Тележка полукозлового крана

 

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

2. ПРОЦЕС ЗАРЯДКИ ПИЛОВОЇ ЧАСТИНКИ

3. ВЗАЄМОДІЯ МІЖ ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ

4. НЕІДЕАЛЬНІСТЬ ПИЛОВОЇ КОМПОНЕНТИ

5. ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ В ПИЛОВИЙ ПЛАЗМІ

6. ТРИВИМІРНІ КРИСТАЛІЧНІ СТРУКТУРИ МАКРОЧАСТИНОК В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

ВИСНОВКИ

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Комплексна (пилова) плазма - область фізики, яка дуже бурхливо розвивається сьогодні. Її особливістю є сильний зв'язок між однією з компонент - пиловими частинками, які мають великий електричний заряд-до 106 елементарних. Така плазма є не ідеальною. У ній утворюються структури різного ступеня впорядкованості: плазмовий кулонівський кристал, пилова рідина. Фізика формування структур, сил взаємодії між пиловими частинками сьогодні дуже активно вивчається. Пилова плазма широко поширена в природі, наприклад, в астрофізичних об'єктах. Вона утворюється в технологічних процесах, в продуктах згоряння, при виготовленні мікросхем і тонких плівок, при ядерних вибухах.

Пилова плазма, яка складається з електронів, іонів та заряджених пилових частинок, останнім часом є предметом інтенсивних досліджень. Це обумовлено широким розповсюдженням такої плазми в космосі [1,2], лабораторних експериментах та промислових установках плазмового травлення для створення комп`ютерних мікросхем, нанесення плівок [3]. Проведені експериментальні дослідження показали, що для пилової плазми характерні процеси самоорганізації, внаслідок яких пилові частинки локалізуються в областях з різкими границями. Зокрема, дослідження запорошеної плазми в умовах мікрогравітації показали утворення пилових згустків та пустот, які мають стійкі границі з шириною, порядку відстані між пиловими частинками [4,5]. В ряді робіт були запропоновані теоретичні пояснення цього явища. В [5] було висунуто ідею, що утворення пустот всередині пилових згустків обумовлено розвитком плазмових нестійкостей і вирішальне значення має дія на пилові частинки електричної сили та сили іонного вітру. Проте в цьому питанні ще не існує повного розуміння. В більшості моделей використовуються рівноважні розподіли для електронів та іонів, справедливість яких викликає сумнів. Зокрема, в [6] показано, що на границях між електрон-іонною плазмою і плазмою з пиловими частинками виникають подвійні шари, які можуть пояснити утворення різких границь в запорошеній плазмі. Для самоузгодженого описання процесу утворення вказаних структур необхідно враховувати іонну інерцію.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Пилова плазма є квазінейтральний іонізований газ з твердими частинками, які в плазму вводяться ззовні, або в ній утворюються і ростуть. У лабораторній пиловий плазмі макрочастинки (пилові частинки) можуть мати розмір а от 0, 01 до100 мкм. Взагалі, пиловою частинкою вважається та, розмір якої менше дебаївського радіусу а <d. У лабораторних умовах пилова плазма була вперше виявлена Ленгмюром ще в 1924 році. Її утримання в розряді відбувається за рахунок появи негативного заряду у пилових частинок. Тіло, поміщене в плазму, знаходиться під плаваючим потенціалом ?fl. Розглядаючи частинку як тіло електроємністю С ~ a, можна оцінити її заряд: q ~ a ?fl. У низькотемпературній плазмі плаваючий потенціал може достигати 30 В, а заряд макрочастинок болем 103 елементарних. Негативно заряджені макрочастинки в області достатньо сильного електричного поля утримуються в плазмі: mdg = Eq, тут md - маса макрочастинки. У стінок газорозрядної камери (з тієї ж причини) утворюється потенційний бар'єр, і однойменно заряджені частинки не йдуть на стінки. Таким чином, газовий розряд створює "природну" потенційну пастку для пилових частинок. У плазмі створюються плазмово-пилові утворення. При підсвічуванні порошинки, наприклад, лазерним променем, можна спостерігати практично неозброєним оком. Джерелом пилових частинок є випаровуються з поверхонь камери та електродів частинки, в лабораторних експериментах частинки інжектуются в розрядну камеру зверху.

Активне дослідження пилової плазми почалося в останнє десятиліття у зв'язку з низкою додатків, таких як електрофізика і електродинаміка продуктів згоряння ракетних палив, електрофізика робочого поля магнітодинамічних генераторів на твердому паливі. Особливим стимулом стало виявлення в 1994 р. плазмово-пилових структур кристалічного типу в лабораторній плазмі високочастотного розряду.

Необхідність вивчення властивостей пилової плазми пов'язано з широким використанням технологій плазмового напилення і травлення в мікроелектроніці, а також при виробництві тонких плівок і наночастинок. Наявність частинок в плазмі не лише призводить до забруднення поверхні напівпровідникового елементу і, тим самим, до збільшення виходу браку, а й збурює плазму, часто непередбачуваним чином. Зменшення і запобігання цих негативних ефектів не можливе без розуміння процесів утворення і росту конденсованих частинок в плазмі, механізму їх перенесення і впливу на властивості розряду.

У процесах травлення існують два джерела пилових частинок. По-перше, це перенасиченість парів продуктів травлення, що призводить до сублімації частинок і крапель. У хімічно реагуючих сумішах пилові частинки утворюються в результаті хімічних реакцій. Так можна вирощувати частинки необхідних розмірів в лабораторних експериментах, а, потім, зупинивши реакцію (наприклад, зменшивши потужність, вкладаємо в розряд) їх досліджувати. Друге джерело - сам процес травлення, принцип якого полягає в наступному. Шар заряду біля стінок камери зупиняє електрони і прискорює іони, які набувають енергію, яку можна порівняти з електронною температурою kTe. Зразок для травлення має маску, і іони, що досягають його поверхні, повинні створювати локальну температуру порядку температури плавлення матеріалу зразка. Це призводить до інжекції фрагментів травлення в плазмовий об'єм.

Пил і пилова плазма широко поширені в космосі. Вони виявлені в планетарних кільцях, хвостах комет, міжпланетних і міжзоряних хмарах, поблизу штучних супутників Землі. Сьогодні роль колективних ефектів внесених пилом враховується при космічних дослідженнях. Наприклад, показано, що в кільцях Сатурна для частинок менше 1 мкм домінуючою силою взаємодії є електростатичне відштовхування. Воно визначає товщину планетарних кілець. Саме великі "пилинки" мають розмір 5 м (рівний d).

Пилова компонента існує в пристіночній області термоядерних установок з магнітним утриманням. Вона утворюється при ядерних вибухах, видаляється з відповідних установок "електричним пилососом".

Плазма як суміш газів зазвичай характеризується слабою або помірною взаємодією між компонентами (в порівнянні з їх тепловою енергією), що відокремлює цей стан речовини від твердого та рідкого станів, які характеризуються сильним взаємодією. Повністю іонізовані гарячі гази часто називаються ідеальної плазмою. Критерієм сильного зв'язку може служити параметр неідеальності (постійні зв'язки), який визначається як відношення енергії кулонівського взаємодії між сусідніми частинками до теплової енергії частинок kT, тобто

.

За такого формулювання ? ефектами екранування нехтують. Тоді при ? ? 1 в системі з'являється ближній порядок, а при ? ? 170 - дальній, тобто відбувається кристалізація. Параметр неідеальності можна збільшувати наступними способами. По-перше, підвищувати концентрацію частинок n (так відбувається в твердих тілах). У газах це можливо в ударних хвилях. Оцінка для центру Сонця, де n = 1026 см-³, Т ? 1,5 кеВ дає ? ? 0,1. По-друге, можна зменшувати температуру плазми (за умови відсутності рекомбінації). Так, кристалічні структури в однокомпонентних сумішах спостерігалися в електростатичних вакуумних пастках і пастках Паулі на іонах магнію, охолоджених до температур10-³ К. Кулонівський кристал реалізується також в колоїдних розчинах, де частинки мікронного розміру, зважені в електроліті, заражаються до величини заряду 104е. Але через сильне екранування необхідна велика концентрація частинок. Це призводить до труднощів при експериментальному вивченні. Крім того, час стійкої рівноваги дуже велике.

Третя можливість підвищення ? - збільшення заряду частинок q. В 1986 р. Ікезі було висловлено припущення про можливу кристалізації пилової компоненти в нерівноважній газорозрядній плазмі. В 1994 р. плазмово-пиловий кристал експериментально спостерігався в плазмі високочастотного розряду, поблизу нижнього електрода на кордоні прикатодної області (див. рис.1). У горизонтальному перетині площею 6, 2 мм2 знаходиться 392 порошинки діаметром 7 мкм.

Рис. 2 демонструє розташування різних лабораторних і космічних плазм на фазовій площині (n, T) (1еВ = 11600К). Суцільною лінією відокремлена область Польовий плазми (? = 1), що розділяє стану сильної і слабкої зв'язку. Раніше, область ?> 1 була доступна тільки для теоретичного дослідження з використанням чисельних методів.

Плазмовий кристал може мати різну кристалічну структуру з постійною решітки порядку доль міліметра. Це дозволяє спостерігати його неозброєним оком. Плазмові кристали мають цілу низку унікальних властивостей, що роблять їх незамінним інструментом, як при дослідженні властивостей неідеальної плазми, так і при дослідженні фундаментальних властивостей кристала. До них слід віднести простоту отримання, спостереження і контролю за параметрами, а також малі часи релаксації до рівноваги і відгуку на зовнішні обурення; можливість проводити вимірювання на кінетичному рівні: безпосередньо визначати функцію розподілу пилових частинок, детально дослідити фазові переходи.

2. ПРОЦЕС ЗАРЯДКИ ПИЛОВОЇ ЧАСТИНКИ

Пилова частинка, поміщена в плазму, у відсутності емісійних процесів з її поверхні заряджається негативно. Прийнято вважати, що електрони, які потрапили на поверхню плазми поглинаються, а іони, які підлітають до поверхні виривають електрони і рекомбінуються. Внаслідок більш високої рухливості електронів їх потік значно перевищує потік іонів, і частинка починає заряджатися негативно. З'явився у частинки негативний заряд призводить до відштовхування електронів і до тяжіння іонів. Заряд частинки змінюється до тих пір, поки не зрівняються потоки електронів та іонів на її поверхню.

Більшість теоретичних моделей зарядки пилової частинки засновані на теорії електричних зондів в плазмі. При виконанні умови

<< d << ?i (e),

виходячи тільки із законів енергії і моменту імпульсу, можна визначити переріз поглинання електронів та іонів пиловий частинкою. У припущенні, що електрони і іони поглинаються в тому випадку, якщо їх траєкторії перетинають або торкаються поверхні пилової частинки, перерізу мають вигляд

Потенціал поверхні пилової частинки відносно незбуреної плазми ? тут прийнятий негативним. Дана модель називається наближенням обмеженого орбітального руху (orbit motion limited theory OML). Потік електронів та іонів обчислюється як

де fe(i)(v) - функція розподілу електронів (іонів) за швидкостями. Для максвеллівських розподілів плазмових частинок за швидкостями

Інтегрування дає

.

За наявності спрямованого руху іонів зі швидкістю, що значно перевищує їх теплову швидкість, що характерно, наприклад, для пристінкових областей газорозрядної плазми, замість останнього виразу слід використовувати

де vs-спрямована швидкість іонів, vs >> vTi. Для сферичної частинки, за умови a << d, зв'язок заряду q = Zde з потенціалом дається виразом Zde = a?. Дане співвідношення отримане з рішення лінеарізованого завдання про розподіл потенціалу в межах сферичної макрочастинки в больцманівській плазмі. Зручно ввести безрозмірні параметри, що визначають безрозмірний заряд пилової частинки і відношення температур і мас електронів та іонів у плазмі

Стаціонарний потенціал поверхні пилової частинки, а також її заряд визначаються рівністю потоків електронів та іонів, що поглинаються частинкою. Для однозарядних іонів це умова має вигляд

Ie = Ii,

з якого при підстановці виходить рівняння

Наприклад, при значення z дорівнюватиме 1,7 і 3 відповідно.

Зауважимо, що стаціонарний потенціал поверхні пилової частинки визначається як ?fl ~-Te/e з точністю до множника порядку одиниці. Це пов'язано з тим, що більша частина електронів не має енергії, достатньої для подолання потенційного бар'єру між плазмою і поверхнею частинки. Якщо розглядати не випадковість відокремленій частинки, а випадок, коли концентрація пилових частинок велика, то можна використовувати умову квазінейтральності

ni ? ne + Zdnd.

У цьому випадку заряд пилових частинок зменшується.

Потрібно зауважити, що зарядка пилових частинок є, як правило, досить швидким процесом з характерним тимчасовим масштабом t-1~ ?0(a/de) (порядку мікросекунд).

3. ВЗАЄМОДІЯ МІЖ ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ

Взаємодія між пиловими частинками значно відрізняється від кулонівського взаємодії в вакуумі. Виходячи з моделі відокремленій частинки, можна отримати вираз для потенціалу, створюваного пиловий часткою (якщо r << d)

аналогічно виразу для дебаївського потенціалу. Отриманий потенціал часто використовується для опису взаємодії між пиловими частинками в плазмі. Однак, завдяки відкритості системи, розподілу електронів та іонів у околі частинки виявляються відмінними від больцманівських, оскільки відсутні електронні та іонні потоки, спрямовані від поверхні пилової частинки назад в плазму. Як наслідок на відстанях, які значно перевищують дебаївський радіус, потенціал частинки не екранується експоненціально, а має ступеневу асимптотику

.

Зауважимо, що питання про взаємодію між пиловими частинками у разі великих концентрацій пилу сьогодні не вирішене і вимагає подальшого дослідження.

4. НЕІДЕАЛЬНІСТЬ ПИЛОВОЇ КОМПОНЕНТИ

Система взаємодіючих частинок характеризується параметром неідеальності ?. В умовах, характерних для пилової плазми, електронна та іонна підсистеми виявляються ідеальними. Пилова підсистема при NDd >> 1 ідеальна. При цьому пил виступає як додаткова плазмова компонента, що привносить нові характерні просторові і тимчасові масштаби в систему. Зокрема, виявляється можливою появу нових низькочастотних колективних мод, якi характеризуються плазмово-пиловий частотою ?0d. Пилові частинки беруть участь в екрануванні, даючи внесок у вираз для дебаївського радіусу

У випадку, коли NDd << 1 підсистема пилових частинок не завжди ідеальна. У цьому випадку пилові частинки не виступають в ролі додаткової плазмової компоненти, а дебаївський радіус визначається тільки електронами і іонами. При цьому відстань між пиловими частинками може бути більше радіуса Дебая для пилової компоненти, але вони не обов'язково взаємодіють сильно. При розгляді кулонівського екранованого взаємодії між пиловими частинками прийнято враховувати екранування у визначенні параметра неідеальності у вигляді

Таким чином, ступінь неідеальності пиловий підсистеми визначається двома параметрами: і . У такому формулюванні враховується той факт, що само визначення дебаєїського радіусу залежить від того, чи беруть участь пилові частинки в екранування чи ні.

5. ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ В ПИЛОВИЙ ПЛАЗМІ

Як вже говорилося, Ікезі в 1986 р. було висловлено припущення про можливість кристалізації пиловий підсистеми в нерівноважній газорозряднійплазмі. Спочатку за основу був узятий критерій кристалізації однокомпонентною плазми ? = 106, що з урахуванням екранування дає ?ds?106. Цей критерій насправді не точний, що видно з рис.3, де наведені дані з розрахунку кривої кристалізації різних авторів. Можна ввести емпіричне умова кристалізації, яке збігається з результатами чисельного моделювання аж до K ? 6

Зауважимо, що часто використовується інше нормування, коли замість відстані між пиловими частинками Nd-1/3 приймається радіус Вігнера-Зейтца (4?Nd/3)-1/3. Визначені таким чином параметри більше в 1,6 разів, наприклад, кристалізація відбувається при ? ? 172. Крім того, існують феноменологічні критерії кристалізації. Наприклад, згідно з критерієм Ліндемана тверда фаза плавиться, якщо відношення зсуву частинки і міжчастинкової відстані досягає 0,1. До теперішнього часу кулонівський (або плазмовий) кристал спостерігався в експериментах майже у всіх типах розрядів.

У пиловий плазмі макроскопічні частинки можуть заряджатися потоками електронів та іонів, а також шляхом фото-, термо-або вторинної емвссії електронів з їх поверхні [7]. Емісія електронів призводить до позитивного електричного заряду частинки, при цьому концентрація електронів в газі зростає. Якщо ж частинки захоплюють електрони, то їх заряд негативний і виникає протилежний ефект - зниження електронної концентрації.

У лабораторних умовах пилова плазма була вперше виявлена І. Ленгмюра в 1920-х роках. Однак її активне дослідження почалось лише в останні десятиліття у зв'язку з цілою низкою додатків - таких як електрофізика і електродинаміка продуктів згоряння ракетних палив, електрофізика робочого тіла магнітогідродинамічних генераторів на твердому паливі, фізика газопилових хмар в атмосфері. Пил і пилова плазма широко поширені в космосі: в планетних кільцях, хвостах комет, в міжзоряних хмарах. Пилова плазма виявлена поблизу штучних супутників Землі і в пристіночній області термоядерних установок з магнітним утриманням.

У ранніх експериментах, виконаних наприкінці 50-х років, кристалічні структури спостерігалися в системі заряджених частинок заліза і алюмінію мікронних розмірів, утримуваних змінним і статичним електричними полями. У більш пізніх роботах, що відносяться до 90-м рокам [8-9], повідомлялося про спостереження кулонівської кристалізації макрочастинок в слабо іонізованій плазмі високочастотного розряду при низькому тиску. Енергія електронів в плазмі становить кілька електронвольт, а енергія іонів близька до теплової енергії атомів (~ 0.03 еВ) [10]. Якщо емісійні процеси відсутні, заряд пилової частки є негативним. Це пов'язано з тим, що на центральну пилову частинку спрямовані потоки плазмових електронів та іонів. Прийнято вважати, що потрапили на її поверхню електрони поглинаються, а підлетів до поверхні іони виривають електрони і рекомбінують. Внаслідок більш високої рухливості електронів їх потік значно перевищує потік іонів, і частинка починає заряджатися відємно. З'являється у неї негативний заряд призводить до відштовхування електронів і притяганню іонів. Заряд частки змінюється до тих пір, поки не зрівняються потоки електронів та іонів, що падають на її поверхню.

Таким чином, в експериментах з високочастотним розрядом пилові частинки набували негативний і досить великий заряд (порядку 104-105 елементарних зарядів). Хмара частинок зависало поблизу твердої поверхні (електрода) з негативним потенціалом - там, де встановлювалося рівновагу між гравітаційними і електростатичними силами. У хмарі, діаметр якого кілька сантиметрів, у вертикальному напрямку налічувалося кілька десятків шарів частинок, а відстань між ними становило кілька сотень мікрон.

Робилися спроби отримати протяжні тривимірні впорядковані структури в квазінейтральної плазмі (а не в приелектродних області) при різних механізмах зарядки пилових частинок, зокрема термо- і фотоемісії. Так, в умовах квазінейтральності рідинні структури спостерігалися у термічній плазмі при атмосферному тиску і температурі близько 1700 К. Тривимірні кристалічні структури зареєстровані і в позитивному стовпі тліючого розряду постійного струму, і в плазмі, сформованої з заряджених макрочасток, при впливі радіоактивного і ультрафіолетового випромінювання .

Просторово-впорядковані структури у термічній плазмі. У низькотемпературній плазмі температури електронів, іонів і нейтралізації були рівні. У плазмовому потоці знаходилися в підвішеному стані частинки двоокису церію (СеО2). Температура плазми становила 1700-2200 К, тиск був атмосферним [11, 12]. Для двоокису церію характерна низька робота виходу термоелектронів (~ 2.75 еВ) з поверхні. В результаті пилові частинки заряджалися потоками електронів та іонів з плазми, а також шляхом термоелектронної емісії, яка може призводити до позитивного заряду частинок. Концентрація електронів була 109-1011 см-3.

Діагностичні вимірювання дозволили отримати дані про такі параметри плазми, як концентрація позитивних іонів і електронів, температура, середній діаметр і концентрація макрочастинок. Просторові структури останніх аналізувалися за допомогою бінарної кореляційної функції g (r), яка характеризує ймовірність знаходження частинки на відстані r від даної частинки і тим самим просторове їх розташування - хаотичне або впорядковане (рідинні і кристалічні структури). Для побудови кореляційної функції в плазмових потоках застосовувався лазерний час-пролітний лічильник. Він реєструє випромінювання, розсіяне окремими частинками, які рухаються в досліджувану область плазмового потоку через вимірювальний обєм, сформований фокусуванням пучка лазера.

Вимірювання просторових структур макрочастинок порівнювалися з результатами, отриманими для аерозольного струменя з частинками двоокису церію при кімнатній температурі. Така система моделює плазму з випадковим (хаотичним) просторовим розташуванням макрочастинок ("газоподібна" плазма).

При більш низькій температурі плазми (1700 К) і більш високої концентрації частинок (5.0 х 107 см-3) кореляційна функція приймає вид, характерний для рідини. У цих умовах концентрація іонів (109 см-3) приблизно на порядок нижче концентрації електронів (5 х 1010 см-3). Заряд частинок, отриманий з умови квазінейтральності, був позитивним і складав близько 1000 елементарних зарядів. Відносно слабка упорядкованість структури в експерименті може бути пояснена кінцевим часом існування плазми (близько 20 мс), так що формування структури не встигає повністю завершитися.

пиловий плазма дебаєїський радіус

6. ТРИВИМІРНІ КРИСТАЛІЧНІ СТРУКТУРИ МАКРОЧАСТИНОК В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

На противагу термічної плазмі тліючий розряд є неізотермічною газовою плазмою при кімнатній температурі і низькому тиску. Експерименти проводилися з тліючим розрядом постійного струму в неоні при тиску газу від долі торра до декількох торр і розрядних струмах від долі міліампера до декількох міліампер.

Спостереження структур пилових частинок велися в позитивному стовпі тліючого розряду із стоячими стратами - нерухомими зонами нерівномірної світності, які регулярно чергуються з темними проміжками, характерний масштаб яких близько декількох сантиметрів [13]. Концентрація електронів, їх розподіл по енергіях, а також електричне поле сильно неоднорідні по довжині страти. Електричне поле відносно велике в її основі (світиться частини) і низьке поза цією областю. В основі кожної страти електростатична пастка, яка при вертикальному положенні розрядної трубки здатна утримати дрібнодисперсні частинки всередині додатного стовпа розряду, а сильне радіальне поле перешкоджає їх випаданню на стінки розрядної трубки, оскільки вони мають високим плаваючий потенціал.

Частинки були видні як хмара в центрі страти. Зазвичай спостерігається одночасно декілька хмар в сусідніх стратах. Діаметр хмари складали 5-10 мм для скляних мікросфер і збільшувались до 20 мм для частинок А12О3. Частинки розташовувалися в 10-20 (для скляних мікросфер) і більше (для частинок А12О3) плоских шарах. У вертикальній площині вони формували цепочки. Відстані між шарами лежали в діапазоні 250-400 мкм, відстані між частинками в горизонтальній площині - 350-600 мкм, що відповідає концентрації частинок 103-104 см-3 [14].

На рис. 3, а наведено фрагмент горизонтального перерізу плазмово-пилового кристала з монодисперсних частинок меламінформальдегіда в розряді в суміші неону з воднем при тиску 0,8 Торр і силі струму 1.1 мА. На рис. 3, б для даної структури показана бінарна кореляційна функція g (r), що підтверджує існування далекого порядку в розташуванні частинок, що означає формування кристалічної структури.

Варіюючи параметри розряду (тиск і струм), можна змінювати форму хмари частинок. Так, зменшення розрядного струму і тиску веде до злиття двох найближчих еліптичних хмар в циліндричну структуру, розміри якої по вертикалі становлять кілька десятків сантиметрів (рис. 1).

Рис. 1 - Горизонтальний переріз плазмово-пильного кристалу в страті додатного стовпа тліючого розряду (а), та бінарна кореляційна функція g (r), для пильової структури (б)

Рис. 2 - Зображення скляних мікросфер у вертикальній площині розряду при силі струму і тиску: а - І = 0,5 мА, Р = 0, 47 Торр; б - І = 0,5 мА, Р = 0, 44 Торр; в- збільшений фрагмент циліндричної структури , показаної на рисунку б

При зміні струму може спостерігатися перехід від кристалічного стану в рідину і потім в газ - відбувається "плавлення" кристала. Так, для частинок А12О3 при тиску 0.3 Торр і силі струму 0.4 мА кореляційна функція виявляє далекий порядок з чотирма добре вираженими максимумами (рис. 5, а), що відповідає кристалічній структурі частинок. При збільшенні струму майже на порядок до 3.9 мА відбувається "плавлення" плазмового кристала і виявляєся лише ближній порядок, іншими словами, утворюється рідинна структура (рис. 3, б). Слід зауважити, що при цьому фазовому переході відстань між частинками, рівна 250 мкм, залишається практично незмінною [15].

Рис. 3 - Зображення хмар полідисперсних частинок А12О3 у вертикальній площині в неоні при різних значеннях сили струму та відповідній цьому розподілу частинок бінарна кореляційна функція

У випадку малих частинок збільшення їх числа при певних параметрах розряду призводить до формування структур, в яких співіснують різні області: сильного впорядковуння (плазмові кристали), з конвективним і коливальним рухом частинок (плазмово-пилова рідина) [16]. При цьому, як правило, в нижній частині структури спостерігаються коливальні рухи частинок у вертикальному напрямку (хвилі щільності частинок) з частотою 25-30 Гц і довжиною хвилі близько 1 мм при середньому відстані між частинками 200 мкм (рис. 4). Самозбуджуючі коливання такого роду можуть відповідати нестійкості пилезвукових коливань [17].

Рис. 4 - Впорядкована структура з монодисперсних частинок при розрядному струмі 5 мА і тиску 0,3 Торр (розмір кадру по вертикалі - 10,6 мм, діаметр частинок - 1,87 мкм)

Пилові структури в плазмі, утвореної при дії ультрафіолетового випромінювання, в умовах мікрогравітації. Плазма з додатньо зарядженими частинками може виникати і при опроміненні частинок в буферному газі потоком фотонів з енергією, яка перевершує роботу виходу фотоелектрона з поверхні частинок. При певних умов в такій системі можуть формувалось кристалічні структури. Характерно величина роботи виходу фотоелектрона для більшості речовин не перевищує 6 еВ, тому фотони з енергією <12 еВ можуть зарядити частинки, що не іонізуючи буферний газ, наприклад гелій або аргон.

Пилові структури при зарядці частинок сонячним випромінюванням досліджувалися в експериментах, виконаних в умовах мікрогравітації на орбітальному комплексі "Мир" [18]. Подібні умови неможливо створити в лабораторіях на Землі. Слід зазначити, що інтенсивні потоки ультрафіолетового випромінювання в космічному просторі можуть заряджати пилові частинки за рахунок фотоемісії, причому макрочастинки розміром в декілька мікрон набувають позитивний заряд порядку 102-104 елементарних зарядів.

Космічний експеримент проводився зі скляними ампулами, заповненими неоном, в яких перебували сферичні частинки бронзи з цезієвим покриттям при тиску 0.01 і 40 Торр. Ампула встановлювалася біля ілюмінатора станції "Мир", частинки висвітлювалися плоским лазерним пучком - "лазерним ножем", ширина якого не більше 200 мкм, і реєструвалися відеокамерою.

Оскільки частинки осідають на стінки ампули, то спочатку здійснювалося динамічний вплив (поштовх) на систему, а потім відбувалася релаксація частинок до вихідного стану - їх догляд на стінки. На рис. 8 наведено послідовність стану системи частинок в ампулі з тиском 40 Торр при висвітленні сонячним випромінюванням. Спостереження показали, що рух частинок, спочатку хаотичне, надалі стає спрямованим, причому в ампулі з високим тиском рух по певних траєкторіях проявляється більш чітко. У деяких експериментах зазначалося коливання частинок на тлі загального поступального руху, і у всіх експериментах при обробці траєкторій частинок були виявлені періодичні зміни їх швидкості. Такі зміни можуть бути пов'язані з флуктуаціями заряду частинок або з динамічним впливом мікроприскорень на борту космічної станції.

Ще один цікавий факт - освіта агломератів, кількість частинок в яких варіює від трьох-чотирьох до декількох сотень. При слабкому динамічному впливі агломерати можуть злітати зі стінок ампули. Основна їх частина формується в ампулі протягом декількох секунд після динамічного впливу, під впливом сонячного випромінювання агломерати розпадає. Агломерація частинок в ампулі може бути обумовлена тим, що в початкові моменти освітлення частинки набувають різнойменні заряди: позитивні за рахунок емісії фотоелектронів, негативні під дією потоків плазмових електронів, емітованих з інших частинок.

Аналізуючи динамічну поведінку макрочастинок, можна оцінити величину їх заряду, яка склала (1-3) х 104 елементарних зарядів. Незважаючи на такий високий заряд, сильну про ¬ просторову впорядкованість проте виявити не вдалося - частинки утворювали тільки рідинну структуру.

Рідкі структури в ядерно-збудженій пиловий плазмі. Проходячи через речовину, продукти ядерних реакцій створюють у своєму треку електрон-іонні пари, а також збуджені атоми і молекули. Плазмові згустки з високою щільністю пар утворюються у вузькій області треку зарядженої ядерної частинки, причому діаметр треку багато менше його довжини. Один осколок поділу породжує в треку до декількох мільйонів електрон-іонних пар, а одна альфа-частинка - до декількох сотень тисяч. Через декілька наносекунд після прольоту іонізуючої частки трек сильно розпливається, концентрація електронів падає на порядок. У зовнішньому електричному поле за декілька десятків наносекунд плазмовий згусток перетворюється на дрейфові потоки електронів та іонів. На макроскопічні частинки, що потрапили в ядерно-порушувану плазму, спрямовані потоки електронів та іонів. Внаслідок великої різниці в рухливості і енергії електронів та іонів потік електронів на частку значно перевищує потік іонів, і вона починає заряджатися негативно.

У більшості випадків енергії ядерних частинок достатньо, щоб прострілити наскрізь макрочастинку радіусом у кілька мікрон. У результаті її заряд через вторинної електронної емісії може різко змінитися не тільки по величині, а й за знаком, так як коефіцієнт вторинної електронної емісії досягає декількох сотень на один осколок поділу. Таким чином, заряд пилової частки формується в ході складних фізичних процесів з характерними часом від декількох наносекунд до декілька десятків.

В одному з перших експериментів з ядерно-збудженою пиловою плазмою для її створення використовувалося явище електронного бета-розпаду. З цією метою в каналі ядерного реактора проводилася активація твердих частинок, після чого вони ставали бета-активними. В іншому експерименті заряди на дрібнодисперсних підтвердих частинках з'являлися при проходженні через речовину альфа-частинок і осколків поділу ядер каліфорнія-252 [19, 20].

Досліджувалося поведінку частинок мікронних розмірів - сферичних монодисперсних частинок з полімерного матеріалу і полідисперсних частинок двоокису церію. Експерименти проводилися в неоні і аргоні при різних тисках в діапазоні (0.25-1.0) х 105 Па. При висипанні частинок з контейнера вони були видні як левітуюча хмара в міжелектродному просторі при напруженості електричного поля менше 10 В / см. В експериментах з полімерними частинками спостерігалися конусоподібні впорядковані структури (рис. 5, а), відповідна їм бінарна кореляційна функція, представлена на рис. 5, б, має максимум при відстані між частинками 130 мкм, що означає формування впорядкованої (рідинної) структури пилових частинок. Заряди левітуючих частинок спостережуваних в експериментах, оцінювалися в 300 елементарних зарядів.

Рис. 5 - Конусоподібна структура пилових монодисперсних частинок із полімеру в неоні при тиску 0,5 х 105 Па (а), бінарна кореляційна функція для центральної частини структури (б)

В експериментах з бета-активним джерелом замість шару речовини поділу каліфорнія-252 для створення ядерно-збудженої плазми користувалися частинки двоокису церію, які активувалися в ядерному реакторі Обнінської атомної станції. Інтенсивність бета-розпаду в експериментальній колбі становила приблизно 109 поділок/с, що відповідало виходу швидких електронів з однієї частинки СеО2 в 0.1 поділок/с. У таких умовах теж формуються впорядковані структури рідинного типу.

Впорядковані структури в високочастотному індукційному розряді. На відміну від високочастотного ємнісного розряду і стратифіційованного тліючого розряду, високочастотний індукційний розряд - безелектродний. Це особливість досить приваблива з точки зору як ряду технологічних додатків, так і проведення фундаментальних досліджень, оскільки дає можливість отримувати плазмові утворення різної конфігурації. У разі високочастотного індукційного розряду можна було очікувати левітації не тільки окремих заряджених макрочастинок, а й складаються з них ансамблів в області між однорідної квазинейтральной плазмою і стінкою, що обмежує плазмовий об'єм, або нейтральним газом, оточуючим плазму.

Вперше експериментальне вивчення структур макрочастинок у високочастотному розряді індукціонного типу було виконано в 1998 р. [23]. Експерименти проводилися при двох конфігураціях електродів, збуджуючих розряд, - кільцевому і плоскому, і з двома типами частинок - монодисперсними полімерними діаметром 1.87 мкм і з полідисперсними частинками з двоокису цезія, розмір яких 0.6-5 мкм. Джерелом високочастотної потужності служили генератори з частотою 27 і 100 МГц. Розряд створювався в різних інертних газах (неон, гелій) при тиску від декількох паскалів до декількох сотень. Система спостереження частинок включала діодний лазер і відеокамеру.

В експериментах з кільцевим електродом розряд збуджувався в циліндричних стекляних трубках. Залежно від тиску і вкладається потужності наблюдалися: стійкі структури, структури з коливальним рухом частинок, структури з регулярними (типу конвективних) потоками. При використанні плоского електрода розряд зажигався в циліндричній колбі, наповненій неоном. Її бічні стінки не контактували з плазмовим освітою. Частинки зависали над дном колби і формували впорядковану структуру при тиску понад 100 Па. На рис. 6, а зображено горизонтальний переріз структури. В її вертикальному перетині виявлено ряд шарів товщиною кілька міліметрів. Судячи з розподілу частинок (рис. 6, б), отримана кристалічна структура - "плазмовий кристал".

Рис. 6 - Зображення в горизонтальній площині впорядкованих структур при тиску неону 120 Па (а) і відповідна функція розподілу частинок

ВИСНОВКИ

Останнім часом підвищений інтерес до вивчення властивостей пилової плазми пов'язаний з широким використанням технологій плазмового напилення і травлення в мікроелектроніці, а також з виробництвом тонких плівок і наночастинок. Наявність частинок в плазмі не лише призводить до забруднення поверхні напівпровідникового елементу, а значить, і до збільшення виходу дефектних елементів, а й обурює плазму, часто непередбачуваним чином. Зменшення або запобігання цих негативних ефектів неможливе без розуміння процесів утворення і росту конденсованих частинок в газорозрядній плазмі, механізму їх перенесення і впливу на властивості розряду.

Плазмові кристали володіють рядом унікальних властивостей: простотою отримання, спостереження і контролю за параметрами, а також малими часом релаксації до рівноваги і відгуку на зовнішні обурення. Пилові частинки в плазмі зазвичай можуть спостерігатися неозброєним оком або за допомогою найпростішої відеотехніки, що дозволяє проводити вимірювання на кінетичному рівні, зокрема отримувати функцію розподілу пилових частинок за координатами та імпульсом. Завдяки цьому відкривається можливість детального дослідження процесів фазових переходів, низькочастотних коливань у пиловий плазмі, а також реалізації принципово нових методів діагностики параметрів пилових частинок і навколишньої плазми. Важливий аналіз дислокацій дефектів решітки, термодинаміки решітки з дефектами і за їх відсутності, взаємодії з лазерним випромінюванням, коливань і хвиль в упорядкованих структурах, резонансних явищ. Результати таких досліджень можуть використовуватися для моделювання атомарних або молекулярних металів.

Структури макрочастинок в плазмі можуть бути потужним інструментів дослідження не тільки фундаментальних, але і прикладних проблем, пов'язаних, наприклад, з видаленням частинок при виробництві мікросхем. Можуть знайти комерційне застосування контрольоване (за допомогою ультрафіолетового випромінювання) осадження зважених в плазмі частинок на підкладку, тобто створення покриттів з метою одержання матеріалів з особливими властивостями, в тому числі пористих і композитних; формування частинок з багатошаровим покриттям з матеріалів з різними властивостями; електричні батареї і лазери, робочим тілом в яких є аерозоль частинки з радіоактивного речовини.

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

1. U.de Angelis. The physics of dusty plasmas //Physica Scripta. 1992, vol. 45, p.465-474.

. O. Havnes, J. Troim, T. Blix, W. Mortensen, L.I. Naesheim, E. Thrane, and T. Tonnesen. First detection of charged dust particles in the earth's mesosphere //J. Geophys. Res-Space. Phys. 1996, vol.101(A5), p.10839-10847.

. L. Boufendi, A. Plain, J. Blondeau, A. Bouchoule, and C. Laure M. Toogood. Measurements of particle size kinetics from nanometer to micrometer scale in a low-pressure argon-silan radio-frequency dis-charge //Appl. Phys. Lett. 1992, vol.60, p.169-171.

. D. Samsonov, J. Goree. Instabilities in a dusty plasma with ion drug and ionization // Phys. Rev.1999, vol.59, #1, p. 1047 - 1058.

. J. Goree, G.E. Morfill, V.N. Tsytovich, S.V. Vladimirov. Theoty of dust voids in plasmas //Phys.Rev.E. 1999, vol.59, #6, p.7055-7067.

. B.M. Annaratone, S.A. Khrapak, P. Bryant, G.E.Morfill at al. Complex-plasma boundaries//Phys. Rev.E. 2002, vol. 66, 056411.

. T. Nitter. Levitationof dust in rf and dc glow dis-charges //Plasma Sources Sci. Technol. 1996, vol.5, p.93-111.

. Д. Поттер. Вычислительные методы в физике. М.: Мир, 1977, с.394.

. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 С.

. Голант В. Е., Жилинский А. П., Сахаров С. А. Основы физики плазмы. М.: Атомиздат, 1977. 398 С.

. Чен Ф. Введение в физику плазмы, М.: Мир, 1987. 400 С. К частиII:

. Dusty plasmas. Edited by Andre Boushoule. Orlean, 1999. 408 P.

. P.K.Shukla, A.A.Mamun, Introduction to Dusty PlasmaPhysics, IoP Publishing, London, 2002, P.271.

. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака.// УФН.1997. Т.167. С. 57 - 99.

. Материалы семинаров-школ молодых ученых, студентов и аспирантов. Под ред. Хахаева А.Д., Петрозаводск, 2004. Т.1. 290С.

. Материалы лекций школ по физике низкотемпературной плазмы. Под ред. Хахаева А.Д., Петрозаводск, 2001. 360С.

. Sodha M.S., Guha S. Physics of colloidal plasmas // Adv. Plasma Phys. 1971. V. 4. P. 219.

. Фортов В.Е., Якубов И.Т. Неидеальная плазма. М.: Энергоатомиздат, 1994. С. 282.

. Ichimaru S. Strongly coupled plasmas: high-density classical plasmas and degenerate electron liquids // Rev. Mod. Phys. 1982. V. 54. P. 1017.

. Ikezi H. Coulomb solid of small particles in plasmas // Phys. Fluids. 1986. V. 29. № 6.

. Chu J.H., I Lin. Direct observation of Coulomb crystals and liquids in strongly coupled rf dusty plasmas // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. № 25.

. Thomas H., Morfill G.E., Demmel V. et al. Plasma crystal: Coulomb crystallization in a dusty plasma // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. № 5.

. Райзер Ю.П., Шнейдер М.Н., Яценко H.A. Высокочастотный емкостный разряд. М.: МФТИ и Наука, 1995.

. Fortov V.E., Nefedov A.P., Petrov O.F. et al. Experimental Observation of Coulomb Ordered Structure in Spray of Thermal Dusty Plasmas // Письма в ЖЭТФ.Т. 63. Вып. 3.

. Fortov V.Е., Nefedov A.P., Petrov O.F. et al Particle Ordered Structures in a Strongly Coupled Classical Thermal Plasma // Phys. Rev. E. 1996. V. 54. R2236-2239.

. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

. Фортов В.Е., Нефедов А.П., Торчинский В.М. и др. Кристаллизация пылевой плазмы в положительном столбе тлеющего разряда // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 64. Вып. 2.

. Fortov V.E., Nefedov A.P., Torchinsky V.M. et al. Crystalline structures of strongly coupled dusty plasmas in dc glow discharge strata // Phys. Lett. A. 1997. V. 229. P. 317-322.

. Нефедов А.П., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Кристаллические структуры в плазме с сильным взаимодействием макрочастиц // Успехи физ. наук. Т. 167. №11.

. Fortov V.E., Molotkov V.I., Nefedov A.P., Petrov O.F. Liquid- and crystallike structures in strongly coupled dusty plasmas // Physics of Plasmas. 1999. V. 6. № 5.

. Молотков В.И., Нефедов А.П., Торчинский В.М. и др. Пылезвуковые волны в плазме тлеющего разряда постоянного тока // ЖЭТФ. 1999. Т. 116. Вып. 3 (9).

. Фортов В.Е., Нефедов А.П., Ваулина О.С. и др. Пылевая плазма, индуцированная солнечным излучением, в условиях микрогравитации: эксперимент на борту орбитальной станции "Мир" // ЖЭТФ. 1998. Т. 114. Вып. 6 (12).

ЗМІСТ ВСТУП 1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ 2. ПРОЦЕС ЗАРЯДКИ ПИЛОВОЇ ЧАСТИНКИ 3. ВЗАЄМОДІЯ МІЖ ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ 4. НЕІДЕАЛЬНІСТЬ ПИЛОВОЇ КОМПОНЕНТИ

Больше работ по теме: