Диссертация (1149460), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Рисуноквзят из [21].25а)б)Рис.10. а) Конструкция разрядной камеры для ВЧ разряда, б) конструкцияразрядной камеры для тлеющего разряда. Рисунок взят из [21].26Рис.11. Зависимость угловой скорости вращенияω от приложенного междуцентральным диском и внешним кольцом потенциала VA при разных магнитныхполях. Давление 76 мТорр, вкладываемая в ВЧ разряд мощность 5Вт. Рисуноквзят из [21].Рис.12. Зависимость угловой скорости вращения от магнитного поля.
Рисуноквзят из [21].27Рис.13. Зависимость угловой скорости вращения от вкладываемой в разрядмощности при различном потенциале, подаваемом на верхний электрод. Припотенциале -2.5 В вращение отсутствует. Рисунок взят из [21].281.3. Исследование вращательного движения плазменно-пылевых структурв стратах.Помимо описанных выше экспериментов по исследованию плазменнопылевых структур в специально сконструированныхразрядных камерахсуществует возможность наблюдать пылевые структуры в стоячих стратахтлеющего разряда. В силу неоднородности падения потенциала в тлеющемразряде [28-32] страта представляет собой потенциальную ловушку для пылевыхчастиц.1.3.1.
Исследования плазменно пылевых структур в магнитном поле,выполненные в СПбГУ.Впервые исследования плазменно пылевых структур в стратах в магнитномполе проводились в работах [22,23], в которых применялось магнитное поле до150 Гс. Исследование в магнитном поле до 400 Гс, в котором была обнаруженаинверсия направления вращения без изменения направления магнитного поля,появились в [24-26].Эксперимент выполнялся в стратах в тлеющем разряде неона при давлении0.7 Торр и токе 2.5 мА [26]. Пылевая структура формировалась в страте из частицниобата лития размером от 1 до 4 мкм произвольной формы, которыеинжектировались в разряд из контейнера, Рис.14.
При воздействии на стратумагнитным полем наблюдали изменение формы страты, а также структуры в ней.Наблюдения проводили за несколькими горизонтальными сечениями структурыприкаждомзначениимагнитногополя.Производиласьвидеозаписьазимутального движения сечения, длительность видеозаписи до 4 секунд (100кадров). На Рис.15. представлено вертикальное сечение структуры.Угловая скорость вращения пылевых гранул вычислялась как отношение ихлинейных скоростей к радиусу вращения. Погрешность определения угловойскорости складывалась из погрешности определения центра вращения и29погрешностипозиционированиячастицынавидеокадре.Точностьпозиционирования частицы на видеокадре ограничивалась дополнительнымиколебаниями и вращением частиц вокруг своей оси.
Этот эффект был исследованв [33,34]. Угловые скорости частиц усреднялись по сечению. Такое усреднениевозможно из-за того, что зависимость угловой скорости от радиуса близкаконстанте, Рис.16. На Рис.17 представлена зависимость усредненной по сечениюугловой скорости от магнитного поля для двух сечений. Положительноенаправление угловой скорости соответствует случаю, когда проекция угловойскорости на вектор индукции магнитного поля положительна. При малыхмагнитных полях структура вращается с отрицательной угловой скоростью идостигает величины 0.4 рад/с.
При увеличении магнитного поля вращениезамедляется и при достижении величины В0=135 Гс (поле остановки вращенияпылевой структуры) останавливается. Дальнейшее увеличение магнитного поляприводит к вращению с положительной угловой скоростью, достигающейзначения 2.5 рад/с при В=400 Гс. Также обнаружен градиент средней угловойскорости сечений: при В< В0 градиент направлен вверх и при В> В0 направленвниз.Авторами была предложена следующая интерпретация вращения плазменнопылевой структуры. В слабых магнитных полях, когда структура вращается внаправлении соответствующем B ,вращение вызвано силой ионногоувлечения [35-37].
Радиальный поток ионов в амбиполярном поле движется отоси разряда к стенке трубки [38-39], приобретая в магнитном поле азимутальныйимпульс. При больших магнитных полях, когда структура вращается B ,авторы выдвинули следующие гипотезы:1. Движение плазменно-пылевой структуры под действием силы ионногоувлечения в обращенном радиальном поле. Экспериментальные исследования,проведенныевбегущихстратах[40,41]указываютнавозможностьсуществования области вблизи оси разряда, где радиальное, как и вертикальноеполе обращено. Эта область расположена под головой страты и существует вотсутствии магнитного поля.
Наблюдения за формой плазменно-пылевой30структурой [42] показало, что в магнитном поле эта область поднимается идостигает зоны присутствия плазменно-пылевых частиц, Рис.18. При увеличениимагнитного поля от 0 до 400 Гс форма нижнего края пылевой структурыизменяется от выпуклой до вогнутой.2. При наличии пылевой структуры в страте в большом магнитном полепоток ионов будет двигаться от стенки трубки к структуре.
Тогда меняетсянаправление силы ионного увлечения в магнитном поле на противоположное.31Рис.14. Экспериментальная установка. 1 – трубка; 2 – диафрагма; 3 – страта; 4 –левитирующие частицы; 5 – ССD камера; 6 – система, формирующая лазерныйнож; 7 – фильтр; 8 – анод; 9 – катод; 10 – контейнер с порошком; 11 – магнитныекатушки; 12 – оптическое окно. Рисунок взят из [26].32Рис.15. Типичное изображение вертикального сечения структуры.
Размеризображения по вертикали 6.2 мм. Цифрами указаны выделенные сечения.Условия: Ne при давлении 0.7 Торр, разрядный ток 2.5 мА, частицы LiNbO3.Рисунок взят из [26].вр ,рад/с54321000,511,522,53 r, мм 3,5Рис.16. Зависимость угловой скорости вращения частиц ниобата лития отрадиальной координаты. (значения угловой скорости рассчитаны для всех частицсечения) Условия: газ - неон, давление Р=0.7 Торр, разрядный ток i=2.4 мА,магнитное поле 320 Гс.
Одно из нижних сечений структуры. Рисунок взят из [26].33Рис.17. Зависимость средней угловой скорости пылевой структуры от магнитногополя. ■ – верхнее сечение; - нижнее сечение. Условия: газ - неон, давление Р =0.7 Торр, разрядный ток i = 2.5 мА. Рисунок взят из [26].34а)б)в)Рис.18. Изменение формы структуры в вертикальном сечении в зависимостиот магнитного поля, а) B=0 Гс, i = 2 мА; б) B=340 Гс, i = 2 мА;горизонтальный размер 17 мм; в) B=400 Гс, i=3 мА, горизонтальный размер 13мм. Рисунок взят из [42].351.3.2. Исследования плазменно-пылевыхвыполненные в ОИВТ РАН.структурвмагнитномполе,Работа [27] сообщает о результатах исследования динамики вращательногодвиженияплазменно-пылевыхструктурвстратифицированномразрядепостоянного тока в диапазоне магнитных полей до 2500 Гс.
Источникоммагнитного поля в этом исследовании являлся сверхпроводящий цилиндрическийсоленоид. Схема эксперимента представлена на Рис.19. Внутренний диаметртрубки был 36 мм, рабочие газы неон и водород, давление газа десятые Торр.Структуры формировались из частиц меламин-формальдегида диаметром 5.5 мкм.Авторы сообщают, что стоячие страты сохраняются при магнитном поле2500 Гс в разряде в Н2, но пылевые структуры наблюдались в полях до 1000 Гс.Они представляли собой плоские монослои, состоящие из небольшого количествачастиц.Проводились наблюдения за небольшими объемными структурами в неоне.Зарегистрировано вращение плазменно-пылевой структуры при воздействииаксиального магнитного поля.
При магнитном поле в 75 Гс направление вращенияоблакапротивоположноенаправлениюмагнитногополя(Рис.20а).Придостижении 500 Гс вращение прекращалось, а при 630 Гс вращения происходилов направлении, совпадающем с направлением магнитного поля. Объемныеструктуры с присутствием 1000 частиц получались авторами в полях до 300 Гс,при этом вращение структур не наблюдалось. Характер зависимости угловойскорости вращения от индукции магнитного поля представлен на Рис.21.Качественно она совпадает с обнаруженной в работе [26], но с тем отличием, чтовеличина поля остановки вращения пылевой структуры B0 приходится на большеезначение, около 500 Гс.В качестве механизма вращения плазменно-пылевой структуры принятосчитать действие силы ионного увлечения, действующей на пылевые частицы.Сила ионного увлечения уравновешивается трением о нейтральный газ,считающийся покоящимся. На основе баланса сил, получена зависимость угловой36скорости вращения отдельной частицы от скорости ионов в магнитном поле.Скорость азимутального дрейфа ионов в продольном магнитном поле выраженачерез радиальное амбиполярное электрическое поле.
Направление вращенияпылинок определяется направлением радиальной составляющей электрическогополя. Приближенная зависимость угловой скорости вращения пылевой частицыот индукции магнитного поля определяется следующим выражением работы [27] d 10 2 B 2Расчетыпоформуле1 10 6 B 21 10 4 B 2приведенынаРис.20.(1)Совпадениерасчетовсэкспериментальными данными наблюдается только в слабых магнитных полях(до 100 Гс). Изменение знака угловой скорости по формуле (1) должнопроисходить при B = 1000Гс. Авторы связали это с замагниченностьюэлектронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
