1 год
1. Были проведены предварительные исследования по созданию пылевых кластеров из частиц максимального размера. Для работы были выбраны полые микросферы из боросиликатного стекла с плотностью 0,4-0,9 г/см^3, в зависимости от их размера и толщины стенки, по оценкам, толщина стенки не превосходит 3 мкм. Исходные частицы имеют сферическую форму (кроме того, наблюдения в микроскоп обнаружили некоторое количество расколотых частиц и их фрагментов), разброс диаметров частиц 10-120 мкм. Для их инжекции в плазму использовался контейнер с сетчатым дном с ячейкой 150 мкм. Для определения размеров формирующих кластер частиц, разрядная камера имела оптическое окно для предотвращения цилиндрической аберрации при сильном оптическом увеличении. Наблюдения велись сквозь данное окно с помощью оптического микроскопа МБС-10 с большим фокусным расстоянием объектива (порядка 10 см). Это позволило определить характерный размер частиц, используемых для формирования пылевого кластера.
Для используемых частиц максимального размера было необходимо подобрать условия, при которых осуществляется их левитация, но минимальное число осколков. В противном случае частицы в пылевой ловушке в страте левитируют на различных высотах (при разных значениях продольного электрического поля) и могут формировать лишь вертикальный кластер т.е. пылевую цепочку. По этой причине изначально было предложено использование газов неона (в основном) и гелия, как имеющих наибольший потенциал ионизации (соответственно, наибольшие электронную температуру и продольное поле). Рабочее давление выбиралось в диапазоне 0,2-0,6 Торр. Варьировать разрядный ток для частиц большого размера проблематично, поскольку он управляет силой термофореза, которая зависит от геометрического сечения частицы. Его диапазон изменения оказался в области 0,8-2,0 мА. Экспериментально более стабильная левитация частиц наблюдалась с такими инертными газами, как аргон и неон. В итоге, для малых пылевых кластеровиз порядка 10 частиц, были выбраны наиболее приемлемые условия: неон при давлении 0,4-0,5 Торр, ток разряда 0,1-1,5 мА. В этих условиях создавались пылевые кластеры, в горизонтальном сечении имеющие до десяти частиц диаметром 20-30 мкм. При формировании вертикальных цепочек в страте размер частиц существенно разнится, что связано с изменением электрического поля по длине страты. В голове страты наблюдаются частицы диаметром 60 мкм, в то время как в хвостовой части страты могут наблюдаться и 10 мкм частицы, и осколки микросфер, что, в принципе, делает структуру, как неоднородной, так и не стабильной. Такие частицы совершают вращательные движения, предположительно, вокруг центра инерции. В итоге, были изучены возможности для получения кластера из частиц максимального размера.

2. Проводились исследования, направленные на создание в эксперименте пылевых кластеров (либо структур с небольшим счетным количеством частиц). Одним из принципиальных отличий кластера от пылевой структуры является количество частиц вблизи крайней оболочки (границы) по сравнению с числом частиц в объеме. Из опыта работы с пылевой плазмой с горизонтальными структурами из порядка сотен частиц, нам известно, что начиная с некоторого размера кластера, его границей становится окружность (из-за действия обжимающего радиального поля). В горизонтальных сечениях расположение частиц может иметь симметрию треугольников (гексагональный тип расположения), либо квадратов [Опт. и Спектр. 106 № 6 (2009) 914]. Было решено формировать структуры, которые имеют в горизонтальном сечении границу не в форме правильной окружности, а когда расположение частиц на периферии еще сохраняет тип упаковки (например, гексагональный). Условия разряда были выбраны следующими: рабочий газ неон (частично неон с малой долей водорода, что обеспечивает более резкие стоячие страты и более плоскую форму эквипотенциальной поверхности плазмы), при давлении меньше 1 Торр, но еще до наступления в пылевой ловушке колебательной неустойчивости [ЖЭТФ. 116. В.3 (1999) 902], примерно до 0,3 Торр (в зависимости от диаметра трубки). В этих условиях в двух разрядных трубках с радиусами 1 см и 1,5 см создавались небольшие плазменно-пылевые образования из полидисперсных частиц. Использовались порошки кварца плотностью 2,4 г/см^3, корунда (Al2O3) плотностью 4 г/см^3, ниобата лития (LiNbO3) плотностью 4,6 г/см^3. Последние гранулы, хотя и более тяжелые, но имеют форму близкую к сферической, в то время как у остальных порошков форма зависающих в страте частиц, как компактная так и вытянутая (фактор формы от 1 до 2). Количественные результаты более наглядно демонстрируют кластеры (горизонтальные и вертикальные), созданные из частиц кварца и ниобата лития.
Использованные полидисперсные порошки готовились следующим образом. Частицы ниобата лития брались стандартные, применяемые для выращивания оптических кристаллов (исходные, без повторного размола). Характерный размер частиц формирующих кластер был 1-2 мкм, максимум дисперсности порошков 10 мкм. Частицы Al2O3 брались из стандартных технологических абразивных порошков, максимум исходной дисперсности 25 мкм. Частицы кварца подготавливались просеиванием технического кварца. Первоначально частицы просеивали через систему вибросит 200, 100, 60 мкм. Далее «протирались» через сито с ячейкой 45 мкм и дополнительно отбирались по времени осаждения в воде. Максимум дисперсности оказался 20 мкм. Все частицы инжектировались в пылевую ловушку в страту из контейнера с ячейкой 25 мкм. В эксперименте основная часть порошка при инжекции проваливалось через пылевую ловушку - стоячую страту - в вертикальном отрезке разрядной камеры, и лишь единичные частицы зависали в сформированной малой плазменно-пылевой структуре: кластере/цепочке. Инжектирование проводилось при минимальном возможном разрядном токе, обеспечивающем левитацию лишь в приосевой области разряда. Геометрически все кластеры являются объемными, но подбирая условия разряда (ток разряда и давление), можно создавать пылевое образование удлиненное, или укороченное. Это позволяло создавать кластеры в несколько почти плоских слоев, либо в несколько (1-3 приосевых) вертикальных цепочек.

3. Сравнительный анализ получаемых кластеров и литературные данные. Был проведен сравнительный анализ размеров и расположения частиц в созданных малых горизонтальных сечениях пылевых структур/кластеров, а также литературный анализ характеристик кластеров, способных вращаться в магнитном поле [XXVICPIG, V.3, 2001, Nagoya, Japan, P.39; New Jour. Phys. 5 (2003) 75.1; Phys. Rev. E 61 (2000) 1890]. В первой из названных работ содержатся данные о резком изменении порогового магнитного поля от 1800 Гс до 100 Гс при переходе от двухчастичного к трехчастичному пылевому кластеру. При дальнейшем увеличении размера кластера, изменения уже несущественны. Во второй работе описаны уверенные закономерности развития вращения кластера при увеличении в нем числа частиц. Размер использованных в ней кластеров был сопоставим с длиной пробега ионов, и пороговый эффект раскручивания работал. В следующей работе содержатся обратные по смыслу результаты: при изменении числа частиц в структуре в широком диапазоне, зависимость скорости вращения от числа частиц (при увеличении структуры до 700 частиц) не обнаружена. Проведенный анализ литературных работ, а также обобщения содержащиеся в [Complex and dusty plasmas: from laboratory to space / Fortov V.E., Morfill G.E. New York: Taylor&Francis Group, 2010], приводят к идее изучать кластеры со счетным числом частиц, в основном, не более двух десятков частиц. Наши наблюдения и предварительные эксперименты по подбору порошков и разрядных условий, описанные в п.1 и п.2, соответствуют, в отличие от работ в ВЧ разряде, объемным пылевым структурам в тлеющем разряде. Из собственных исследований [Contr. Plasmю Phys., 56 (2016) 197; EPL 110 (2015) 55002; Phys. Rev. E. 74. № 6 (2006) 066403] известно, что в пылевой ловушке в страте механизмов вращения пылевой структуры может быть три. Два из них основные, они локализованы в разных по вертикали частях страты (в разных частях объемной пылевой структуры). Чтобы кластер испытывал воздействие лишь одного механизма необходимо, чтобы он был непротяженным (почти плоским). При счетном числе частиц он имел не более чем три ближайших оболочки от центра. Из наблюдений п.1 и п.2 представляется, что следует использовать либо полидисперсные частицы, либо калиброванные, но размером до 5 – 6 мкм). Пустотелые сферы описанные в п.1 менее пригодны, поскольку всегда имеются сопутствующие осколки, приводящие к формированию вытянутых цепочек. Давление газа разряда выше примерно 0,7 Торр и ток не ниже 2 мА, а также добавление к инертному газу (неону, аргону) водорода (а также гелия) приводят к желаемому эффекту получения достаточно плоских пылевых структур/кластеров.
Выбранные условия были дополнительно проверены на предмет устойчивости создаваемых объектов (и поддержания симметричной формы стоячей страты) в слабом магнитном поле до 100 Гс. Две рабочие разрядные трубки: диаметром 2 см с микросферами, а также диаметром 3 см с относительно мелкими частицами, были помещены внутри магнитных катушек. При созданной пылевой структуре на некоторое время включалось магнитное поле, и наблюдалась устойчивость разряда. В описанных условиях горизонтальные сечения пылевых структур были достаточно однородными и имели четко выраженную гексагональность в расположении. Далее, с ними проводились наблюдения в слабом магнитном поле (в двух упомянутых магнитных катушках), и в сильном (с использованием сверхпроводящего магнита).

4. Проведение экспериментальных исследований кластеров в слабом магнитном поле. Литературные данные обсуждаемые выше показывают неоднозначную ситуацию с наличием порога возникновения вращения пылевых кластеров в магнитном поле, обнаруженную с двумерными кластерами в ловушках в ВЧ разряде. Исходя из этих сведений, а также из собственных измерений, в качестве слабого магнитного поля нужно принять диапазон, при котором в условиях стратифицированного тлеющего разряда доминирует сила ионного увлечения (не увлечение вращающимся газом разряда из-за вихревого электрического тока в стартах). Предельные значения магнитной индукции были оценены как 100-150 Гс, в зависимости от давления газа. Первоначально предполагалось провести измерения со сферическими частицами (описаны в п.1) и полидисперсными частицами (п. 2) в магнитных катушках, обеспечивающих оптическую визуализацию объемных кластеров. Главный ожидаемый результат (пороговый характер возникновения вращения) принципиально был получен, но не в той зависимости от условий разряда, как ожидалось. Поэтому было решено провести дополнительное исследование с полидисперсными частицами, формирующими небольшие пылевые структуры до 20 частиц в умеренном диапазоне магнитного поля (когда ионы еще не замагничены) с применением криомагнита. Эти исследования будут описаны отдельным пунктом. Ниже представляются наблюдения в слабом магнитном поле в двух установках.
Во-первых, выполнены опыты с созданием и наблюдением кластеров из больших по размеру частиц (диаметр 10 – 40 мкм, см. п. 1) в магнитном поле до 200 Гс. Использована магнитная катушка диаметром около 30 см и длиной 15 см, и разрядная трубка с компактным верхним электродом, позволяющим вести наблюдения через верхний торец трубки с помощью немагнитного длиннофокусного микроскопа МБС-10. Частицы столь большого размера в кластере были хорошо различимы в микроскоп. Давление и ток разряда при работе со столь крупными частицами могло мало варьироваться (вблизи значений 0,3 Торр и 1,5 мА). Наблюдения в основном проводились в неоне (частично в аргоне и гелии). Зарегистрировать пороговый характер вращения не удалось, частицы начинали вращение при наличии магнитного поля самых малых значений - в единицы гауссов.
Во-вторых, были выполнены эксперименты по созданию кластеров в магнитном поле из частиц меньшего размера (см. п. 2, а также из калиброванных частиц меламин-формальдегида диаметром 1,3 мкм). Использовалась пылевая ловушка в страте в разрядной трубке диаметром 3 см, рабочие газы неон, гелий, а также неон с примесью водорода. Магнитное поле создавалось парой катушек диаметром 30 см и длиной 15 см каждая, разнесенных для наблюдения пылевого образования на расстояние 9 см. Использована видеосъемка горизонтальных сечений сверху, а также фотографирование вертикальных сечений сбоку. Были получены результаты структурного расположения частиц в пылевых кластерах, зависимость продольного и поперечного межчастичных расстояний от тока и магнитного поля, в некотором диапазоне получена зависимость от давления. Был обнаружен некий масштабный фактор для кластера в магнитном поле: при увеличении размера пылевого образования порог возникновении вращения в магнитном поле изменяется.
В-третьих, получив эти вышеописанные результаты с большими и средними (полидисперсными) частицами, возникло предположение, что порог возникновения вращения будет убедительно обнаруживаться с минимально возможными по размеру частицами. Кроме того, для количественных оценок нужно уверенно знать число частиц, форму кластера, а также размеры пылевых частиц. Было решено провести дополнительные наблюдения с калиброванными частицами меламин-формальдегида диаметром 1,3 мкм. Эксперименты выполнялись на второй описанной экспериментальной установке. Сначала были созданы и сфотографированы конфигурации пылевых кластеров до 10 частиц в сечении. Далее, производились наблюдения за кластерами, созданными из 6 и 10 вертикальных цепочек в слабом магнитном поле.

5. Выполнение элементарных кинетических оценок и сопоставление их с характерными размерами кластеров. Для понимания обнаруженных результатов (межчастичное расстояние, пороговый эффект, отличающийся от наблюдаемого в плоском кластере в ВЧ разряде; размер пылевого образования, в том числе в умеренном магнитном поле) были выполнены численные оценки характерных масштабных величин. Выполненные оценки позволили сформулировать физическую идею существования порога раскручивания пылевой структуры в магнитном поле.

6. Эксперимент с применением сверхпроводящего магнита по наблюдению созданных малых пылевых объектов в сильном/умеренном магнитном поле.
Для создания магнитного поля в экспериментах использовался криомагнит, внутрь которого могла вертикально помещаться разрядная трубка. Криомагнит представляет собой гелиевый криостат с находящимся внутри сверхпроводящим соленоидом. Максимальное магнитное поле, создаваемое в центре соленоида, достигает 2,7 Тл при токе в 55 А. Однородность магнитного поля в этой области 0,1 % в см^3. Вектор магнитной индукции направлен вертикально. Жидкий гелий необходим для обеспечения температуры, нужной для перехода соленоида в сверхпроводящее состояние. Резервуар для жидкого гелия помещен в свою очередь в резервуар для жидкого азота, предназначенного для уменьшения расхода жидкого гелия. Все это находится в камере, откачанной до высокого вакуума (до 10^-7 Торр), который необходим для уменьшения расхода жидкого азота. Внутри криомагнита находится теплое отверстие цилиндрической формы, позволяющее размещать объект исследования в области однородного магнитного поля. Температура внутри теплого отверстия во время работы криомагнита составляла 8 градусов Цельсия.
Газоразрядная трубка диаметром 22 мм и длиной 1,5 м, располагалась соосно теплому отверстию внутри криостата. Трубка имела возможность перемещаться вдоль криостата таким образом, чтобы наблюдаемая плазменно-пылевая структура все время находилась в центральной части соленоида (в однородном магнитном поле). Оба электрода были вынесены за пределы криомагнита и не попадали в область магнитного поля, катод располагался снизу. Для инжекции частиц использовался контейнер с сетчатым дном, закрепленный в боковом отростке разрядной трубки на расстоянии больше 1 м от сверхпроводящего соленоида. Контейнер приводился в движение извне с помощью магнита. Для обеспечения стабильной стратификации внутрь разрядной трубки помещалась диэлектрическая вставка, сужающая канал тока. Наблюдения проводились в первой страте от вставки в сторону анода.
Для визуализации плазменно-пылевых образований использовалась система подсветки, которая состояла из вертикально расположенного полупроводникового лазера с длиной волны 650 нм и мощностью 45 мВт и перископической системы (цилиндрической линзы, преобразующей луч лазера в лазерный нож, и поворотной призмы, разворачивающей лазерный нож в горизонтальную плоскость). Ширина лазерного «ножа» составляла 1 см, его толщина не менее 0,7 мм. Перископическая система также располагалась внутри теплого отверстия и имела возможность перемещаться вертикально вдоль трубки при смещении в магнитном поле пылевого объекта. Наблюдение проводилось через верхнее торцевое оптическое окно. Отраженный свет от плазменно-пылевой структуры проходил через светофильтр, расположенный поверх оптического окна и рассчитанный на длину волны лазера (650 нм), затем с помощью поворотной призмы направлялся в объектив горизонтально расположенной видеокамеры. Регистрация сигнала от плазменно-пылевой структуры происходила с частотой 25 к/с. Видеосъемка велась с расстояния около 1,5 м.
Таким образом, проводились исследования пылевых образований в магнитном поле от 0 до 10000 Гс. Также было проведено обучение студентов Тарасова С.А. и Матвиевской О.В. по подготовке криогенного магнита к эксперименту, по запуску криогенного магнита, а также управление током, подаваемым на соленоид криомагнита (изменение магнитного поля).

7. Создание сверхпротяженного пылевого кластера в пылевой ловушке в страте неоднородном сильном до 0.5 Тл магнитном поле.
Деформация пылевой ловушки в продольном магнитном поле (изменение геометрических характеристик разряда) представляет интерес как с точки зрения изучения свойств разряда постоянного тока, так и с точки зрения физики комплексной плазмы [XXV ICPIG, V.3, 2001, Nagoya, Japan, P.39]. В эксперименте с сильным магнитным полем в условиях тлеющего разряда возникает проблема, связанная с деформацией страт [EPL 123 (2018) 15001]. В следующих исследованиях мы попытались зарегистрировать изменение границ и формы пылевой ловушки при изменении магнитного поля в области разряда, близкой к границе сверхпроводящего соленоида, в неоднородном расходящемся магнитном поле.
Пылевая структура создавалась в разрядной трубке длиной 120 см, диаметром 1,7 см, помещенной в криогенный магнит с длиной соленоида 20 см. Магнитное поле в центре соленоида было 5000 Гс. Видеорегистрация пылевой структуры производилась сверху через торцевое окно трубки с расстояния 150 см. В работе использовались условия: газ неон при давлении 0,8 Торр, разрядный ток 1,5 мА; пылевая компонента была образована полидисперсными частицами кварца. Форма и длина структуры определялись по горизонтальным сечениям при разных вертикальных координатах. Полученные изображения представлялись в виде фотографий.

2 год
1. Проводились экспериментальные исследования, направленные на понимание механического состояния и поведения пылевой плазмы при сильном воздействии магнитного поля.
Первоначально планировалось воздействие до 12000 Гс или 15000 Гс (в зависимости от сорта газа и его давления) так, чтобы воздействовать на ионы (частичное замагничивание) и на электроны (полное замагничивание). При этом будет существенное влияние магнитного поля на тлеющий разряд, после наступления токово-конвективной неустойчивости (характерной для нестратифицированного тлеющего разряда во всех инертных газах) – нужно поле заведомо более 8000 Гс согласно литературным данным 60-х годов прошлого века, мы предположили что от 10000 Гс. В этом случае мы можем опираться на предыдущие исследования научной группы за 2015 г.
Запланированное исследование необходимо проводить с использованием криомагнита, обеспечивающим требуемую величину магнитного поля. Для проведения исследования первоначально разрядные трубки были заполнены рабочим газом неоном, для создания пылевой компоненты использовались полидисперсные частицы кварца. Мы начинали работу с условий, близких к условиям исследований, ранее проведенных в диапазоне умеренного магнитного поля. Давление было увеличено на 10 % и при этом стабильная пылевая ловушка с наибольшим количеством частиц образовывалась при разрядном токе около 2,0 мА, т.е. немного выше, по сравнению с ранее проведенными экспериментами при 1,5 мА. Главная цель исследования была в создании пылевой плазмы в магнитном поле свыше 10000 Гс, достигнутом ранее.
В приведенных условиях образуемые пылевые структуры в магнитном поле до 15000 Гс имели менее 20 частиц в самом широком горизонтальном сечении. В горизонтальном сечении структура, вероятно ближе к кластеру. При вращательном движении расположение частиц даже визуально не ассоциировалось с оболочечной структурой. Геометрия расположения частиц может изменяться, у каждой из движущихся частиц траектория движения не есть строгий элемент окружности, дуги траекторий могут несколько искажаться во времени. Надо отметить, что горизонтально сжатая пылевая структура оказывается вытянутой вдоль вертикального направления, вдоль наложенного магнитного поля.
Изображения горизонтальных двумерных пылевых сечений диагностировались по записям на видеокамеру с телевизионным форматом частоты с достаточно удаленного расстояния. При этом апертура определялась диаметром разрядной трубки 2 см. Изображения снимались с расстояния около 120 см. По сравнению с предыдущими видеозаписями, мы изменили оптическую систему. Подобрали оптимальные расстояния без значительного оптического уменьшения, хотя немного проиграв в светосиле. Это нивелировалось увеличением мощности лазера, применяемого для подсветки. Отдельные пылевые гранулы разрешались даже в динамике их вращения с угловой скоростью 3 рад/с (линейной 5 мм/с) без применения программных фильтров. Для лучшего качества записанных видеороликов мы использовали только фильтры яркости и контрастности из стандартного пакета программы “virtual dub”.
Рабочая система подсветки горизонтальных сечений была улучшена в двух отношениях. Она была подвижной в вертикальном направлении в более широком диапазоне, и стало возможным производить вертикальную перестройку для измерения продольного градиента угловой скорости. Кроме того, была переделана система растягивающих нитей (лески), предотвращающая подсвечивающую систему внутри теплого отверстия криостата от люфта и поворотного смещения. Так же был заменен рабочий лазер, не имеющий регулировку мощности. В описанной системе были произведены следующие измерения.
1.1. Созданная пылевая структура в разряде неона в магнитном поле до 10000 Гс имела две области неустойчивости. Причина первой, вероятно, аналогична токово-конвективной неустойчивости в поле до 3000 Гс. Причина второй не понятна, ее начало от 6000 Гс. Ближе к 10000 Гс структура стала обретать симметрию вдоль оси трубки. Это было заметно и по центру свечения в сечении при наблюдении в видеокамеру. С 10000 Гс - 11000 Гс структура «восстанавливалась». Вариацией тока был определен режим наибольшего заполнения сечений. В итоге, мы произвели измерения в рабочем газе неоне при токе 1,9 мА в магнитных полях 10000 – 15000 Гс при использовании частиц кварца, предположительно с характерным размером 5,5 мкм и отношением двух проекционных размеров частиц в 1,5. С видеозаписей были выборочно взяты отдельные кадры, полученные из их изображения дают информацию о расположении частиц, в частности, об межчастичном расстоянии.
1.2. Качественно характеризуя наши наблюдения отметим, что получить широкие пылевые структуры в магнитном поле свыше 10000 Гс не удается по крайней мере, при используемых параметрах. Из предыдущих наблюдений известно, что при 9700 Гс сечения содержали выше 20 частиц. Сейчас в поле до 15000 Гс, даже с дополнительной инжекцией, мы создаем облако в 12-15 частиц. Возможно, что полное число частиц в ловушке в страте не уменьшается, т.к. увеличивается число горизонтальных сечений при удлинении страты.
По самому широкому сечению (или среднему) была определена зависимость угловой скорости вращения от магнитной индукции, обнаруживающая выход на константу.

2. Продольный градиент угловой скорости у вытягиваемых в магнитном поле структур.
Одним из результатов, необходимых для понимания механизма вращения пылевой структуры в магнитном поле свыше 1000 Гс, может служить продольное распределение и скорости вращения и плотности пылевой компоненты. Прежде всего, поскольку исследуемый объект трехмерный, при планировании этапа мы рассчитывали измерить изменение (если такое существует) угловой скорости в продольном, соосном с магнитным полем, направлении. В общем, нужно определить, где находиться нижнее сечение пылевой структуры по отношению к голове страты, а также наблюдаются ли изменения знака (либо производной) скорости, поскольку в теле страты изменяется направление вихревого тока электронов (оно сонаправлено с силой ионного увлечения в этой фазе страты).
В предыдущем пункте описано, что в диапазоне изменения магнитного поля до 10000 Гс мы столкнулись с двумя областями неустойчивости. Поэтому измерения градиента угловой скорости были выполнены в поле около 12000 Гс (несколько выше, чем было запланировано 10000 Гс). По предыдущим измерениям (в поле до 6000 Гс) мы ожидали, что структура будет вытянута, по крайней мере, на 2 см, градиент её скорости направлены вниз. В эксперименте было видно, что верхняя часть (сечение) структуры не вращается, а величина скорости вращения растет с глубиной вертикальной координаты на 4 рад/с.

3. Определение формы пылевой ловушки в магнитном поле по свечению.
При исследовании пылевой плазмы, создаваемой в условиях тлеющего разряда в стоячих стратах, были обнаружены три области на зависимости угловой скорости вращения пылевой структуры от магнитной индукции. Наблюдающееся вращение структуры в страте изменяет тангенс угла зависимости от магнитного поля вблизи 1000 Гс, а вблизи 10000 Гс выходит на постоянную величину. Не до конца ясным является механизм перехода к более медленной зависимости угловой скорости вращения.
Используемые характеристики пылевой ловушки в настоящее время берутся из описания бегущих страт. Изучение формирования бегущих страт (литературные данные) в магнитном поле показывает, что вновь возникающие в магнитном поле страты не могут быть пылевыми ловушками, сохраняющими пылевую компоненту на всем протяжении изменения магнитного поля. В силу практически полной неопределенности данного вопроса для первоначальных модельных оценок характеристик страты в магнитном поле (длины, напряженности поля, электронной температуры) было решено измерить интегральную картину свечения стоячей страты в магнитном поле. Возможное поперечное сжатие и продольное к магнитному полю удлинение картины свечения позволит сделать предположения о изменении параметров. Для проверки этой возможности были поставлены два эксперимента.
В экспериментах использовалась стеклянная разрядная трубка высотой 120 см и внутренним диаметром 20 ± 1 мм, в которой зажигался стратифицированный разряд с силой тока 1.5 мА. Сама трубка была помещена в продольное поле с величинами магнитной индукции до 2700 Гс. Магнитная катушка, создававшая поле, имела следующие геометрические параметры: высоту 10 см, диаметр внутреннего отверстия 10 см, внешний диаметр 26 см.
В первом эксперименте для вывода изображения свечения разряда на экран компьютера использовалась перископная видеокамера с частотой съемки 25 кадр/с и разрешением 640 на 480 пкс. Эксперимент проводился при следующих условиях: неон при давлениях от 0.5 до 0.8 Торр.
Во втором эксперименте создавалась пылевая структура из полидисперсных частиц кварца в тех же условиях, что и предыдущем эксперименте. Радиальным размером сечений в магнитном поле используемого диапазона мы не можем управлять. Продольный размер ловушки, хотя и отличающейся от длины всей страты, в эксперименте определялся по размеру наблюдаемой структуры, получаемой аналогично способу, описанному выше при измерении продольного градиента вращения.
Полученные результаты показывают тенденцию к слиянию страт, при этом головная часть страт удлиняется. Данное исследование в дальнейшем было повторено при максимальной замагниченности плазмы в более легком инертном газе гелии при максимальном используемом магнитном поле в 20000 Гс. См. подробнее последний пункт данного раздела.

4. Пылевая плазма в неоднородных ловушках.
Пылевая плазма в технологических камерах и энергетических установках может проявлять себя как нежелательный и паразитный продукт, приводящий к сбою и срыву функционирования работающих установок. Например, хорошо известны не рассеивающиеся облака вытравленной меди при плазменном травлении и разрушение стенок энергетических установок, приводящие к пробою на стенку и потерям мощности. При подаче заявки мы планировали рассмотреть задачу воздействия неоднородных участков (стенка, дно разрядной камеры) и полей в газоразрядных камерах с пылевой плазмой. Потенциальный интерес представляли пылевые ловушки над горизонтальной стенкой камеры вблизи поворота канала тока, а также областей над внесенными в плазму объектами: зондами, диэлектрическими вставками. Мы анализировали возможность изучения таких ловушек, в том числе, в сильном магнитном поле. Относительно просто конструктивно можно использовать лишь конструкции с аксиальной симметрией вдоль линий магнитного поля. Другая сложность – это нестационарные процессы, например, пылевая структура может «перетекать» из менее устойчивой пылевой ловушки в магнитном поле в более устойчивую (пример – ловушки в страте и над диэлектрической вставкой, где «мгновенное перетекание» происходит в магнитном поле 100 – 200 Гс). С другой стороны, при экспериментах в сильном магнитном поле в ловушке в страте был обнаружен, а затем он стабильно повторился, тот факт, что искажающаяся в магнитном поле страта (вторая и третья от вставки, формирующей стоячие страты) находит устойчивое положение в области значительного продольного градиента магнитного поля до 2000 Гс/см, это явление повторилось в нескольких газах. Пылевая ловушка в этой области оказалась очень устойчивой. Начинаясь вблизи торца соленоида, она выходила из его объема и могла распространяться на несколько сантиметров. Таким образом, мы решили подойти к планируемой задаче с другой стороны, т.е. изучить пылевую структуру (ее динамику) в области сильно неоднородного магнитного поля, безотносительно к торцам и углам разрядной камеры.
Качественно оценив первые результаты, и проведя анализ литературных источников, мы пришли к следующему. По исследованию пылевой плазмы в неоднородном магнитном поле имеются четыре экспериментальные работы (одна нашей группы). Но в имеющихся исследованиях неоднородность магнитного поля выступает как несовершенное условие, которое можно учитывать. При этом величина поля не превосходит нескольких сотен Гауссов. Мы имеем совершенно другую ситуацию: магнитное поле в тысячи Гауссов, его градиент в две тысячи Гауссов на сантиметр. Это приводит к сильному воздействию (на ток разряда, фокусировку электронов, дрейф ионов в неоднородном магнитном поле), т.е., мы имеем принципиально новую пылевую ловушку, обладающую новым воздействием на пылевую плазму (ловушки без столь существенного магнитного поля в данной области не существует).
К настоящему времени мы провели ряд основных измерений с целью получения зависимости от градиента магнитной индукции, измеряя угловую скорость вращения. Ее знак обратный к знаку скорости вращения в ловушке в страте в однородном магнитном поле. Также мы промерили градиенты (осевой и радиальный). Оценили роль различных причин во вращательном движении (градиентный и циклотронный дрейф ионов, фокусировка – появление радиальной составляющей тока разряда – в магнитном поле).

5. Обнаружение порогового эффекта вращения пылевого кластера в магнитном поле.
Детально исследовать в страте в тлеющем разряде корреляцию вращения плазменно-пылевого кластера в магнитном поле с количеством частиц, заполняющих вакансии в его горизонтальном сечении. Провести измерение зависимости угловой скорости сечения от числа частиц при фиксированном значении магнитного поля и прочих параметрах разряда.
Для работы была сконструирована отдельная экспериментальная установка, позволяющая иметь широкий обзор во время эксперимента и возможность подробной видеосъемки с близкого расстояния.
Разрядная трубка имела диаметр 21 мм, длину вертикального участка 150 мм. Электрическое поле было направлено вниз, для создания устойчивой страты в заданном месте в трубку была добавлена диэлектрическая вставка, сужающая канал тока с диаметром отверстия 5 мм. Верхний торец трубки представлял собой плоское окно, через которое велись наблюдения.
Магнитное поле создавалось катушкой, имеющей диаметр 220 мм, высоту 92 мм и ширину 170 мм, питаемой источником постоянного тока. В центр ее помещалась разрядная трубка, электроды которой не попадали в область магнитного поля. Размер и конструкция катушки определялись задачей избежать любых тепловых воздействий на пылевую ловушку, связанных с нагревом витков провода. С помощью вставки, задающей конфигурацию страт, пылевая ловушка устанавливалась в область однородного магнитного поля и не выходила из нее при изменении магнитной индукции в диапазоне 0 – 200 Гс. Магнитное поле было направленно вверх. В качестве пылевой компоненты использовались монодисперсные частицы меламин-формальдегида диаметром 4,1 мкм. Инжектор частиц в виде контейнера с сетчатым дном был помещен в боковой отросток трубки и позволял вбрасывать в разряд дозированное число частиц от одной штуки.
Пылевое образование в ловушке подсвечивалось горизонтальным лазерным ножом толщиной 0,5 мм. Мощность полупроводникового лазера подбиралась минимальной, чтобы излучение не возмущало левитирующие частицы. Расположение пылевого кластера в ловушке и его вертикальный размер контролировались сбоку визуально. Видеосъемка проводилась сверху сквозь торцевое окно видеокамерой с частотой 30 кадров в секунду. Оптическое увеличение от 50 до 200 крат обеспечивалось длиннофокусным микроскопом. Таким образом, в эксперименте имелась возможность формировать пылевой кластер в страте с заданным количеством частиц, в деталях наблюдать их расположение и перемещение в наложенном магнитном поле.
Измерения проводились в неоне при давлении 0,3 Торр, разрядном токе 1,5 мА в диапазоне магнитного поля 0 – 200 Гс. Для получения более аккуратных данных эксперимент проводился двумя способами. В первом из них сначала создавался кластер с нужным числом частиц в отсутствие магнитного поля, затем магнитное поле плавно увеличивалось, и измерялась зависимость угловой скорости вращения, а так же площади поперечного сечения и расстояния между частицами от величины магнитной индукции. Определялось пороговое значение магнитного поля, при котором пылевой кластер приходит во вращение. Во втором способе выставлялось фиксированное значение магнитного поля, и эти же характеристики измерялись в зависимости от числа добрасываемых частиц. Частицы добавлялись по мере возможности по одной, количество их в горизонтальном сечении варьировалось от 2 до 135 (полное заполнение всех вакансий в сечении). Этот способ позволил более точно учитывать число частиц в ловушке, поскольку при поддерживании постоянным магнитного поля страта оставалась неподвижной, и частицы не высыпались. После каждой серии измерений газ разряда обновлялся с целью избежать эффектов изменения его состава вследствие испарения вещества с поверхности частиц, долго пребывающих под воздействием плазмы.


3 год
1 Интерпретация динамики вращения пылевого кластера в сильном магнитном поле до 20000 Гс.
Была дана качественная интерпретация зависимости угловой скорости вращения пылевого кластера в ловушке в страте в сильном магнитном поле свыше 10000 Гс. Физически механизм явления в указанном диапазоне магнитного поля опубликован в [PSST 2020. 29.085020], ниже перечислим отдельные подзадачи, которые были рассмотрены. Но сначала сформулируем особенности вращения пылевого кластера, которое было измерено ранее (этап проекта 2019-2020 гг. – эксперимент в поле 10000 Гс – 20000 Гс, а также предыдущее исследование в диапазоне поля до 10000 Гс [EPL 2018.123.15001]).
В 2016 г. впервые удалось создать пылевую плазму в условиях тлеющего разряда в сильном магнитном поле свыше 10000 Гс. Сегодня мы имеем несколько экспериментов с сильным магнитным полем, в которых пылевые структуры созданы в диапазоне магнитной индукции до 22000 Гс. Чаще всего в экспериментах возникают неустойчивости в разряде, при которых пылевая плазма оказывается потерянной (либо частично потерянной). Наиболее удачные эксперименты происходят в разрядных трубках меньшего радиуса и рабочем газе неоне. Но наблюдение пылевых частиц в трубках радиусом до 0.75 см не очень информативно. На предыдущем этапе (2019-2020 гг.) была получена информативная зависимость угловой скорости вращения пылевой структуры от магнитной индукции в диапазоне 12 000 Гс – 22 000 Гс (в эксперименте наблюдались две области неустойчивости пылевой ловушки: 2000 Гс – 3000 Гс и 6000 Гс – 11000 Гс). Сопоставляя данные с другими запусками в близких условиях [EPL 2018.123.15001], мы формулируем следующий тренд зависимости. Скорость вращения пылевой структуры, стремительно увеличивающаяся после наступления инверсии вращения в поле 500 Гс – 2000 Гс, в дальнейшем диапазоне до 10000 Гс растет с магнитным полем менее быстро. В обсуждаемом для интерпретации диапазоне (12 000 Гс – 22 000 Гс ) было обнаружено, что ее рост прекратился. Задачей, которая была запланирована, являлось понять физическую причину замедления скорости вращения пылевой структуры в магнитном поле этого диапазона.
Для поиска причины изменения тренда зависимости в магнитном поле свыше 10000 Гс был уточнен рад параметров эксперимента. Некоторые параметры моделировались, а некоторые были измерены в разряде в отсутствие пылевой плазмы. Прежде всего был уточнен размер используемых пылевых частиц (полидисперсных, уловленных в разряде в ловушке). В эксперименте использовались полидисперсные частицы кварца. В близких условиях эксперимента размер и форма полидисперсных частиц в разряде неона исследовался ранее [ЖТФ 2012.Т.82.51]. Согласно данной работе, мы определили, что в условиях нашего эксперимента стоячая страта заполняется частицами, которые можно аппроксимировать сферическим с диаметром 4 мкм.
Далее было оценено падение потенциала в разряде в сильном магнитном поле. На основании эксперимента было определено, что в магнитном поле 2000 Гс и выше падение потенциала на разрядной трубке возрастает. Но при достижении 9000 Гс – 10 000 Гс более не изменяется. На основании литературных данных и аппроксимации мы определили, что падение потенциала в части разряда, находящейся в магнитном поле свыше 2000 Гс, и в части разряда вне поля изменяется по-разному. Было детально промерено спадание продольного магнитного поля с удалением от торца соленоида (в нижней доступной части криостата). На основании данных было уточнено распределение магнитного поля внутри сверхпрводящего соленоида и вне его. Установлено, что повышение падения потенциала оказывается примерно на участке в 40 см разрядной трубки (20 см в соленоиде, и по 10 см вне его в диапазоне магнитного поля свыше 2000 Гс).
Таким образом, были дополнительно получены параметры эксперимента, которые оказались необходимыми для количественных оценок. Разработанная модель опубликована в [PSST 2020. 29.085020], ее краткая физическая интерпретация представлена в разделе «результаты».

2. Зависимость скорости вращения пылевого кластера от числа пылевых частиц.
Прежде чем описать проведенные работы по данной задаче, кратко представим истоки проблемы, а также определим связь исследования с результатом выполнения работ в прошлом году. В первых работах по пылевой плазме в магнитном поле [Sato N.Phys. .Plasm. 2001. V. 8. P. 1786, Cheung F. NewJ.Phys 2003.V.5.P.75] было обнаружено, что вращение пылевых кластеров из малого числа частиц в монослойном кластере в ВЧ разряде возникает при сильно отличающемся значении магнитной индукции при разном числе частиц (2 частицы – 2000 Гс, 3 частицы – 180 Гс). При увеличении числа частиц до 12, пороговое магнитное поле опускалось до 10 Гс, в зависимости от давления газа и вкладываемой мощности. В 2006 г. для объемных пылевых (цепочечных) структур в страте в тлеющем разряде[Карасев В. Опт.и Спектр. 2006. Т.100.С.503] было обнаружено явление генерации/прекращения вращения пылевой структуры при смещении ее из центра пылевой ловушки к стенке трубки, где плотность плазменных частиц наименьшая, хотя радиальное электрическое поле максимально в сечении. Важным обнаруженным экспериментальным фактом было установление локализации места раскручивания структуры, вращение развивается из центра структуры, даже, если пылевая структура смещена с оси разрядной трубки к стенке.
Была рассматрена гипотеза о том, что формирующееся вращение в магнитном поле частично может быть связано с потоком плазменных частиц (ионов), идущих из объема (центра) пылевой структуры. Если обычный амбиполярный поток на стенку трубки мал, то добавочный (возникающий внутри пылевой структуры) обеспечивает вращение. Именно вторая составляющая может быть связана с пороговым эффектом раскручивания. Предположение о дополнительном потоке из структуры вследствие повышения ионизации и электронной температуры, как компенсации увеличения плазменных потерь из-за гибели ионов и электронов на поверхности пылевых частиц, высказано еще в работе [Липаев А.М. ЖЭТФ. 1997. Т.112. С. 2030]. Однако систематических исследований данных процессов до сих пор в литературе не содержится.
Изучаемая проблема дополнительного потока может быть исследована именно при применении магнитного поля, вызывающего вращение из-за силы ионного увлечения и служащего в качестве индикатора. На этапе прошлого года было проведено достаточно обширное исследование эффекта порогового раскручивания в магнитном поле. Получено много данных для сопоставления вращения в «малых» и «больших» структурах. Детально промерены зависимости скорости вращения от магнитной индукции при вариации тока разряда и давления в одном рабочем газе неоне. Важные результаты об особенности порогового вращения опубликованы в [ЖТФ 2020 Т.90 С.202]. Их анализ показывает, что изучение порогового эффекта от числа частиц в кластере/структуре нужно проводить иначе. Нужно получить зависимость скорости вращения от числа частиц, в которой магнитное поле будет служить параметром, поскольку все полученные данные о пороге от числа частиц получены лишь на зависимости от магнитного поля.
Таким образом, на этапе выполнения проекта в этом году было сделано следующее. Проведен подробный анализ работ раннего периода. Проанализированы данные измерения раскручивания структуры в магнитном поле. Следующая из этого постановка задачи и описана выше. Важным отличием в ней мы считаем получение зависимости скорости вращения от числа частиц в уже исследованных условиях (ток, давление, сорт газа, размер пылевых частиц). Это потребовало модернизации экспериментальной части. В используемой ранее разрядной камере были заменены пылевые частицы на монодисперсные 4 мкм. Данный размер приводит к «умеренному» ионному увлечению, которым можно более легко управлять, отыскивая пороговый эффект. Кроме того, в вакуумную установку был добавлен второй рабочий газ аргон для возможности более детально подобрать требуемые тонкие условия, а также сопоставить результаты. Далее был проведен эксперимент по наблюдению особенности вращения различно заполненных пылевых структур цепочечного типа в страте при фиксированном магнитном поле.

3 Исследование корреляция плотности пылинок с величиной и направлением их скорости вращения.
Экспериментальные и теоретические исследования динамики вращательного движения пылевой плазмы в сильном магнитном поле показывают, что переход от доминирования одного механизма вращения к другому, от ионного увлечения к увлечению вращающимся газом из-за вихревого электронного тока в магнитном поле, происходит в умеренных магнитных полях, когда замагничены лишь электроны. А в отличие от пылевой ловушки в страте, в области изменения сечения канала тока в полях до 20000 Гс действует ионное увлечение, механизм вращения один. Таким образом, детально рассмотреть свойства пылевой плазмы при доминировании различных механизмов вращения можно при умеренном (либо малом, в зависимости от условий разряда) значении магнитной индукции. Это позволяет детально наблюдать динамику пылевой структуры (градиент скорости вращения, плотность расположения пылевых частиц), используя стандартные магнитные катушки без использования криомагнита.
Из описанных соображений было решено провести детальные измерения названных параметров, используя относительно щадящие условия – не вызывающие быстрого вращения плазменно-пылевой структуры. Более того, можно подобрать тонкий набор параметров пылевой плазмы (тип газа, давление, ток разряда, магнитная индукция, размер пылевых частиц, объем пылевой структуры в ловушке в страте), при которых различные области пылевой структуры имеют различные направления вращения, аналогично тому, как это было наблюдено в [Опт. и Спектр. 100 (2006) 503], [Phys. Rev. E. 74.(2006) 066403]. Взаимная реакция действия двух разных механизмов вращения на пылевую структуру (центр – периферия, верх – низ структуры), и влияние плотности пылевой компоненты на механизмы могут быть изучены в эксперименте, в котором визуальные наблюдения относительно легко реализуемы. Собственно, в таком виде задача была запланирована.
Прежде всего, были подобраны следующие условия для проведения эксперимента. Разрядная трубка диаметром 2 см, рабочий газ неон при давлении 0,93 Торр, ток разряда 2 мА. Для создания достаточно протяженной пылевой структуры в магнитном поле применены частицы с плотностью 1,5 г/см^3, меламин-формальдегид, калиброванные с диаметром 4,1 +/– 0,1 мкм. При этих условиях конкуренция механизмов вращения происходит в магнитном поле около 100 Гс, так, что верхняя часть пылевой структуры имеет вращение с отрицательной проекцией угловой скорости на вектор магнитной индукции, а нижняя с положительной. В этом эксперименте мы устанавливали параметры, в том числе, значение магнитного поля, и при наблюдении они уже не изменялись. В магнитных катушках, разнесенных на 9 см, можно устанавливать и перемещать лазерную плоскость подсветки в любое горизонтальное сечение структуры. При этом видеозапись осуществлялась сверху через торцевое окно разрядной трубки. Запись производилась с частотой 25 кадров в секунду с разрешением 640*480 пкс с расстояния около 0,5 м. Эксперимент позволил определять позиции пылевых частиц и их изменение в магнитном поле. Вблизи инверсии вращения скорость частиц невелика, порядка 0,1 рад/с. По кадрам пылевых сечений измерялась скорость вращения и плотность пыли в зависимости от радиальной координаты. Были измерены радиальные градиенты плотности и скорости вращения для ряда вертикальных координат и обнаружена корреляция плотности пылинок с величиной и направлением их скорости вращения.

4 Экспериментальное исследование пылевой плазмы в магнитном поле в смесях рабочих газов.
Исследование поведения пылевого кластера от величины магнитного поля при управлении скоростью ионного потока в смесях газов производилось в установках с системой магнитных катушек, позволяющей создавать магнитное поле до 500 Гс и в установке с магнитной катушкой, позволяющей создавать магнитное поле до 3000 Гс.
Разряд в смеси различных газов приводит к значительному изменению характеристик, как электронной, так и ионной компонент плазмы. Поскольку кинетические свойства ионного потока играют важную роль в формировании параметров пылевых образований в плазме газового разряда. Параметры, которые в первую очередь важны при выборе газовой смеси – это потенциал ионизации, атомный вес и поляризуемость атомов. Разрядная трубка, отжигалась большим током порядка 10 мА в основном рабочем газе He. Далее готовилась плазмаформирующая смесь из He и Xe, с содержанием последнего до 5 %. Такая пропорция выбиралась, согласно [С.А. Майоров, Физика Плазмы. 32, 802 (2006), Физика Плазмы. 35, 869 (2009)], в которых приведены таблицы, показывающие, что добавка даже небольшого количества легко ионизуемых атомов другого типа может приводить к сильному изменению ионного состава и скорости дрейфа ионов. Ионы легкоионизируемой компоненты газовой смеси могут приобретать большую направленную скорость из-за уменьшения частоты столкновений с резонансной передачей заряда.
В подготовленной смеси производили исследования поведения пылевых структур, сформированных в стратах разряда из частиц меламин формальдегида 1,31 мкм, в магнитном поле. Наблюдали изменение радиальных и продольных характеристик пылевых образований в зависимости от накладываемого магнитного поля и в зависимости от процентного соотношения газов в смеси, а также определялась угловая скорость вращения пылевых частиц.

5 Регистрация свечения пылевой ловушки стоячей страты при максимальной замагниченности плазмы.
Пылевая ловушка в страте с увеличением магнитного поля изменяет свою геометрическую форму и положение относительно разрядной трубки. Ранее это наблюдалось только по соответствующим изменениям, возникающим в пылевой структуре, или в существенно меньшем диапазоне магнитного поля.
Для наблюдения за поведением разряда в магнитном поле до 20000 Гс в теплое отверстие криомагнита помещалась перископическая система видеонаблюдения, состоящая из камеры, световода и поворотного зеркала. Камера подсоединялась к персональному компьютеру, на экране которого наблюдалось свечение разряда в разрядной трубке в реальном времени. Световод с зеркалом имели возможность перемещаться вдоль разрядной камеры. Снаружи криомагнита имелась шкала, которая позволяла определять, на какой вертикальной координате находилось поворотное зеркало, то есть в какой части разрядной камеры происходит наблюдение и запись видеоинформации.
Зажигался разряд, включалось магнитное поле при выбранном значении, производилась видеозапись свечения разряда, при которой световод перемещался вдоль разрядной трубки с постоянной скоростью.
Далее, полученные видеофайлы обрабатывались следующим образом: из всего видеоряда выбирались несколько кадров, и происходило их сшивание в один с соблюдением вертикальной координаты, на которой были записаны эти кадры. После этого полученная фотография обрабатывалась с помощью программы Gviddion для оценки интенсивности свечения разряда.
Были произведены исследования изменения разряда при разных условиях (давление газа и разрядный ток), происходящие при увеличении магнитного поля до величины 20000 Гс.