Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,909

ОПТИКО-СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ НЕОНА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Луизова Л. А. Подрядчиков С. Ф. Хахаев А. Д.
Упорядоченные структуры из макрочастиц конденсированной дисперсной фазы в различных видах газовых разрядов наблюдаются и исследуются сравнительно давно[1-3]. Эти структуры, в определенных условиях обладающие высокой степенью упорядоченности и регулярностью расположения макрочастиц в их объеме, получили название «плазменных кристаллов».

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.

  1. Было установлено, что для получения воспроизводимых результатов необходимо тщательно следить за вакуумными условиями и избегать попадания примесей в рабочий объем.
  2. Установлено, что инжекция частиц при токе I=0.3mA приводит к увеличению спектральной мощности излучения из области локализации структуры.
  3. Показано, что инжекция макрочастиц в плазму и образование пылевой структуры приводит к изменению пространственного профиля излучения в страте по сравнению с условиями без частиц.
  4. 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:

  1. Chu J.H., Phys. Rev. Lett. 72, 4009 (1994)
  2. Thomas H., Morfill G.E., Demmel V. et al, Phys. Rev. Lett. 73, 652 (1994)
  3. Hayashi Y., Tachibana K., Jpn. J. Appl. Phys. 33, L 804 (1994)
  4.  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

Библиографическая ссылка

Луизова Л. А., Подрядчиков С. Ф., Хахаев А. Д. ОПТИКО-СПЕКТРАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ НЕОНА ПОСТОЯННОГО ТОКА // Современные наукоемкие технологии. – 2004. – № 2. – С. 71-73;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=21643 (дата обращения: 17.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252