Диссертация (1149460), страница 9
Текст из файла (страница 9)
а) Схематическое изображение плоской асимметричной вставки. Диаметр20 мм, диаметр отверстия 4 мм. б) Пример изображения пылевой структуры изполидисперсных частиц кварца, вид сверху. Условия: Ar, 0.3 Торр, I=1.5 мА, B=120 Гс.76Рис.38. Зависимость проекции угловой скорости частиц от магнитного поля.Условия: 2мА, радиус кольца неизменный 3.6 мм, Ne, P= 0.4 Торр, частицымеламин-формальдегида диаметром 1.1 мкм. Высота над вставкой 0.7 мм.Аппроксимация сплайном.77Рис.39. Зависимость проекции угловой скорости частиц от расстояния до центраотверстия во вставке для левитирующих на разной высоте от поверхностивставки.
▲-h=42 мм; ●- h=41 мм; ■ – h=40 мм. Высота вставки над торцомкатушки 40 мм. Условия: Ar, 0.3 Торр, I=1.5 мА, B= 240 Гс, полидисперсныечастицы кварца.78Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМА ВРАЩЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУРВСТРАТАХ,ВЫЗЫВАЮЩЕГОВРАЩЕНИЕСОТРИЦАТЕЛЬНОЙПРОЕКЦИЕЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИСогласно литературным данным, вращение пылевых структур в магнитномполе с отрицательной проекцией на магнитное поле обеспечивают два основныхмеханизма, рассмотренных в Главе 1: сила ионного увлечения в амбиполярномполе разряда и краевой эффект на анодном торце магнитной катушки,вызывающий вращение газа.
Последний эффект был исследован в Главе 2 иоказался не существенным для вращения плазменно-пылевых структур в стратах.В настоящей Главе изучается роль ионного увлечения в формировании вращенияплазменно-пылевой структуры с отрицательной проекцией угловой скорости. Вкачестве метода исследования было бы удобно использовать вариацию силыионного увлечения и наблюдать изменение угловой скорости вращения.
Одним извозможныхметодовизменениясилыионногоувлеченияможетбытьиспользование частиц разных размеров. Однако, применение частиц различныхразмеров требует изменения разрядных условий, удовлетворяющих условиямлевитации частиц в страте, что будет существенно осложнять сравнениеколичественных результатов. Нами был предложен другой метод изменения силыионного увлечения, который и описывается в этой Главе.4.1.О характеристиках дрейфа ионов и электронов в смесях газов.В цикле работ С.А. Майорова [69-76] показано, что разряд в смесиразличных газов приводит к значительному изменению характеристик, какэлектронной, так и ионной компонент плазмы.
Поскольку кинетические свойстваионного потока играют важную роль в формировании параметров пылевыхобразований в плазме газового разряда, выбором смеси можно менять и79характеристики пылевых образований. Дрейф ионов в смеси газов обладает рядомособенностей, которые могут быть использованы для формирования ионногопотока с требуемыми характеристиками. Параметры, которые в первую очередьважны при выборе газовой смеси – это потенциал ионизации, атомный вес иполяризуемость атомов. Кроме того, важную роль играет и процентноесоотношение между различными газами.
Можно отметить несколько важныхэффектов, которые надо учитывать. Во-первых, изменение распределенияэлектронов по энергии и, соответственно, электронной температуры [57]. Вовторых, добавка даже небольшого количества легко ионизуемых атомов другоготипа может приводить к сильному изменению ионного состава и скорости дрейфаионов.
Ионы легкоионизируемой компоненты газовой смеси могут приобретатьбольшую направленную скорость из-за уменьшения частоты столкновений срезонансной передачей заряда [72-75].ВТаблице2,позаимствованнойизработы[72],представленыхарактеристики дрейфа ионов в собственных газах и в некоторых смесях. Встолбцах таблицы последовательно представлены тип иона, тип второго сортаатомов, их процентная доля, температура ионов в направлении вдоль поля,поперек поля, эффективная температура ионов, число Маха, определяемое черезтепловую скорость атомов и тепловую скорость ионов M= Vi/VTi. Температурагаза для всех расчетов равна 300 К.Рассмотрение динамики пылевых частиц в смесях газов – это новый подходк развитию экспериментальных методик для создания упорядоченных плазменнопылевых структур с требуемыми свойствами и исследования фазовых переходов вних [69-76].
Наиболее значимым фактором при переходе к разряду в смеси газовпредставляется изменение направленной скорости ионного потока, и, какследствие, изменение силы ионного увлечения.Добавка малой доли атомов ксенона приводит к смене типа ионов в газовомразряде постоянного тока при пониженном давлении газа. Уже при 1 %содержании атомов ксенона в гелии основным типом ионов будут ионы ксенона, ане гелия.
Поток ионов ксенона на стенки из-за отсутствия столкновений с80резонансной перезарядкой на атомах гелия обладает большой анизотропией искоростью дрейфа. Изменение отношения коэффициентов диффузии электронов иионов при наличии продольного магнитного поля может приводить кзначительному изменению радиального профиля потенциала, а также величиныэлектрического дрейфа в скрещенных полях. Для пылевых частиц эти факторыприводят к значительному изменению силы ионного увлечения.
Как описано вГлаве 1, сила ионного увлечения является одним из основных механизмов,вызывающих вращение плазменно-пылевых структур в магнитном поле. В то жевремя, вращение пылевых структур в горизонтальной плоскости вокруг осевойлинии наблюдается во многих экспериментах, как с магнитным полем, так и безнего [22-27,77-80].Таблица.2Характеристики потока ионов при их дрейфе в собственном газе и смесяхдля случая слабых полей, когда скорость дрейфа ионов мала по сравнению соскоростью атомов, E/N= 10 Тд (Отношение электрического поля к концентрацииатомов, при плотности атомов na ≈6.44 ×1016 см–3, напряженности электрическогополя E = 20 В/см E/N= 31.1 Тд.). (Таблица взята из [72]).81Рис.40. Схема экспериментальной установки. Катод -1, анод -2, пылеваяструктура -3, лазерная подсветка - 4, контейнер с частицами -5, видеокамера – 6,магнитные катушки -7.82Механизм вращения пылевых структур, созданных в стратах в тлеющемразряде, в магнитном поле пока полной интерпретации не получил.
Однакоопределенно установлено, что в малых магнитных полях плазменно-пылевыеструктуры вращаются с отрицательной проекцией угловой скорости на векториндукции магнитного поля, и причина этого вращения – действие силы ионногоувлечения. В настоящей главе предложен и реализован способ варьирования силыионного увлечения через изменение типа ионов и характеристик ионного потока.Действие силы увлечения регистрируется по величине угловой скорости пылевыхструктур в магнитном поле. Ее влияние на динамику пылевых структур привариации состава плазмоформирующего газа разряда и исследуются в настоящейработе.4.2. Метод управления ионным увлечением.
Постановка эксперимента,подбор плазмоформирующей смеси.В представленном исследовании проводилась проверка изменения скоростиионного потока, которая осуществлялась через действие силы ионного увлечения.С экспериментальной точки зрения намного проще увеличивать силу увлечения,чем ее подавлять, т.е., в основной буферный газ необходимо добавить малуюдолю более тяжелой и легкоионизуемой добавки. Согласно Таблице 2 (строки1,6,7) наиболее выгодной была бы смесь гелия и одного иона ксенона, но такойтип смеси в эксперименте нереализуем. Для проведения эксперимента быливыбраны гелий как основной газ, и ксенон как примесная компонента.
Выбортакой смеси представляется оптимальным для реализации сверхзвукового потокатяжелых ионов ксенона в легком газе, поскольку из-за малой концентрацииатомов ксенона подавляются столкновения с резонансной перезарядкой [69-76].Пылевая плазма создавалась в вертикальной разрядной трубке длиной 80 сми диаметром 3 см, Рис.40. Разряд зажигался между никелевыми электродами. Длясозданияпылевойструктурывстратеиспользовалисьмонодисперсныесферические пылевые частицы диаметром (1.10±0.04) мкм, изготовленные из83меламин-формальдегида. Выбор такого маленького размера частиц (по сравнениюс наиболее часто используемыми частицами – 5-10 мкм [27]) связан с тем, чтосила ионного увлечения зависит от размера и заряда частиц [35], в то время какдругие силы (трения, сила тяжести) зависят от площади и объема частицы.
Т.е.для частиц меньшего размера сила ионного увлечения играет большую роль, чемдля частиц большого размера.Магнитное поле создавалось с помощью двух магнитных катушек вдиапазоне от 0 до 500 Гс и было направленно вверх. Между катушками оставалсязазор в 9 см для наблюдения стоячих страт и боковой подсветки пылевыхструктур лазерным ножом.Наблюдение вращения пылевых структур в подсвеченных горизонтальныхплоскостях проводилось сверху через торцевое оптическое окно разряднойтрубки.
Все наблюдения проводились в первой стоячей страте от сужающейразряд диафрагмы (на Рис. 40 не показана). Устойчивые пылевые структуры и ихдинамика в данной трубке с используемыми пылевыми частицами в смесях вмагнитном поле наблюдались при следующих условиях: давление гелия от 1 до1.5 Торр, ток 2 мА, магнитная индукция от 0 до 500 Гс. На Рис.41 представленыпримеры фотографий плазменно-пылевых структур в чистом гелии и в смесигелия с ксеноном. Угловая скорость определялась как отношение угла, накоторый переместилась частица за промежуток времени, соответствующийнескольким кадрам видеозаписи (выбираемый в зависимости от величиныугловой скорости), ω=Δφ/Δt, и усреднялась по частицам сечения.
Знак угловойскорости вращения определялся по проекции на ось направления магнитногополя, т.е. при наблюдении сверху, вращение противчасовой стрелкисоответствует положительной угловой скорости.Зависимость угловой скорости от индукции магнитного поля ужеисследовалась ранее [22-27]. В слабых магнитных полях она пропорциональнаполю и имеет направление вращения, соответствующее отрицательному, т.е.вектор угловой скорости имеет противоположное направление с магнитнымполем.
При некотором значении индукции магнитного поля Bm скорость84вращения достигает максимального по величине значения, потом скоростьвращения замедляется, а при дальнейшем увеличении поля пылинки начинаютвращатьсявпротивоположномнаправлении,т.е.происходитинверсиянаправления вращения. Зависимость угловой скорости вращения от индукциимагнитного поля можно характеризовать тремя параметрами: положениемминимума на зависимости - Bm, величиной угловой скорости при этом значении, атакже величиной магнитного поля B0, при которой происходит смена направленияскорости вращения.Для установленных в эксперименте условий и выбранного состава смесибыли выбраны численные значения для электронной температуры (от которойзависит заряд пылевых частиц), рассчитанные и приведенные в [72].
Некоторыерасчетные данные сведены в Таблицу 3.Таблица 3.Зависимость средней энергии электрона от концентрации Xe в He.Xe,% 0ε, эВ0.1 125101007.8 7.6 6.6 6.1 5.3 4.8 3.84.3. Результаты эксперимента по наблюдению вращения плазменнопылевых структур в стратах в смесях газов.На Рис.42 показана зависимость угловой скорости вращения пылевойструктуры в чистом гелии, где измерена проекция вектора угловой скорости нанаправление магнитного поля.На Рис.43 показано измерение угловой скорости в смеси гелия и ксенона вмагнитном поле. В условиях нашего эксперимента в смесях значение магнитногополя B0, при котором наблюдается инверсия вращения, оказалось сильно сдвинуто85в сторону больших магнитных полей, а также значительно увеличиласьмаксимальная скорость вращения.Сравнивая зависимости, полученные для чистого гелия на Рис.42 и длясмеси на Рис.43, можно определить следующее.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
