Проблема работы плазменных и энергетических установок, их безопасности и эффективности. Разработка методов контроля пылевых частиц и пылевых образований, как полезных, так и паразитных, являющихся инструментом для ресурсосберегающей энергетики. В проекте ставятся конкретные задачи использования сильного магнитного поля и влияния неоднородностей плазмы для решения сформулированной проблемы.
Актуальность проблемы, научная значимость решения проблемы:
В лабораторных экспериментах пылевые ловушки, в которых компенсируется сила тяжести, и заряженные частицы удерживаются от разлета, обладают рядом неоднородностей. Все они, а также неоднородность магнитного поля и особенности реальных разрядных камер должны учитываться для более глубокого понимания физических процессов в пылевой и разрядной плазме. Значимость как в понимании самих процессов, так и установлении связи между ними. Яркий пример - используемая в проекте стоячая страта как пылевая ловушка, обладающая резко неоднородными параметрами - смещением по фазе страты напряженности поля и электронной температуры от максимума плотности плазмы и ионизации.
Исследование влияния рассматриваемых неоднородностей на внутреннюю структуру пылевой плазмы и ее динамику актуально для развития методов управления пылевыми частицами в лабораторных исследованиях и технологических установках.
Конкретная задача в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб:
Для сформулированной проблемы можно предложить ряд решаемых задач.
1. Исследование динамики пылевой структуры в объемной неоднородной по параметрам пылевой ловушке – стоячей страте во внешнем магнитном поле.
Будут исследованы двойные пылевые структуры, одновременно существующие в страте в областях с разными: электронной температурой и продольным полем, а также концентрациями плазмы и радиальным полем. Изучается внутренняя структура расположения частиц и их динамики в магнитном поле.
2. Изучение воздействия различного по неоднородности продольного магнитного поля на динамику пылевых кластеров. Будут проведены исследования в поле, созданном односекционным соленоидом, и в катушках – сплит системе - т.е., при конфигурациях магнитного поля с различным характером продольной неоднородности (увеличенное/спадающее поле в центре). Изучается динамика вращения объемного кластера в описанных условиях.
3. Создание и исследование на устойчивость пылевых структур к изменениям параметров разряда в ловушках, существующих вблизи неоднородных участков разрядных камер: боковая стенка, дно вертикальной камеры, внутренняя диэлектрическая полость (вставка) с каналом тока. Разработка методов контроля и управления пылевыми частицами для технологических и энергетических установок.
4. Изучение действия интенсивных ионных потоков на состояние и динамику пылевых структур. Будут использованы тяжелые инертные газы Xe, Kr, Ar, и/или малые добавки примесных паров металлов для формирования надтепловых скоростей потоков ионов, изучения их действия на порядок в расположении частиц в сечениях.
5. Исследование внутреннего состояния пылевых кластеров, состоящих из частиц, разнящихся по форме и размеру в протяженной структуре в стоячей страте (в головной и хвостовой ее частях). Максимальный размер частиц – порядка ионной дебаевской длины (пустотелые сферы), минимальный размер – порядка 0.5 мкм, обусловлен оптической визуализацией.
6. Изучение пылевых кластеров в сильном магнитном поле, создающем анизотропию потока на пылевые частицы в процессе поддержания стационарного заряда на поверхности. Создаются условия, когда поперечный шаг диффузии электронов (циклотронный радиус) больше, либо меньше размера частицы. В стоячей страте размер частицы порядка 4 мкм, магнитное поле до 2.0 Тл. Будет изучено максимальное удлинение пылевого кластера вдоль магнитного поля в однородном/неоднородном поле.
7. Развитие бесконтактной диагностики пылевой плазмы. Спектральное определение электронной температуры и ее продольного градиента в страте при наложении продольного магнитного поля. Значимость для научной тематики в том, что в пылевой плазме многие классические методы диагностики плазмы неприемлемы. Развитие еще одного не возмущающего плазму метода диагностики помимо метода визуализации с помощью пылевых образований.
Масштабность и комплексность задач можно представить следующим образом.
Масштаб задач определяется вовлеченностью исследований в мировой контекст. Представленные задачи сформулированы на основе собственных исследований нашей научной группы (действие сильного магнитного поля, получение быстрых ионных потоков и управление силой ионного увлечения, изучение геометрии и внутреннего расположения пылевых гранул). Они абсолютно соответствуют мировому уровню, что дополнительно отражено в уровне публикаций и участии в конференциях.
Комплексность задач, вероятно, определяется подходом к исследованию. В основе данного проекта лежат эксперименты, спланированные с учетом современного оборудования (источник магнитного поля, качественные видеокамеры для диагностики). Результаты первоначально оцениваются качественно, а далее строится модель обнаруженного явления. Подход к решению задач комплексный.
Научный задел
1. Создание пылевой плазмы в ловушке в области сужения канала тока разряда в сильном магнитном поле.
Пылевая плазма была создана в пылевой ловушке в области сужения канала тока с помощью диэлектрической вставки в магнитном поле до 2 Тл. Условия были следующими: газ неон, давление р=0.45 мм рт. ст., ток i=1.6 мА, применялись полидисперсные частицы кварца плотностью 2.5 г/см3, характерный размер частиц 1-2 мкм. [Contributions to Plasma Physics. 2019. V59 N 4-5 С. e201800142.]
В области свыше 0.1 Тл наблюдалось постепенное перестроение расположения частиц в сечении перпендикулярном магнитному полю, уменьшение их количества и уменьшение межчастичного расстояния. В области свыше 1.0 Тл структура приобретала вид оболочек с уменьшением межчастичного расстояния до 0.1 мм.
В эксперименте получена зависимость средней по сечению угловой скорости вращения пылевой структуры от магнитной индукции в диапазоне от 0 до 2 Тл, рис.21. Наблюдается быстрый рост скорости до рекордных значений 10 – 20 рад/с, после чего происходит выход зависимости «на полочку». В поле 1.0 Тл ионы замагничиваются, а в поле 2.0 Тл их коэффициент подвижности уменьшается магнитным полем уже в 5 раз (замагниченность равна 2), наблюдается увеличение угловой скорости до 25 рад/с.
2. Построена модель механизма быстрого вращения пылевой плазмы в ловушке в тлеющем разряде в области сужения канала тока. Детальная модель опубликована в работе [E.S. Dzlieva et al. Plasma Sources Science and Technology, 2019, 28, 085020]. На рис. 22 приложения сопоставляются расчеты (кривые) с экспериментом (точки). Выбран и рассмотрен случай, кода в поле соответствующему уплотнению структуры произошел скачек ее положения (красная кривая ДО скачка, синяя ПОСЛЕ).
3. Получены стабильные - устойчивые при вращательном движении в магнитном поле - пылевые структуры в тлеющем разряде в ловушке в стратах в магнитном поле до 2 Тл. Измерена угловая скорость и получены изображения горизонтальных сечений, пример показан на Рис. 23 Приложения. [PSST 2020. 29.085020]
4. Теоретическая модель вращения пылевой плазмы в стратах в магнитном поле до 20000 Гс.
Разработанная модель вращения пылевой плазмы в стратифицированном тлеющем разряде в сильном магнитном поле опубликована в [PSST 2020. 29.085020]. В качестве иллюстрации приводим сопоставление измерений и расчетов в диапазоне поля 1 Тл – 2 Тл, соответствующего замагниченности ионов неона, рис. 24 Приложения. Вращение в данных условиях вызвано вихревым током электронов в магнитном поле. Свыше 1 Тл угловая скорость перестает расти, что связано с сильным влиянием на разряд (и страту) магнитного поля.
Токи – эксперимент, две кривые – результаты расчетов при двух наборах параметров.
5. Экспериментально изучено формирование пылевой плазмы в неоднородном магнитном поле в ловушке в страте и построена модель вращательного движения пылевой плазмы. На рис.25 изображена схема наблюдения вращения в разных стратах, находящихся в различном магнитном поле. На Рис. 26. представлено различие угловых скоростей вращения в соседних стратах. Показано, что угловая скорость вращения пылевой частицы имеет четыре составляющие, две из которых появляются в продольном магнитного поля, а две другие возникают при существовании радиальной его составляющей, т.е. в неоднородном магнитном поле. Знак двух последних зависит от направления Br. [Molecules 2021, 26, 3788. https://doi.org/10.3390/molecules26133788].
