Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Введение в физику пылевой и комплексной плазмы

Покупка
Артикул: 673542.01.01
Книга представляет собой введение в физику пылевой или комплексной плазмы, состоящей из слабоионизованного газа и заряженных микрочастиц. Основное внимание сосредоточено на фундаментальных плазменных процессах, возникающих в самых различных условиях, от астрофизической и термоядерной плазмы, до лабораторных и технологических газовых разрядов. Приводятся основные результаты экспериментальных исследований пылевой плазмы как в наземных условиях, так и в условиях микрогравитации. Обсуждаются основные механизмы взаимодействия частиц с окружающей плазмой, а также взаимодействие между самими частицами. Рассмотрены некоторые вопросы динамики ансамблей пылевых частиц и распространения волн в пылевой плазме. Учебное пособие может служить основой для дальнейшего более глубокого изучения физики пылевой и комплексной плазмы. Книга предназначена научным работникам и инженерам, работающим в областях физики и химии плазмы, электрических разрядов в газах, а также аспирантам и студентам физико-технических специальностей.
Ивлев, А. В. Введение в физику пылевой и комплексной плазмы: Учебное пособие / Ивлев А.В., Храпак С.А., Молотков В.И. - Долгопрудный:Интеллект, 2017. - 128 с. ISBN 978-5-91559-230-7. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/936074 (дата обращения: 20.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ 
ПЫЛЕВОЙ И КОМПЛЕКСНОЙ 
ПЛАЗМЫ

А.В. ИВЛЕВ, С.А. ХРАПАК,  
В.И. МОЛОТКОВ, А.Г. ХРАПАК

ISBN 978-5-91559-233-8

À.Â. Èâëåâ, Ñ.À. Õðàïàê, Â.È. Ìîëîòêîâ, À.Ã. Õðàïàê
 Ââåäåíèå â ôèçèêó ïûëåâîé è êîìïëåêñíîé ïëàçìû: Ó÷åáíîå ïîñîáèå / À.Â. Èâëåâ, Ñ.À. Õðàïàê, Â.È. Ìîëîòêîâ,
À.Ã. Õðàïàê – Äîëãîïðóäíûé: Èçäàòåëüñêèé Äîì «Èíòåëëåêò», 2017. – 128 ñ.
ISBN 978-5-91559-230-7

Êíèãà ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ââåäåíèå â ôèçèêó ïûëåâîé èëè êîìïëåêñíîé ïëàçìû, ñîñòîÿùåé èç ñëàáîèîíèçîâàííîãî ãàçà è çàðÿæåííûõ ìèêðî÷àñòèö. Îñíîâíîå âíèìàíèå ñîñðåäîòî÷åíî íà
ôóíäàìåíòàëüíûõ ïëàçìåííûõ ïðîöåññàõ, âîçíèêàþùèõ â ñàìûõ
ðàçëè÷íûõ óñëîâèÿõ, îò àñòðîôèçè÷åñêîé è òåðìîÿäåðíîé ïëàçìû, äî ëàáîðàòîðíûõ è òåõíîëîãè÷åñêèõ ãàçîâûõ ðàçðÿäîâ.
Ïðèâîäÿòñÿ îñíîâíûå ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé ïûëåâîé ïëàçìû êàê â íàçåìíûõ óñëîâèÿõ, òàê è â óñëîâèÿõ ìèêðîãðàâèòàöèè. Îáñóæäàþòñÿ îñíîâíûå ìåõàíèçìû âçàèìîäåéñòâèÿ ÷àñòèö ñ îêðóæàþùåé ïëàçìîé, à òàêæå âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ñàìèìè ÷àñòèöàìè. Ðàññìîòðåíû íåêîòîðûå âîïðîñû äèíàìèêè àíñàìáëåé ïûëåâûõ ÷àñòèö è ðàñïðîñòðàíåíèÿ âîëí
â ïûëåâîé ïëàçìå.
Ó÷åáíîå ïîñîáèå ìîæåò ñëóæèòü îñíîâîé äëÿ äàëüíåéøåãî áîëåå ãëóáîêîãî èçó÷åíèÿ ôèçèêè ïûëåâîé è êîìïëåêñíîé ïëàçìû.
Êíèãà ïðåäíàçíà÷åíà íàó÷íûì ðàáîòíèêàì è èíæåíåðàì, ðàáîòàþùèì â îáëàñòÿõ ôèçèêè è õèìèè ïëàçìû, ýëåêòðè÷åñêèõ
ðàçðÿäîâ â ãàçàõ, à òàêæå àñïèðàíòàì è ñòóäåíòàì ôèçèêî-òåõíè÷åñêèõ ñïåöèàëüíîñòåé.

.

© 2017, À.Â. Èâëåâ, Ñ.À. Õðàïàê,
Â.È. Ìîëîòêîâ, À.Ã. Õðàïàê
© 2017, ÎÎÎ Èçäàòåëüñêèé Äîì
«Èíòåëëåêò», îðèãèíàë-ìàêåò,
îôîðìëåíèå

ISBN 978-5-91559-230-7

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6

Глава 1. Экспериментальные исследования комплексной плазмы.
8

1.1. Комплексная плазма в ВЧ-разрядах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.1.1. Лабораторные эксперименты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.1.2. Эксперименты в условиях микрогравитации . . . . . . . . . . .
12
1.2. Комплексная плазма в разрядах постоянного тока . . . . . . . . . . .
14
1.2.1. Лабораторные эксперименты . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
1.2.2. Эксперименты в условиях микрогравитации . . . . . . . . . . .
17
1.3. Другие типы комплексной плазмы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.3.1. Термическая плазма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.3.2. Криогенная плазма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.3.3. Пылевая плазма, индуцированная УФ-излучением . . . . . . .
19
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20

Глава 2. Зарядка пылевых частиц. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23

2.1. Основной механизм зарядки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
2.2. Приближение ограниченного орбитального движения (ПООД) . .
25
2.2.1. Изотропные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
2.2.2. Анизотропные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
2.2.3. Границы применимости метода ПООД . . . . . . . . . . . . . . .
31
2.3. Зарядка в сильностолкновительном режиме . . . . . . . . . . . . . . .
33
2.3.1. Изотропные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
2.3.2. Анизотропные условия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.4. Зарядка в слабостолкновительном режиме и интерполяция для
произвольной частоты столкновений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.4.1. Роль ион-нейтральных столкновений в слабостолкновительном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38
2.4.2. Ионизация электронным ударом . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
2.4.3. Интерполяционная формула . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40

Оглавление

2.5. Кинетика зарядки и флуктуации заряда. . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44

Глава 3. Распределение электрического потенциала
в окрестности пылевой частицы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46

3.1. Теория Дебая–Хюккеля . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
46
3.2. Эффект поглощения плазмы частицами . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
3.3. Простая кинетическая модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
3.4. Роль ионизации и рекомбинации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
3.5. Анизотропные условия и плазменный след . . . . . . . . . . . . . . . .
54
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57

Глава 4. Взаимодействия между пылевыми частицами . . . . . . . .
58

4.1. Электрическое взаимодействие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
4.2. Затенение нейтралами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
58
4.3. Ионное затенение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
4.4. Управляемые взаимодействия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62

Глава 5. Обмен импульсом между компонентами плазмы . . . . . .
63

5.1. Сечение передачи импульса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
5.2. Частота обмена импульсом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
5.2.1. Столкновения частица–электрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
5.2.2. Столкновения частица–ион . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
5.2.3. Столкновения частица–частица . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71

Глава 6. Силы, действующие на пылевые частицы . . . . . . . . . .
72

6.1. Сила тяжести . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
6.2. Электрическая сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
6.3. Сила газового трения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
73
6.4. Сила ионного увлечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
6.4.1. Метод парных столкновений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
6.4.2. Кинетический подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
76
6.4.3. Взаимодополняемость двух подходов . . . . . . . . . . . . . . . .
79
6.5. Сила электронного увлечения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
6.6. Термофоретическая сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
6.6.1. Ионный и электронный термофорез . . . . . . . . . . . . . . . .
81
6.7. Поляризационная сила . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
6.8. Сила светового давления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
82
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
84

Оглавление
5

Глава 7. Динамика пылевых частиц . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85

7.1. Нелинейная динамика одиночных частиц . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
7.2. Неконсервативная динамика отдельных частиц . . . . . . . . . . . . .
87
7.3. Кинетика ансамблей частиц с неконсервативными взаимодействиями
92
7.4. Неконсервативность сил, создаваемых плазменными следами . . .
96
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98

Глава 8. Волны и неустойчивости . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99

8.1. Волны в идеальной (газообразной) комплексной плазме . . . . . . .
100
8.1.1. Основные волновые моды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
101
8.1.2. Затухание и неустойчивости ионно-звуковых и пыле-звуковых
колебаний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
8.2. Волны в жидкообразной плазме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
107
8.3. Волны в плазменных кристаллах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
110
8.4. Нелинейные волны . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
8.4.1. Ионно-звуковые солитоны и ударные волны . . . . . . . . . . .
115
8.4.2. Пыле-звуковые солитоны и ударные волны. . . . . . . . . . . .
116
8.4.3. «Конусы Маха» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
118
Список литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
120

Основные обозначения и коэффициенты подобия . . . . . . . . . . . . . . .
122

ВВЕДЕНИЕ

Пылевая плазма состоит из слабоионизованного газа и заряженных
микрочастиц. Подобная плазма широко распространена в космосе —
она присутствуют в кольцах планет, хвостах комет, межпланетных и
межзвездных облаках, мезосфере, обнаружена вблизи искусственных
спутников и космических станций и т. д. Кроме того, наличие пылевых частиц играет критическую роль во многих важных промышленных процессах (например, в плазменном напылении, травлении, производстве микрочипов), а также в плазменном термоядерном синтезе,
где возможное образование радиоактивной и токсичной пыли является
серьезной проблемой.
Термин «комплексная плазма» служит для определения плазменных
систем, в которых присутствуют микрочастицы, и которые специально созданы для экспериментальных исследований (последнее отличает
комплексную плазму от возникающей естественным образом пылевой
плазмы). Первые наблюдения пыли в газовых разрядах были описаны
Ленгмюром в 1924 г. Текущий интерес к комплексной плазме, начавшийся в середине 1990-х, в большой степени инициирован экспериментальным открытием плазменных кристаллов.
Наличие заряженных микрочастиц в плазме существенно для коллективных явлений. Микрочастицы порождают новые низкочастотные
волновые моды, которые представляют собой колебания на квазистационарном фоне электронов и ионов, с характерными частотами в диапазоне 10–100 Гц. Подобные явления могут наблюдаться в любой многокомпонентной плазме, содержащей ионы различных масс и зарядов —
с той разницей, что в комплексной плазме различие масс между ионами
и микрочастицами может составлять 10–12 порядков!
Важно понимать, что свойства комплексной плазмы качественно отличаются от свойств многокомпонентной плазмы: микрочастицы не только меняют зарядовый состав плазмы, они также привносят новые физические процессы в систему — например, эффекты, связанные с ре
Введение
7

комбинаций электронов и ионов на поверхности частиц, что приводит
к существенному изменению глобального энергетического баланса системы. Более того, благодаря большому заряду, который несут микрочастицы (обычно, порядка тысячи элементарных зарядов на одну частицу микронного размера), электростатическая энергия взаимодействия
между ними достаточно высока. Поэтому, в комплексной плазме можно
наблюдать переходы из хаотического газового состояния в жидкообразную фазу и формирование упорядоченных структур микрочастиц —
плазменных кристаллов. При этом, вид межчастичных взаимодействий
сильно зависит от экспериментальных условий. Все эти уникальные
особенности отличают комплексную плазму от других типов лабораторной плазмы, где заряды ионов невелики, потенциалы взаимодействия
фиксированы, а межчастичные корреляции относительно слабы.
Данная книга написана на основе курса лекций, прочитанных авторами студентам и аспирантам МГТУ им. Н. Э. Баумана. Основное внимание сосредоточено на фундаментальных плазменных процессах, возникающих в самых различных условиях, от астрофизической и термоядерной плазмы до лабораторных и технологических газовых разрядов.
Этот курс может служить основой для дальнейшего более глубокого
изучения физики пылевой и комплексной плазмы.
Подготовка рукописи к изданию осуществлена при поддержке
Российского научного фонда (гранты №14-12-01235 — главы 1–5 и
№ 14-43-00053 — главы 6–8). Авторы выражают благодарность В.Н. Наумкину за помощь в подготовке рукописи к печати.

РЕКОМЕНДОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Физическая кинетика. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002.
2. Фортов В., Морфилл Г. (ред.) Комплексная и пылевая плазма: из лаборатории в космос. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2012.
3. Fortov V. E., Ivlev A. V., Khrapak S. A., Khrapak A. G., Morfill G. E. Complex
(dusty) plasmas: Current status, open issues, perspectives // Phys. Rep. —
2005. — V. 421. — P. 1.
4. Morfill G.E., Ivlev A.V. Complex Plasmas: An Interdisciplinary Research Field //
Rev. Mod. Phys. — 2009. — V. 81. — P. 1353.

Г Л А В А
1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ
ИССЛЕДОВАНИЯ
КОМПЛЕКСНОЙ ПЛАЗМЫ

Первоначально, исследования комплексной плазмы проводились с использованием высокочастотных (ВЧ) газовых разрядов (rf
discharge). В последующие годы стали применяться газовые разряды
постоянного тока (dc discharge), предоставляющие новые возможности,
такие, например, как левитация больших трехмерных пылевых облаков. В настоящее время, другие способы генерации плазмы (включая
радиоактивную плазму) также становятся предметом активных исследований. Ниже мы кратко рассмотрим основные типы плазмы, используемые в экспериментах.

1.1.
КОМПЛЕКСНАЯ ПЛАЗМА В ВЧ-РАЗРЯДАХ

Большинство экспериментов с комплексной плазмой выполняются с использованием емкостных ВЧ-разрядов. Причин этому
несколько: 1) приэлектродный слой разряда создает достаточно сильное
однородное электрическое поле, которое может обеспечить левитацию
заряженных микрочастиц; 2) частота ВЧ-поля столь высока, что ни
пылевые частицы, ни ионы не реагируют на изменения электрического
поля и, как следствие, их температура определяется (комнатной) температурой газа (в отсутствие неустойчивостей); 3) электронная температура, которой пропорционален заряд частиц, достаточно высока (порядка нескольких эВ).
Обычно, чем меньше размер частиц, тем больше слоев они могут
сформировать в вертикальном направлении. Если размер частиц существенно меньше 1 мкм, то оказывается возможным заполнить ими почти
весь плазменный объем, поскольку в этом случае гравитация больше не
является доминирующей силой в системе.
С другой стороны, чтобы использовать важное свойство комплексной плазмы — возможность наблюдать отдельные частицы (и, таким образом, исследовать систему многих частиц на кинетическом уровне) —

1.1. Комплексная плазма в ВЧ-разрядах
9

необходимо, чтобы их диаметр превышал 1 мкм. Сила тяжести ограничивает высоту таких систем несколькими слоями. Поэтому для проведения экспериментов с трехмерными пылевыми системами большого
объема необходимо использовать дополнительные левитирующие силы
(например, газовый поток или термофоретическую силу), или «избавиться» от силы тяжести. Последнее достигается в параболических полетах на самолетах, на ракетных зондах или в экспериментах на борту
Международной Космической Станции (МКС).

1.1.1.
Лабораторные эксперименты

Основной газоразрядной камерой, используемой для проведения лабораторных экспериментов, является модифицированная установка GEC-RF-Reference Cell [1]. Электродная система состоит из горизонтального активного ВЧ-электрода, расположенного в нижней части
разрядной камеры, и заземленного электрода наверху, как показано на
рис. 1.1. Если верхний электрод удаляется, то его функции выполняют
металлические стенки вакуумной камеры (окружающие электродную
систему и обеспечивающие низкое давление в разряде). Для разряда
используются инертные газы, чаще всего аргон, в диапазоне давлений
от ≃ 0,1 до ≃ 1000 Па (в зависимости от сорта газа). Добавка молекулярного газа в разряд приводит к появлению отрицательных ионов, и
поэтому использование инертных газов предпочтительнее.
Для поддержания разряда на электрод подается напряжение частотой 13,56 МГц. Поскольку ионная плазменная частота значительно меньше частоты возбуждения, то переменное электрическое поле практически не влияет на ионы. Их температура остается близкой к комнатной
благодаря столкновениям с атомами или молекулами, концентрация которых значительно превышает концентрацию ионов (типичные степени
ионизации лежат в диапазоне 10−8–10−6). Напротив, электроны реагируют на высокочастотное поле и приобретают температуру порядка
нескольких эВ, вызывая ионизацию нейтрального газа. В результате, в
центральной области разряда образуется однородная плазма с плотностью 108–1010 см−3.
Высоковольтный приэлектродный слой (sheath), с отрицательным
потенциалом в несколько десятков вольт, играет очень важную роль в
лабораторных экспериментах. Микрочастицы вбрасываются в разряд с
помощью так называемых диспенсеров. В плазме частицы практически
мгновенно приобретают отрицательный заряд (величиной в несколько
тысяч элементарных зарядов, в зависимости от их размера), и оказываются захваченными в стационарной потенциальной яме, создаваемой в
центральной области разряда. Направленная вверх электростатическая
сила, действующая на микрочастицы в приэлектродном слое, быстро

Глава 1. Экспериментальные исследования комплексной плазмы

уменьшается с высотой. Данная сила способна скомпенсировать силу
тяжести, позволяя частицам левитировать на определенном расстоянии
от электрода. Высота левитации зависит от соотношения между зарядом и массой — чем меньше их отношение, тем меньше высота. Так как
в большинстве экспериментов используются частицы с монодисперсным распределением по размерам, то заряды оказываются практически
одинаковыми, и частицы образуют однослойные структуры. Получаемые двумерные жидкие и кристаллические системы, а также фазовые
переходы в них, представляют собой одно из важнейших направлений
в исследовании комплексной плазмы.

Рис. 1.1. Схема типичной газоразрядной ВЧ-камеры для лабораторных экспериментов с нижним активным и верхним заземленным электродами.
Микрочастицы вбрасываются в разрядный объем с помощью диспенсора (не показан) и левитируют в приэлектродном слое, их перемещение в горизонтальном направлении ограничено потенциальной
ямой, создаваемой кольцом, находящимся на электроде. Микрочастицы освещаются лазерным лучом, растянутым в горизонтальном
направлении, их динамика регистрируется с помощью видеокамеры,
установленной сверху [2]

Изучение динамики одиночных частиц, левитирующих в приэлектродном слое ВЧ-разряда, позволяет определить некоторые параметры
плазмы в этой области. Кроме того, подобные исследования дают информацию о фундаментальных характеристиках комплексной плазмы,
таких как величина заряда микрочастиц (см. гл. 2) или параметры плазменного следа (wake), образующегося под каждой частицей благодаря
потоку ионов (см. разд. 3.5). Увеличивая шаг за шагом количество частиц, можно исследовать образование кластеров [3], малых кристаллических структур, наблюдать закономерности формирования стабильных
конфигураций при «магических» числах частиц, а также изучать метастабильные состояния, как показано на рис. 1.2. Добавляя все больше

1.1. Комплексная плазма в ВЧ-разрядах
11

частиц, в итоге можно получить стабильный монослой, в котором внешняя граница практически не играет никакой роли.

Рис. 1.2. Двумерные кластеры с различным числом частиц, левитирующие в
приэлектродном слое ВЧ-разряда [3]

Большие двумерные пылевые системы активно изучаются в лабораторных экспериментах. Благодаря сильному электростатическому отталкиванию, в большинстве случаев частицы образуют кристаллические структуры, так называемые гексагональные (треугольные) решетки. Методы статистического анализа кристаллов используют парные и
ориентационные (bond-orientational) корреляционные функции, а также
аналоги структурных факторов, измерение которых в естественных системах проводится с помощью дифракционных экспериментов. Динамические наблюдения обеспечивают информацию о кинетике различных
процессов в кристаллах, таких как движение дефектов. Решеточные
дефекты проявляются как 5–7-узельные дислокации, уединенные или
в виде цепочек. Понимание универсальных механизмов, определяющих
динамику образования и движения дислокаций, представляет большой
интерес для материаловедения, для изучения землетрясений, снежных
лавин, коллоидных кристаллов, и т. д.

Глава 1. Экспериментальные исследования комплексной плазмы

1.1.2.
Эксперименты в условиях микрогравитации

В отличие от электронов и ионов, на микрочастицы существенное влияние оказывает сила тяжести [4]. Как было сказано выше,
в лабораторных экспериментах для ее компенсации обычно используется постоянное электрическое поле приэлектродного слоя.
Для осуществления прецизионных экспериментов в больших трехмерных изотропных системах, необходимы условия микрогравитации
[5–8]. В этом случае комплексная плазма вытесняется из области сильного электрического поля вблизи электродов, и образует однородную
и изотропную систему в основном объеме разряда, где напряженность
электрического поля относительно мала. Подобные условия значительно расширяют диапазон параметров комплексной плазмы, доступных
наблюдению.

Рис. 1.3. Эскиз газоразрядной ВЧ-камеры установки ПК-3 Плюс, предназначенной для экспериментов в условиях микрогравитации на борту
МКС [9]

Схематичное изображение газоразрядной камеры для работы в условиях микрогравитации (установка ПК-3 Плюс) показано на рис. 1.3 [9].
Вакуумная камера состоит из стеклянной кюветы, имеющей форму прямоугольного параллелепипеда с квадратным сечением. Верхним и нижним фланцами являются металлические пластины. Они включают в себя ВЧ-электроды, электрические выводы и вакуумные соединения. Электроды окружены заземленным экраном и содержат по три диспенсера
с каждой стороны, предназначенных для вброса микрочастиц разного
размера. Хорошо сбалансированная система электродов обеспечивает

1.1. Комплексная плазма в ВЧ-разрядах
13

симметричное ВЧ-поле, генерирующее однородную плазму с практически идентичными приэлектродными слоями.
Оптическое детектирование отдельных частиц осуществляется с помощью плоских лазерных лучей, перпендикулярных поверхности электродов, а также видеокамер. Видеокамеры и лазеры устанавливаются
на горизонтальной передвижной платформе, обеспечивая возможность
глубокого сканирования трехмерного облака частиц.

Рис. 1.4. Распределение микрочастиц (диаметром 3,4 мкм) в условиях микрогравитации, между двумя электродами на установке ПК-3 Плюс (см.
рис. 1.3). Частицы заполняют практически весь экспериментальный
объем, формируя трехмерную комплексную плазму c областью, свободной от микрочастиц (войд), в центре [2]

С помощью данного оборудования были выполнены многочисленные
эксперименты в условиях микрогравитации, которые позволили наблюдать и изучать различные интересные явления, происходящие в жидкой
и кристаллической комплексной плазме. Отметим следующие выявленные особенности:
— свободная от микрочастиц центральная область — так называемый «войд» (рис. 1.4), возникающий в облаке при практически любых
экспериментальных условиях;
— резкая граница между войдом и комплексной плазмой;
— расслоение облаков комплексной плазмы, сформированных из микрочастиц различного размера;
— вихри в различных областях вдали от центральной оси;
— кристаллические структуры вдоль центральной оси.