной ориентации в электрическом поле ловушки
3.3.1.Ориентация одной цилиндрической! частицы а электрическом поле ловушки

3.3.2.Ориентация двух цилиндрических частиц в электрическом поле
З.З.З.Радиальная неустойчивость в изначально одномерной цепочке заряженных цилиндров
3.4. Параметры численной задачи и техника моделирования динамики частиц анизотропной формы
3.4.1.Техника моделирования динамики частиц анизотропной формы
3.4.2.Параметры численной задачи
3.5. Результаты численного моделирования
3.5.1. Ориентация цилиндрических частиц
3.5.2.Устойчивость вертикальной конфигурации в расположении цилиндрических частиц
3.6. Выводы
ГЛАВА 4...ФОРМИРОВАНИЕ ЦЕПОЧЕЧНЫХ И СЛОИСТЫХ СТРУКТУР В СИСТЕМАХ ЧАСТИЦ С АНИЗОТРОПНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
4.1. Кратхсий обзор работ об исследовании условий формирования цепочечных и слоистых пылевых структур в потоке плазмы
4.2. Модель анизотропного взаимодействия
4.3. Условия существования вертикальной цепочечной конфигурации частиц с анизотропным взаимодействием при их флуктуациях в радиальном и в вертикальном направлениях
4.3.1. Радиальная неустойчивость
4.3.2.Вертикальная неустойчивость
4.4. Результаты численного моделирования протяженных и ограниченных цепочечных структур
4.4.1. Параметры численной задачи
4.4.2.Результаты численного моделирования и их обсуждение
4.5. Подкачка дополнительной энергии в системах с непопарным анизотропным взаимодействием
4.6. Условия формирования слоистых структур в системах с непопарным анизотропным взаимодействием
4.6.1.Условия формирования дополнительного слоя частиц в изначально монослойных системах
4.6.2.Полиморфизм конфигураций в вертикальном расположении пылевых частиц.
4.7. Результаты численного моделирования однородных протяженных структур
4.8. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время исследованию условий формирования неизотропных структур взаимодействующих частиц (таких как цепочечные или слоистые структуры) уделяется значительное внимание в различных областях науки и техники [1-5]. Помимо фундаментальных аспектов, изучение таких систем представляет особый прикладной интерес в области нано- и микротехнологий, а также при разработке покрытий и материалов с заданными свойствами [3, 4, 6, 7].
Существует немало работ, посвященных анализу условий формирования неизотропных систем [8-17]. Большинство из них касаются исследований систем сферических частиц с изотропным парным взаимодействием. Такие системы легче поддаются математическому описанию и наиболее просты для понимания.
Хорошей экспериментальной моделью для изучения свойств сильно неизотропных структур является лабораторная пылевая (комплексная) плазма, которая представляет собой ионизованный газ, содержащий заряженные макроскопические (пылевые) частицы вещества микронных размеров (макрочастицы) [3, 4, 6, 18-20]. Попадая в плазму извне, или самопроизвольно образуясь в ней в результате различных процессов, пылевые частицы могут приобретать значительный отрицательный или положительный электрический заряд (порядка 102—10б элементарных зарядов для частиц микронного размера), в зависимости от конкретных механизмов зарядки, реализуемых в плазме. Поскольку потенциальная энергия электростатического взаимодействия между заряженными частицами пропорциональна произведению зарядов взаимодействующих частиц, то неидеальность подсистемы пылевых частиц реализуется значительно легче, чем неидеальность электрон-ионной подсистемы, хотя концентрация макрочастиц на несколько порядков меньше концентраций электронов и ионов. В результате оказывается возможна самоорганизация

приближение анизотропного кильватерного взаимодействия обычно привлекается для объяснения вертикальной упорядоченности пылевых частиц, наблюдаемой в приэлектродных слоях емкостных вч- разрядов, за счет сил притяжения, вызванных эффектами ионной фокусировки [3, 18].
В недавней работе [130] на основе детальных молекулярнодинамических расчетов было показано, что в условиях, типичных для экспериментов с пылевой плазмой (т.е. газовом разряде при давлениях 10-100 Па), образование ионного облака за пылевой частицей сильно подавлено столкновениями. Однако взаимодействие между пылевыми частицами в такой плазме по-прежнему может быть существенно анизотропным из-за поляризации в электрическом поле облака захваченных пылевыми частицами (связанных) ионов. Такой эффект приводит к квазидиполь-дипольному межчастичному взаимодействию.
Таким образом, факторы, приводящие к дипольному характеру взаимодействия между пылевыми частицами в слабоионизованной плазме во внешнем электрическом поле, могут быть различными.
1.4. Выводы
В первой главе приведен краткий обзор работ, посвященных экспериментальному исследованию и наблюдению различных типов неизотропных пылевых структур в лабораторной плазме газовых разрядов, таких как квазиодномерные вертикальные цепочки, квазидвумерные вертикальные зигзагообразные и горизонтальные слоистые структуры, а также различные спиралевидные и другие трехмерные неизотропные структуры более сложной формы.
Представлено описание методов и подходов, используемых при теоретических и численных исследованиях свойств пылевых структур в лабораторной плазме газовых разрядов. Большинство теоретических работ по анализу условий формирования цепочечных и слоистых пылевых структур в комплексной плазме были основаны на предположении об