Введение к работе
Актуальность работы
При определенных условиях в плазме, в частности, в тлеющем разряде постоянного тока в газах из введенных в плазму макрочастиц размером от нескольких до сотен микрометров возникают самоупорядоченные плазменно-пылевые структуры В случае высокой степени упорядоченности структуры называют "плазменным кристаллом"
При диагностике пылевых образований особую роль играет выяснение геометрических параметров формируемой в плазме структуры пылевых частиц Традиционно пространственная диагностика плазменно-пылевых структур сводится к анализу их изображений, полученных в лазерном "ноже", т е в каждый момент времени регистрируется одно горизонтальное или вертикальное изображение структуры, не отражающее распределение частиц в пространстве, если речь не касается исследования монослойных плазменных образований Достоверность получаемых таким способом результатов зависит от толщины "ножа" и характера структуры, в некоторых случаях возможны значительные ошибки как в оценке среднего расстояния между частицами, так и в виде парной корреляционной функции, характеризующей степень упорядоченности структуры В некоторых экспериментах плазменно-пылевые объекты наблюдались путем горизонтального сканирования вертикальным лазерным "ножом" При этом осуществлялась запись положения каждой частицы с помощью телекамеры Полная длительность такого сканирования составляла более десятка секунд, что совершенно неприемлемо в случае осцилляции частиц Использование же классической стереоскопической системы машинного зрения позволяет осуществлять реконструкцию только приблизительно, поскольку остается не решенной задача сопряжения характерных точек изображений
Поэтому существует необходимость развивать методы оптической томографии применительно к задаче пространственной диагностики пылевых структур, позволяющие получать полную и достоверную информацию о пространственном распределении частиц в плазменно-пылевых образованиях
Цель работы, задачи
Главная цель данной работы - на основе оптической томографии разработать метод пространственной диагностики пылевых структур,
позволяющий получать полную и достоверную информацию о распределении частиц в плазменно-пылевых образованиях
Для достижения этой цели необходимо решить ряд задач
Проанализировать существующие оптические методы пространственной диагностики плазменно-пылевых структур
Адаптировать метод оптической томографии применительно к задаче пространственной диагностики пылевых структур
Сформулировать ограничения и условия применимости метода
Разработать алгоритм реализации метода, учитывая ограничения, накладываемые используемой аппаратурой и условиями проведения эксперимента
Разработать необходимое ПО Проверить работоспособность и эффективность разработанного алгоритма с использованием модельных и экспериментальных проекционных данных
Предложить способ подготовки экспериментально полученных изображений структур для дальнейшей обработки разработанным алгоритмом томографии
Проиллюстрировать работоспособность предложенного метода и алгоритма его реализации определением распределения частиц в малых пылевых структурах в тлеющем разряде постоянного тока
Научная новизна
Развит метод оптической томографии применительно к задаче пространственной диагностики плазменно-пылевых образований
Сформулированы ограничения и условия применимости развитого метода
Предложен и реализован новый алгоритм томографии, увеличивающий надежность и объективность получения информации о пространственном распределении частиц в пылевых образованиях
Впервые предложенным методом в тлеющем разряде постоянного тока проведено исследование зависимости межчастичных расстояний трехмерной пылевой структуры от условий разряда
Научно-практическая значимость работы
Развитая методика, разработанный алгоритм и созданное программное обеспечение позволяют решать целый класс задач, в которых ключевым моментом является выяснение пространственных геометрических параметров формируемой в плазме структуры пылевых микрочастиц расстояния между частицами и степень упорядоченности структуры
Так, например, разработанная методика необходима при исследовании переходной области между различными типами кристаллических структур пылевых образований для настоящего 3-х мерного случая, исследовании микроскопической геометрии структурного перехода, его стабильности и динамики, отклика на различные типы малых колебательных возмущений, изучения дислокации кристаллической решетки и трехмерный анализ дефектов
Изучение плазменных кластеров (как двумерных, так и трехмерных) представляет собой отдельную, очень интересную, развивающуюся область исследований Здесь поставлено множество вопросов, в решение которых представленная методика может сыграть существенную роль, как инструмент контроля геометрических параметров
одной из наиболее интересных проблем является образование центров кристаллизации, переход от "пылевой" молекулы к молекулярному кластеру и, затем, к твердому состоянию
проблема непрерывного перехода малых пылевых кластеров с небольшим количеством пылинок к трехмерным или двумерным "кристаллам" с многими пылинками
исследования кластеров, образованных пылинками одного размера, на однородном фоне пылинок другого размера с целью определения роли коллективного взаимодействия в комплексной плазме
исследование двойных смесей (кластеров с пылинками различного размера) и неоднородных кластеров
Результаты разработки комплекса программных средств могут быть использованы и уже активно используются в научно-образовательном процессе при подготовке специалистов по физической электронике и информационно-измерительной технике в Петрозаводском государственном университете
На защиту выносятся:
Метод оптической томографии, адаптированный применительно к задаче пространственной диагностики плазменно-пылевых структур, для которого сформулированы ограничения и условия применимости
Разработанный алгоритм томографии, реализованный в приложении к задаче пространственной диагностики пылевых структур, позволяющий итеративно находить оптимальное решение, повышающий объективность и надежность получения информации
Набор программных модулей "Tomography 2", основанный на предложенном алгоритме, в реализации которых учитывалось влияние
используемых оптических систем регистрации и зашумленность проекционных данных
4 Зависимости межчастичных расстояний трехмерной пылевой структуры из полидисперсного порошка с диаметром частиц от нескольких единиц до нескольких десятков микрон от токов и давлений в тлеющем разряде постоянного тока в Аг
Апробация работы