Пылевая плазма

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].

Пылевые образования вблизи анода в тлеющем разряде
Пыль, образующаяся при горении тлеющего разряда

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).

ИсторияПравить

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

  • 1920-е 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 1980-х — изучение зарядки пыли, распространения электромагнитных волн, их затухания и неустойчивости применительно к пылевой плазме в космосе;
  • начало 1990-х — 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 плазмыПравить

 
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.

ПримечанияПравить

  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. Дата обращения: 18 июля 2009. Архивировано 2 апреля 2012 года.
  2. В. Е. Фортов, А. Г. Храпак, С. А. Храпак, В. И. Молотков, О. Ф. Петров. Пылевая плазма (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2004. — Т. 174. — С. 495—544.
  3. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 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.

ЛитератураПравить

СсылкиПравить