Диссертация (1149460), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

При наличии примеси ксенона в 2% в диапазоне магнитного поля, когда вращение установилось, от 150 Гс и донаступления плоского максимума, Рис.43, абсолютное значение угловой скоростивращения пылевой структуры увеличивается в 1.3–3.5 раза. Величина Bmсмещается в сторону больших магнитных полей (от 250 Гс до 350–400 Гс). Такжев сторону больших магнитных полей смещается величина B0. Смещение B0настолько значительно, что выходит из диапазона используемого магнитногополя (соответствующая экстраполяция графиков дает смещение B0 до 650 Гс).Сравнение кривых на Рис.44 показывает, что при дальнейшем увеличениипримеси ксенона до 4%, величина угловой скорости несколько уменьшается, чтосогласуется с результатами расчета скорости ионного потока, см.

в Таблицу 2 иТаблицу 3. Наиболее ярко увеличение угловой скорости в разряде в смесяхдемонстрируют графики угловой скорости от безразмерного параметра B/Bm,представленные на Рис.44.4.4.Интерпретация результатов.Зарегистрированные зависимости угловой скорости от магнитного поляговорят об увеличении действия силы ионного увлечения при использованиисмесей, что может быть оценено количественно с позиции динамики пылевыхчастиц.Стационарное движение пылевой частицы по окружности радиуса rdпроисходит под действием баланса силы ионного увлечения Fdrag и силы трения(торможения) пылинки о газ Ffriction [35], в наших условиях Fdrag = Ffriction. Силаионного увлечения определяется по формуле [6]:86Fdrag  z z 2 2 82miTi a 2 ni ui 1  ,324(13)где   Te / Ti , z  Zd e2 / aTe – безразмерный заряд пылинки, Zd – ее зарядовое число,П – модифицированный кулоновский логарифм, проинтегрированный с функциейраспределения ионов по скоростям, остальные обозначения стандартные.Численная оценка заряда пылевой частицы выбиралась в соответствии с работой[81].Азимутальная скорость ионов Uiφ вызывается действием магнитного поляна радиальный поток ионов со скоростью Uir, тогда Uiφ =ωiτiUir [82], здесь (ωiτi) –произведение циклотронной частоты на время межчастичных столкновенийопределяет замагниченность ионов.

Сила трения на пылинку со стороны атомовопределяется по формуле Эпштейна [6]Ffriction 82Ta ma a 2 naudust ,3(14)udust – скорость пылинки относительно газа, ξ – коэффициент порядка 1,определяемый законом отражения атома от поверхности.

Соответственно, избалансасилугловаяскоростьвращенияпылинки u dustопределяетсяrdвыражениемUn  ir i i  irdnaTiTamima z z 2 2  .1 24(15)Выполняя численные оценки угловой скорости пылевой структуры поформуле (15) в смеси и в чистом гелии, сделанные с учетом изменения скоростиионного потока, электронной температуры и других параметров в смеси,получаем, что отношение угловой скорости в смеси с 2 % ксенона и угловойскорости в чистом гелии в среднем равно 1.88.

Это хорошо соответствуетграфикам на Рис.42 и Рис.43 на участке от 150 Гс, где развилось вращение, до87минимума на зависимостях, то есть на участке, где доминирует механизмвращения, связанный с ионным увлечением.Проведенное исследование и выполненные оценки доказывают, чтовращение плазменно-пылевой структуры с отрицательной проекцией угловойскорости на направление магнитного поля вызвано силой ионного увлечения.88а)б)Рис.41. Пример фотографии плазменно-пылевых структур в страте, вид сверху.

а)He, P=1.4 Торр, I=2 мА, частицы меламин-формальдегида диаметром 1.1 мкм. б)Смесь He и Xe (1.6%) P=1.7 Торр, I=1.5 мА, частицы меламин-формальдегидадиаметром 1.1 мкм.89Рис.42. Зависимость проекции вектора угловой скорости вращения пылевойструктуры на направление магнитного поля для случая разряда в чистом гелиипри давлении Р=1.5 Торр и токе разряда 2 мА, частицы меламин-формальдегидадиаметром 1.1 мкм.90Рис.43.

Зависимость проекции вектора угловой скорости вращения пылевойструктуры на направление магнитного поля в разряде гелия с примесями ксенона,точки - экспериментальные данные при 2% (▲) и 4% (■) примеси ксенона, линии- аппроксимация. Условия P=1.5 Торр, ток разряда 2 мА, частицы меламинформальдегида диаметром 1.1 мкм.91Рис.44. Угловая скорость пылевой структуры в зависимости от магнитного поля,выраженного в относительных единицах B/Bm, соответствует Рис.41 и Рис.42,чистый гелий (■), гелий с примесью ксенона в 2% (▲) и 4% (●).92Выводы по Главе 4.Применен способ управления силой ионного увлечения в комплекснойплазме за счет выбора типа смеси газов и их концентраций.Выполнена экспериментальная проверка способа управления пылевойподсистемой в смеси гелия и ксенона при небольшой концентрации последнего.Экспериментально полученные значения угловой скорости вращенияплазменно-пылевых структур для смеси гелия с ксеноном и чистого гелиясогласуются с численными оценками для условий эксперимента.Экспериментально доказано, что вращение плазменно-пылевой структуры сотрицательной проекцией угловой скорости на направление магнитного полявызвано силой ионного увлечения.Так как вращение плазменно-пылевой структуры с положительнойпроекцией угловой скорости на направление магнитного поля подавлено, томожно сделать вывод, что вращение с положительной проекцией вызвано несилой ионного увлечения.Описанный метод управления может быть применен для воздействия напылевые структуры, например, для управления расположением пылевых частицпри создании плазменно-пылевых структур с различным типом кристаллическойупаковки.93Глава 5.

ПОИСК ВИХРЕВОГО ТОКА В СТРАТЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГОДЕЙСТВИЯ НА ПЫЛЕВЫЕ ЧАСТИЦЫ В ПРОДОЛЬНОМ МАГНИТНОМПОЛЕКак отмечалось в литературном обзоре, Глава 1, действие силы Ампера изза электронного вихревого тока в страте является не единственной гипотезойобъяснения вращения пылевой структуры в страте с положительной проекциейугловой скорости. Заметим, что выражения для вращения из-за вихревого токаполучены в модели гидродинамики [43], в то время как известно, что в условияхнизкого давления и малых токов разряда полное описание положительного столбавозможно только на основе кинетического подхода [84-86].

Вопрос осуществовании вихревого тока и о интенсивности его воздействия на пылевыеструктуры в магнитном поле можно пытаться решить в прямом эксперименте позондированию всех областей разряда, не только области левитации пылевойструктуры в страте. Данной задаче и посвящена настоящая глава.5.1.Недавниеработы,объясняющиеинверсиюугловойскоростивращения.Во время проведения диссертационного исследования появились новыетеоретические работы, посвященные развитию модели вращения плазменнопылевой структуры в страте [87-91], обсудим их дополнительно.В работе А.В.

Недоспасова [87] решалась задача вращения газа в стоячейстрате в продольном магнитном поле из-за вихревого тока. Механизм,вызывающий вращение газа в страте тот же, что описан в Главе 1 [43]. Решаяуравнение для вихревого тока, автор ввел характерные средние азимутальныескорости вращения газа. Привел оценку азимутальной скорости вращения газа вусловиях экспериментов описанных в Главе 1 [26,27]. Эти оценки дают значениедля азимутальной скорости вращения газа 20 см/с. Авторы утверждают, что94грубая оценка, ранее данная в работе [43] для азимутальной скорости вращениягаза, не учитывающая продольной вязкости газа, 7 см/с, не противоречит оценкам,представленным в обсуждаемой работе.

Метод основан на более тщательныхрасчетах. Работа показала важность роли разрабатываемой в ней модели, ичисленные оценки скорости вращения газа, выполненные по формулам данноймодели, дали большее значение (20 см/с против прежних 7 см/с).В следующей работе А.В. Недоспасова и др. [88] рассмотрено вращениегаза в случае бегущих страт. Физической причиной является тот же вихревой ток.Автор предполагает, что в данном случае пылевые частицы (если они будутлевитировать в страте) из-за вращения газа будут иметь азимутальныеколебательные движения под влиянием бегущей страты. На основе описанногоэффекта в работе предложен новый способ измерения силы ионного увлечения.Можно утверждать, что суперпозиция бегущих и стоячих страт содержитдополнительные возможности для изучения пылевой плазмы. В диссертационнойработе исследования в условиях бегущих страт не проводились.Таким образом, в работах [43,87-88] предсказан механизм вращения газа встратах в магнитном поле.

Это вращение знакопеременное в разных фазах страты.Автор утверждает, что предсказанное вращение газа нужно учитывать приописании плазменно-пылевых структур, но полной модели динамики пылевыхструктур в магнитном поле, с учетом силы ионного увлечения, работы несодержат.В работах Л.Г. Дьячкова и др.

[89-91] предложена модель вращенияплазменно-пылевых структур в стратах в магнитном поле. Остановимся на нейподробно. Используя подход, связанный с вращением газа в страте из-завихревого тока, автор строит модель вращения плазменно-пылевой структуры встрате в магнитном поле с учетом силы ионного увлечения, вычисляет угловуюскорость вращения пылевых структур и сравнивает ее с экспериментами [26,27].На Рис.45 представлено схематическое изображение вихревых токов встратах и обозначено положение пылевой структуры.

Под стратой вихревой токнаправлен радиально к оси трубки, и возникающая сила Ампера вызывает95вращение газа в направлении магнитного поля. Между стратами вихревой токнаправлен от оси трубки к стенке и вызывает вращение газа в направлении,противоположном направлению вектора магнитного поля. Угловая скоростьвращения газа из-за вихревого тока дается выражениемa 1ne a eB3 eaTama , (16)где ne – концентрация электронов, τ=Te/Ti, σa – сечение атома, ωeB – циклотроннаячастота электрона, νea – транспортная частота столкновения электронов сатомами, Ta и ma - температура и масса атомов.Далее, предложена модель вращения плазменно-пылевой структуры встрате в магнитном поле и выведена формула для вращения плазменно-пылевойструктуры, учитывающая действие вращения газа и влияние силы ионногоувлечения на вращение пылевых частицTa d  nma b aeB2.9 z 2 2iB Ti mi 2 , (17)223Rn(4)1(B)eaaiBiaгде ωiB – циклотронная частота иона, na – концентрация атомов, νia – транспортнаячастота столкновения ионов с атомами, n=ni=ne, R – радиус трубки,iB eBZ d e2 ( B)  2, z ia eaaTe– безразмерный заряд пылинки, b – коэффициентпорядка 1.

Первый член в выражении связан с вращением газа из-за вихревоготока в страте. Он положителен, так как учитывает только вращение в областимаксимальной электронной температуры рядом с областью левитации структуры,Рис.44. Второй член связан с действием силы ионного увлечения и имеетотрицательный знак. По выведенной формуле выполнены оценки для условийэкспериментов, описанных в [26,27]. Результаты хорошо согласуются сэкспериментом в [27], но имеют существенное расхождение с [26].Анализируя эти работы, можно заключить, что для экспериментальнойпроверкивышеописанныхэффектовимоделинеобходимопроизводить96исследование разряда (вращение пылевых частиц) на разных вертикальныхкоординатахразряднойтрубки.Этоневозможноприиспользованиилевитирующих плазменно-пылевых структур, но возможно при использованиизондирующихчастиц,аналогичнометоду,описанномувГлаве2сполидисперсными частицами.5.2.Постановка эксперимента по регистрации действия вихревого тока напылевые частицы в магнитном поле.В настоящей главе описаны эксперименты по обнаружению вихревого токаметодом зондирования страты пылевыми частицами в магнитном поле.Эксперименты с левитирующими пылевыми частицами для данной задачи неинформативны, поскольку в них изучается только одна область страты, в которойлевитируют пылевые структуры.Вихревой ток в разных областях страты должен иметь различноенаправление и различную плотность.

Характеристики

Список файлов диссертации