Итоговый отчет по гранту No(18-32-00130)
«Пылевая плазма в тлеющем разряде в пылевой ловушке в двойном электрическом слое (низковольтная дуга) в магнитном поле»
Руководитель: Павлов Сергей Иванович


Реферат

Проект посвящен изучению комплексной плазмы в тлеющем разряде в сильном магнитном поле (до 10000 Гс), а именно исследованию динамики плазменно-пылевой структуры, сформированной в области изменения сечения канала тока (так называемой низковольтной дуги), и изменению ее геометрической формы в зависимости от индукции магнитного поля. Такая пылевая ловушка применятся для того что бы избежать появления неустойчивостей, которые проявляются в ловушках в стратах в магнитном поле от 1000 Гс. Величина магнитного поля (до 10000 Гс) выбрана таким образом, чтобы циклотронный радиус электрона становился сопоставимым с размером пылевой частицы. В результате проекта будут получены новые сведения о тлеющем разряде в сильном магнитном поле, а также методы управления пылевой плазмой с помощью магнитного поля.

Введение
Применение магнитного поля стало за последние десять лет одним из самых эффективных воздействий, служащих для изучения относительно нового типа плазмы - комплексной (пылевой) плазмы. Расширение диапазона воздействия магнитного поля вплоть до уровня замагниченности пылевой плазмы сегодня является последовательным и актуальным этапом развития такого исследования, прежде всего, экспериментального. Сейчас в мире существуют только три действующие экспериментальные установки для решения такой задачи - в США, Германии и России. Последняя – наша установка, сконструированная два года назад на основе сверхпроводящего магнита. На ней получены первые уникальные результаты для пылевой плазмы в условиях тлеющего разряда, развитие которых актуально в контексте мировой науки.
Магнитное поле является эффективным способом удержания плазмы, в том числе, низкотемпературной. Однако, сегодня строгая теория плазмы в магнитном поле ограничивается диапазоном замагниченности электронов, ее развитие должно быть стимулировано, в том числе, качественно новыми экспериментальными исследованиями. Реализация предлагаемого проекта важна для повышения эффективности работы плазменных установок и реакторов, от газоразрядных ламп до установок ИТЭР.
Основная часть отчета о НИР
В рамках проекта производились исследования плазменно-пылевой структуры, сформированной в тлеющем разряде в области сужения канала тока в магнитном поле (до 3000 Гс- 1-ый год проекта и до 10000 Гс – второй год проекта).
В отчетный период были проведены исследования и получен ряд важных результатов. Подобраны разрядные условия для создания устойчивых пылевых образований, сформированных в области сужения канал тока. Исследовались геометрические характеристики наблюдаемой структуры (размеры структуры, межчастичное расстояние, парные корреляционные функции). Получены сведения о динамике плазменно-пылевой структуры в магнитном поле до 10000 Гс (изменение угловой скорости вращения пылевой структуры в зависимости от величины магнитного поля).
По итогам исследования опубликовано две статьи. Также результаты докладывались на 4 международных конференциях.
Важнейшие результаты, полученные при реализации Проекта
Эксперименты были выполнены в криомагните. Внимание было уделено отклонению зависимости от линейной и скачкам зависимости, в частности, в диапазоне магнитной индукции 1000 Гс-2500 Гс, Рис. 1. А также скачкам положения структуры внутри конусообразной разрядной диафрагмы, Рис. 2. Перечислим полученные количественные результаты:
1. Особенности угловой скорости вращения пылевых структур в магнитном поле.
1.1. Проекция угловой скорости вращения структуры на вектор магнитной индукции имеет отрицательное значение.
1.2. Ее величина достигает значение 15 рад/спри величине магнитной индукции 2500 Гс.
1.3. Линейная зависимость от магнитной индукции, наблюдавшаяся ранее в поле до 400 Гс [Физика плазмы. 2016. Т. 42. № 2. С. 142-149.], сменяется зависимостью, выходящей на константу.
1.4. Обнаружен скачок угловой скорости (резкое увеличение угловой скорости вращения пылевой структуры).
2. Форма плазменно-пылевой структуры.
2.1. В вертикальном направлении структура не протяженная, можно уверенно говорить об одном широком горизонтальном сечении, на котором и были получены данные на Рис. 1.
2.2. В горизонтальном направлении размер структуры уменьшается по мере роста поля, тенденция показана на Рис. 3.
3. Получение устойчивой структуры (без скачка позиции и угловой скорости вблизи 3000 Гс).
3.1. Устойчивая пылевая структура была получена в магнитном поле в интервале 100 – 10000 Гс в неоне и в интервале 100 – 1000 Гс в гелии.
3.2. При увеличении магнитного поля от 0 до 2000 Гс наблюдается линейный рост угловой скорости вращения до величины порядка 10 рад/с. Далее, в интервале магнитного поля от 2000-3000 Гс происходит скачек угловой скорости до 15 рад/с, после 3000 Гс угловая скорость выходит на константу. Рис 4.
3.3. Получены сведения о геометрических характеристиках структуры в зависимости от наложенного магнитного поля (среднее межчастичное расстояние, изменение положения структуры, изменение корреляционной функции структуры с изменением магнитного поля, изменение среднего радиуса кольцеобразной структуры).
Были подобраны условия для создания плазменно-пылевой структуры в ловушке в торцевой области стеклянной вставки. Использовался рабочий газ ксенон при давлениях в диапазоне 0,1 – 0,4 Торр, разрядных токах в диапазоне 1,5 мА, калиброванные частицы меламин-формальдегида диаметром 4 мкм. Накладываемое магнитное поле изменялось от 0 до 400 Гс. Структура имела вертикальный размер 1,5 см и кольцеобразную в поперечном сечении форму, пример приведен на см. Рис. 5. Примеры расположения частиц и их корреляционные функции, полученные при обработке видеоматериалов, представлены для трех значений магнитного поля: 10 Гс, 90 Гс и 260 Гс на Рис.6, Рис.7 и Рис.8 соответственно. Рисунок 9 показывает зависимость среднего радиуса кольцеобразной структуры от магнитного поля.

Рис.1. Зависимость среднего межчастичного расстояния в поперечном сечении плазменно-пылевой структуры от магнитного поля. Условия: неон при давлении 0,55 Торр, разрядный ток 1,5мА, пылевые частицы – кварц.
а) б)
Рис.2. (а) Зависимость проекции угловой скорости поперечного сечения плазменно-пылевой структуры от магнитного поля. (б) Зависимость вертикальной координаты, на которой находилось среднее поперечное сечение плазменно-пылевой структуры на графике (а), от магнитного поля. Условия: неон при давлении 0,4 Торр, разрядный ток 1,5мА, пылевые частицы – кварц. Стрелками показан скачок пылевой ловушки на 8 мм вниз на графике (б) и связанный с ним скачок угловой скорости на графике (а).

а) б)
Рис.3. Изображение горизонтального сечения пылевой структуры в пылевой ловушке, образованной в области сужения разряда. Условия: неон, 0,4 Торр, 1,5мА, частицы кварца. (а) 300 Гс, (б) 2500 Гс. Внутренний диаметр вставки 5 мм

Рис.4. Зависимость угловой скорости вращения горизонтального сечения плазменно-пылевой структуры от индукции магнитного поля. Условия: Неон при давлении 0,3 Торр, разрядный ток 1,5 мА.
а) б)
Рис.5. Изображение горизонтального сечения плазменно-пылевой структуры, сформированной внутри диэлектрической вставки, сужающей канал тока. Магнитное поле (а) 10Гс, (б) 90Гс величина проекции угловой скорости сечения на направление вектора индукции (а) 0,9 рад/с, (б) 4,1 рад/с. Условия: Ксенон при давлении 0,4 Торр, разрядный ток 1,5 мА, калиброванные MF частицы диаметром 4 мкм. 1 – верхний торец стеклянной конической вставки; 2 – подсвеченное сечение плазменно-пылевой структуры.
а) б)
Рис. 6 а) Координаты частиц в одном кольцевом секторе. б) Корреляционная функция, построенная по Рис.6а. Условия: Ксенон при давлении 0,4 Торр, разрядный ток 1,5 мА, калиброванные MF частицы диаметром 4 мкм. Магнитное поле 10 Гс.
а) б)
Рис. 7. а) Координаты частиц в одном кольцевом секторе. б) Корреляционная функция, построенная по Рис.7а. Условия: Ксенон при давлении 0,4 Торр, разрядный ток 1,5 мА, калиброванные MF частицы диаметром 4 мкм. Магнитное поле 90 Гс.
а) б)
Рис.8. а) Координаты частиц в одном кольцевом секторе. Начало координат примерно в середине кольца. б) Корреляционная функция, построенная по Рис.8а. Условия: Ксенон при давлении 0,4 Торр, разрядный ток 1,5 мА, калиброванные MF частицы диаметром 4 мкм. Магнитное поле 260 Гс.

Рис.9. Зависимость среднего радиуса кольцеобразной структуры от магнитного поля. Радиус кольца увеличивается до величины, определяющей границу существования структуры.

Заключение
В рамках проекта производились исследования плазменно-пылевой структуры, сформированной в тлеющем разряде в области сужения канала тока в магнитном поле (до 3000 Гс- 1-ый год проекта и до 10000 Гс – второй год проекта).
В отчетный период были проведены исследования и получен ряд важных результатов. Подобраны разрядные условия для создания устойчивых пылевых образований, сформированных в области сужения канал тока. Исследовались геометрические характеристики наблюдаемой структуры (размеры структуры, межчастичное расстояние, парные корреляционные функции). Получены сведения о динамике плазменно-пылевой структуры в магнитном поле до 10000 Гс (изменение угловой скорости вращения пылевой структуры в зависимости от величины магнитного поля). По итогам исследования опубликовано две статьи. Также результаты докладывались на 4 международных конференциях. Поставленные задачи выполнены полностью.