Введение к работе
Актуальность темы исследований: Термическая плазма с макроскопическими частицами дисперсной фазы представляет собой низкотемпературную плазму, содержащую жидкие или твердые час-пщы вещества. В литературе такую плазму называют также пылевой, аэрозольной, коллоидной или плазмой с дисперсной фазой. Характерные размеры макрочастиц могут изменяться в очень широких пределах - от десятков ангстрем до сотен микрон, а концентрация может быть достаточно большой для того, чтобы существенно изменить свойства плазмы. Активное исследование плазмы с макрочастицами началось лишь в последние десятилетня в связи с целым рядом, приложений, таких, как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлнв, электрофизика рабочего тела магнитогидродинамического генератора на твердом топливе, физика пылегазовых облаков в атмосфере. Плазма с макрочастицами широко распространена в космосе. Она обнаружена в планетных кольцах, хвостах комет, вблизи поверхности Луны, в межпланетных и межзвездных облаках. В последние годы повышенный интерес к изучению свойств пылевой плазмы связан с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике и при производстве тонких пленок.
Внимание к плазме с макрочастицами еще более усилилось после обнаружения упорядоченных структур сразу в нескольких типах плазмы [1-3]. Возможность возникновения дальнего порядка в кулоновекпх системах рассматривалась ранее в ряде теоретических' работ, причем определяющим параметром является параметр неидеальностн Г - отношение потенциальной энергии кулоновского взаимодействия к кинетической энергии теплового движения.
В, данный момент большой интерес представляет проведение еірогого количественного сравнения результатов наблюдения упорядоченных структур с результатами теоретических экспериментов. Возникающие здесь затруднения обусловлены тем, что эксперименты носили, в основном, феноменологический характер, поставив множество вопросов, касающихся как- энергии взаимодействия макрочастиц, так и величины их кинетической энергии.
Цель, диссертационной работы - изучение упорядоченных сгр\кі\р макрочастиц в низкотемпературной термической плазме. )іа цель преднолаїаеі как диагностику структур макрочастиц и определение (мраметрон дисперсной среды, так и, сравнение экспериментальных резун.іаіок с ретч.п.таїлми численного моделирования.' В результате проведенного сопоставления моп і быть сделаны выводы о механизмах взаимодействия макрочастиц и о процессе 'формирования структуры макрочастиц в термической плаїмс.
Научная новизна работы состоит в следующем: Впервые маолкма.шсь
упорядоченные структуры и термической плазме с частицами дисперсной фа .ы
; Рассмотрены: зарядовый состав плазмы, возможные механмімм мря їм;
макрочасіїщ и энергия их взаимодействия а также процессы формирования
упорядоченных структур макрочастиц. Предложены оригинальные методы для
одновременного определения следующих параметров плазмы с
макрочастицами: средние размеры, концентрация и температура макрочастиц,
температура газовой фазы, концентрации атомов щелочного металла, ионов и
электронов. Предложена методика для изучения упорядоченных структур
макрочастиц. В результате сопоставления результатов проведенных
экспериментов с результатами численного моделирования
а)нолучсны новые данные о зарядовом составе термической плазмы с
макрочастицами;
б)выбрана модель взаимодействия макрочастиц наилучшим образом
описывающая изучаемую систему;
в)изучсна динамика формирования плазменпо-пылевого кристалла в
термической плазме.
Научная и практическая ценность работы
В данной работе разработаны новые и модифицированы существующие средства и методы диагностики низкотемпературной плазмы с макрочастицами. Эти методы могут применяться для контроля за протеканием различных технологических процессов, качественным и количественным составом частиц в энергетических установках, камерах сгорания, дымовы:; трубах и т.д.
Данная работа является комплексным исследованием таких свойств силыюнеидеалыюй пылевой плазмы как электропроводность, распространение оптического излучения, а также динамики и условий формирования упорядоченных структур макрочастиц.
Впервые экспериментально и теоретически исследовалось возникновение упорядоченной структуры в системе заряженных макрочастиц.' Плазменные кристаллы обладают целым рядом уникальных свойств .делающих их незаменимым .инструментом как при исследовании свойств сильно неидеальной плазмы, так и при исследовании фундаментальных свойств кристаллов. К ним следует отнести простоту их получения, наблюдения и контроля за их параметрами, а также быстрые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения.
Проведено экспериментальное изучение различных механизмов зарядки частиц и их влияния на образование плазменно-пылевых структур.
Научные положения, выносимые на защиту ._
-
Автоматизированный экспериментальный стенд, для изучения термической плазмы с макрочастицами.
-
Методика определения зарядового состава плазмы с макрочастицами.
-
Результаты экспериментальных и численных исследовании зарядового состава'плазмы с макрочастицами.
-
Методика диагностики упорядоченных структур макрочастиц а термической плазме. *
-
Результаты экспериментальных исследований упорядоченных структур макрочастиц в термической плазме.
Аппробация результатов работы
Основные результаты работы докладывались на Конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1995), на III Межюсударстиениой научно-технической конференции по оптическим методам исследования потоков (Москва, 1995), на Х111 Европейской конференции но атомной и молекулярной физике ионизованных газов (Попрад, Словакия, 1996), па !2-ой Международной МГД-конференции (Иокогама, Япония,1996), на 3-м Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1996), на Международной конференции по физике пылевой плазмы (Гоа, Индия,1996), на 39-ой Научной конференции МФТИ (Москва, 1996), на 34-ой Конференции SEAM (Миссисипи, 1997), на Конференции по физике кластеров в плазме и і азах (Пущино, 1997), на 23-ей Конференции 1GP1G (Тулуза, Франция, 1997), на 4-ой Межгосударственной научно-технической конференции по оптическим методам исследования потоков (Москва, 1997), на Конференции по физике плазмы и плазменным технологиям (Минск, 1997), на 40-ой Юбилейной научной конференции МФТИ (Москва, 1997), .на семинарах и конференциях п 11ПТА11.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы п 28 печатных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 110 панмепоь.ший. Содержание работы изложено на 141 странице текста, включает 46 рисунков п 3 таблицы.
