Нами проведены эксперименты по исследованию влияния условий в плазме на характеристики этих упорядоченных структур в плазме тлеющего разряда в неоне в цилиндрической разрядной трубке диаметром (2.7 ± 0.1) см, в которую был внесен конструктивный элемент, способствующий удержанию структуры в конкретной области пространства, что облегчило наблюдение за эволюцией характеристик пылевого образования при попытках его модификации.
Схема экспериментальной установки, представленная на рис.1, содержит следующие диагностические модули: оптический, спектральный, электрический и модуль визуализации исследуемого объекта.
Проводя исследования, мы попытались установить:
- - условия, обеспечивающие воспроизводимость формы и объема упорядоченной структуры при ее выращивании;
- - влияние инжекции частиц на изменение спектральной мощности излучения из объема локализации структуры;
- - влияние инжекции частиц на изменение пространственного профиля спектральной мощности излучения страты;
- - изменения в структуре и в количестве макрочастиц, вовлекаемых в эту структуру при увеличении объема упорядоченной структуры;
- - влияние изменения объема структуры на спектральные характеристики плазмы;
Исследовательский стенд был автоматизирован. Информационно-измерительный и управляющий комплекс на базе персональной ЭВМ со встроенными многофункциональными контроллерами ввода/вывода PC-1802L, управления многоэлементным фоторегистрирующим устройством на основе ПЗС-структур, системой захвата видеоизображения, управления выходной мощностью лазера, а также специализированным набором оригинальных программных модулей позволял в цифровой форме регистрировать изображения сечений исследуемой структуры, визуализируемых лазерным ножом, вычислять объем структуры в пространстве по ее изображению, число частиц в каждом из выделенных разрезов и общее число частиц в структуре.
Рисунок 1. Схема экспериментальной установки.
На основе этого вычислялись средние межчастичные расстояния. Использование системы визуализации и стробирования с различными временными выборками изображений разрезов структур для построения видеоряда позволило проследить во времени движение частиц внутри структуры. Среднее значение размеров лазерного ножа, формируемого системой длиннофокусных цилиндрических линз, составляло в вертикальном и горизонтальном направлении соответственно (4*0.03)см. Изменение яркости рассеянного частицами излучения лазера (l = 532 нм) регулировалось изменением мощности лазера. Использование "зеленого" светофильтра между объектом исследования и видеокамерой позволял выделить область существования структуры на фоне засветки излучением плазмы.
С использованием упомянутого программно-аппаратного и информационно-измерительного и управляющего комплекса были получены нижеописанные результаты.
- Было установлено, что для получения воспроизводимых результатов необходимо тщательно следить за вакуумными условиями и избегать попадания примесей в рабочий объем.
- Установлено, что инжекция частиц при токе I=0.3mA приводит к увеличению спектральной мощности излучения из области локализации структуры.
- Показано, что инжекция макрочастиц в плазму и образование пылевой структуры приводит к изменению пространственного профиля излучения в страте по сравнению с условиями без частиц.
- Исследован процесс роста структуры в зависимости от количества инжекции и влияние изменения объема структуры в пространстве на спектральные характеристики из области ее локализации на разных стадиях ее роста.
Макрочастицы были представлены полидисперсными частицами Al2O3 (до 60 мкм). Инжекция макрочастиц в плазму осуществлялась ударным воздействием на контейнер, в котором находились частицы, стимулирующим их просыпание через сетку. Это воздействие производилось каждый раз с одинаковой силой. Частицы, попадая в плазму тлеющего разряда, активно заряжались и тормозились полем ловушки, созданной полем объемного заряда в области введенной в плазму изолированной диафрагмы и заряда, распределенного по стенкам разрядной трубки, образуя упорядоченную плазменно-пылевую структуру.
Измерения интенсивности излучения показали возрастание интенсивности излучения в случае присутствия структуры в плазме газового разряда на (1.5-2.0)% по сравнению с "чистым" разрядом при погрешности измерений (0.3)%.
Исследование пространственного профиля спектральной мощности излучения области страты показало влияние инжекции частиц на форму его контура. Это позволяет сделать вывод об изменении плазменных условий в исследуемой области после образования в ней пылевой структуры.
Последовательная инжекция новых порций макрочастиц приводила к увеличению объема упорядоченной структуры. На рис. 2 приведены центральные сечения изучаемого объекта при последовательной инжекции частиц из контейнера после 5, 35, 65 и 95 инжекций (ток в разряде I=2 мА, давление P=0.6 Торр).
Эксперименты по выращиванию, проведенные при токе, например, I=0.3 мА и давлении Р=0.6 Торр, показали, что при определенном числе инжекций рост структуры замедляется и проявляется тенденция к стабилизации величины объема и количества макрочастиц в объеме при заданном токе (концентрации электронов в плазме). Во всяком случае, для тлеющего разряда в неоне с макрочастицами из Al2O3 обработка экспериментального материала показала, что среднее межчастичное расстояние в пределах объема всех исследованных структур составляет (130 ± 5) мкм и практически не меняется в процессе выращивания.
Таким образом, показано, что инжекция частиц в плазму разряда приводит к изменению плазменных условий в области ее локализации. Подтверждено, что в процессе выращивания структуры путем последовательных инжекций, необходимо на первом этапе образование центра кристаллизации [4], вокруг которого при последующих инжекциях частиц происходит достраивание структуры как в осевом, так и в радиальном направлениях.
Рисунок 2. Центральные сечения пылевой структуры после 5, 35, 65 и 95 инжекций (ток в разряде I=2 мА, давление P=0.6 Торр).
Дальнейшие проблемно-ориентированные исследования позволят или укрепить и развить предполагаемые оценки о влиянии образования пылевой структуры на плазменные условия, либо свести ее к частному случаю в растущем круге наблюдений за процессами самоорганизации плазменно-пылевой среды.
Авторы благодарят за плодотворные дискуссии и помощь в измерениях инженеров кафедры информационно-измерительных систем и физической электроники Щербину А. И. и Бульбу А. В.
Работа выполнена при поддержке гранта PZ-013-02 CRDF, МО РФ и Правительства Карелии и гранта ИНТАС 0522-2000.
Литература:
- Chu J.H., Phys. Rev. Lett. 72, 4009 (1994)
- Thomas H., Morfill G.E., Demmel V. et al, Phys. Rev. Lett. 73, 652 (1994)
- Hayashi Y., Tachibana K., Jpn. J. Appl. Phys. 33, L 804 (1994)
- Кооперативный характер образования пылевых структур в плазме Л.М. Василяк, С.П. Ветчинин, Д.Н. Поляков, В.Е. Фортов ЖЭТФ, 2002, т.121, вып.3, с.609-613