Пылевая плазма

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Пылевые образования вблизи анода в тлеющем разряде
Пыль, образующаяся при горении тлеющего разряда

Пылевая плазма (комплексная плазма) — ионизированный газ, содержащий пылинки (частицы микронных и субмикронных размеров твёрдого вещества), которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне. Пылевая плазма была впервые экспериментально получена в 20-х годах XX века, предположительно Ирвингом Ленгмюром[1].

Размеры частиц в ней относительно велики — от долей до сотен микрон (рекордом является 200 микрон). Расчёты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что её частицы могут выстраиваться в пространстве определённым образом и образовывать так называемый плазменный кристалл. Плазменный кристалл может плавиться и испаряться. Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, то кристалл можно будет увидеть невооружённым глазом.

При охлаждении пылевой плазмы образуется осадок.

Пылевая плазма часто встречается в космосе (туманностях, планетарных кольцах, хвостах комет, а также у искусственных спутников Земли).

История[править | править исходный текст]

Можно отметить следующие этапы развития представлений о пылевой плазме в хронологическом порядке:

  • 1920е годы — И.Ленгмюр впервые наблюдает пылевую плазму в лабораторных условиях;
  • 1959 год — упорядоченные квазикристаллические структуры заряженных микрочастиц экспериментально реализованы в модифицированной ловушке Пауля;
  • 1986 год — возможность кристаллизации пылевой подсистемы в неравновесной газоразрядной плазме была предсказана Икези;
  • конец 1980х — изучение зарядки пыли, распространения электромагнитных волн, их затухания и неустойчивости применительно к пылевой плазме в космосе;
  • начало 1990х — изучение пылевой плазмы с целью уменьшения или предотвращения негативных эффектов пылевых частиц, образующихся в установках плазменного напыления и травления;
  • 1994 год — группой Института внеземной физики им. М. Планка (Гархинг, Германия) в лабораторных условиях был впервые получен плазменно-пылевой кристалл, который они наблюдали в высокочастотном емкостном разряде;
  • 1996 год — группой Института высоких температур (Москва, Россия) плазменно-пылевой кристалл получен в тлеющем разряде постоянного тока;
  • 1998 год — группой Института высоких температур проведены первые эксперименты с пылевой плазмой в условия микрогравитации, проведенные на борту орбитального комплекса «Мир»;
  • 2001 год — группа Института высоких температур и группа Института внеземной физики им. М. Планка совместно запустили космическую лабораторию «Плазменный кристалл» на Международной космической станции[2][3][4].

Механизм пылевой плазмы[править | править исходный текст]

Кулоновское взаимодействие

Пылевые образования наблюдались в разных типах плазмы: газоразрядная плазма, термическая плазма, ядерно-возбуждаемая плазма. Во всех случаях главной причиной образования пылевых структур является электрический заряд. Пылевые частицы заряжаются в плазме по разным причинам в зависимости от типа плазмы. В газоразрядной плазме пылинки, как правило, заряжаются отрицательно в связи с тем, что электроны гораздо подвижней ионов, и их поток на частицу намного больше. Их заряд может быть и положительным из-за ультрафиолетового облучения частиц и, как результат, фотоэлектронной эмиссии с поверхности частицы. В термической плазме заряд частиц может быть и положительным из-за термоэлектронной эмиссии с поверхности частицы, и отрицательным из-за потока электронов на пылинки. В ядерно-возбуждаемой плазме поток электронов тоже может зарядить частицу отрицательно, но вторичная электронная эмиссия может изменить знак заряда на противоположный[5].

Типичный размер пылевых образований в тлеющем разряде

Заряженные частицы, взаимодействуя друг с другом и с электрическими полями в плазме, при определенных условиях зависают в некоторой области, образуя трехмерные пылевые структуры, аналогичные решетчатой структуре кристаллических материалов и характеризуются постоянной решётки, составляющей, в отличие от параметра обычных кристаллов, доли миллиметра, что позволяет наблюдать их невооруженным глазом.

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Robert L. Merlino. Experimental Investigations of Dusty Plasmas (англ.) (PDF). Department of Physics and Astronomy, The University of Iowa (17 June 2005). — Исторический обзор исследований пылевой плазмы. Проверено 18 июля 2009. Архивировано из первоисточника 2 апреля 2012.
  2. В. Е. Фортов, А. Г. Храпак, С. А. Храпак, В. И. Молотков, О. Ф. Петров Пылевая плазма (рус.) // УФН. — 2004. — Т. 174. — С. 495—544.
  3. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака (рус.) // УФН. — 1997. — Т. 167. — С. 57–99.
  4. Пылевая плазма // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. — М.: Янус-К, 2006. — Т. 1.
  5. В. Е. Фортов Плазменно-пылевые кристаллы и жидкости на Земле и в Космосе (рус.) // Вестник российской академии наук. — 2005. — Т. 75. — № 11. — С. 1012-1027.

Литература[править | править исходный текст]

Ссылки[править | править исходный текст]