Научная проблема – развитие физики низкотемпературной плазмы для ее приложений: пылевой плазмы, новых методов диагностики.
Значимость – широкие приложения для научных исследований сразу в нескольких областях и инженерных технологических применений: для физики газового разряда; оптимизации работы плазменных устройств (источников света, диагностических приборов); экологии; плазменной технологии обработки поверхностей.
Актуальность – ряд применяемых плазменных технологий требует новых знаний, обеспечивающих их современный уровень: диагностика плазмы, управление плазменными процессами, учет загрязнения и распыления в разрядных камерах, современные требования создания чистых материалов при использовании плазменных технологий.
Конкретная задача (задачи) в рамках проблемы, на решение которой направлен проект, ее масштаб и комплексность:
Управление основными параметрами низкотемпературной плазмы – электронной температурой (средней энергией) и концентрацией (ее распределением в плазменных участках/слоях, стратах).
В условиях низкотемпературной плазмы низкого давления состояние электронов определяется нелокальными условиями, неупругими потерями электронной компоненты, причем области потерь и энерговклада в тлеющем разряде имеют различные зоны и масштабы.
Научиться активно управлять кинетикой электронов – значит разработать технологии управления низкотемпературной плазмой (кинетикой, переносом), а также проверить теоретические представления о формировании потоков плазменных частиц в этом режиме, развиваемые за последние 20 лет.
Научная новизна исследований, обоснование того, что проект направлен на развитие новой для научного коллектива тематики, обоснование достижимости решения поставленной задачи (задач) и возможности получения предполагаемых результатов:
Исследования разряда в смесях газов немногочисленны. Обычно применяются газы, наиболее простые в интерпретации, не требующие применения плазмохимии. Касательно влияния примесей из-за распыляющихся электродов и материала самих электродов, влияние на распределение потенциала обычно оценивается через падения потенциала по таблицам, существующим пол века, имеющим ограниченные параметры измерений. Данное экспериментальное исследование обладает новизной, и для научного коллектива это тоже новая тематика. Поставленные вопросы развития строгой диагностики, спектральные исследования пылевых ловушек – это развитие диагностики пылевой плазмы и исследование разряда в смесях газов.

Современное состояние исследований по данной проблеме, основные направления исследований в мировой науке и научные конкуренты:
Исследованию пылевой плазмы в мире посвящены монографии [Complex and dusty plasmas: from laboratory to space / Fortov V. E., Mofill G. E. NewYork: Taylor & Francis Group, 2010, Tsytovich V. N., Morfill G. E., Vladimirov S. V., Thomas H. M. Elementary Physics of complex plasmas. Springer, 2008 и др.], обсуждать состояние исследований в целом в кратком виде невозможно. Мы выделим три аспекта, наиболее важных для нас при планировании проекта.
4.5.1 Классическая диагностика плазмы.
Классическая диагностика тлеющего разряда производится в эксперименте двумя методиками: зондовыми и спектральными [1-4]. В проекте объектом изучения является стоячая страта. Это сложный объект для измерений любыми методами. Зонды искажают саму страту, а спектральные измерения сложны по двум причинам: неоднородный объект и малый световой поток при применении токов в единицы мА. Страта, как пылевая ловушка, практически исключила использование зондов. Спектральные измерения пылевой плазмы проводятся, но они не системные и очень немногочисленные. В ряде работ зарегистрировано увеличение интенсивности свечения из области пылевой компоненты [4-6]. Однозначной количественной связи ни с электронной температурой, ни с формой линии (уширение, смещение) для данной задачи не существует.
1 Спектроскопия газоразрядной плазмы. Под ред. С.Э. Фриш. Наука. Л. 1970
2 Г. Гримм, Спектроскопия плазмы Атомиздат. 1969
3 В.Н. Очкин. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. Физматлит. 2010.
4 О.С. Ваулина и др., Пылевая плазма, Физматлит. 2009.
5 Материалы лекций школ по физике низкотемпературной плазмы. Под ред. Хахаева А.Д., Петрозаводск, 2001.
6 Луизова, Л.А. Оптические методы диагностики плазмы Петрозаводск. 2003.

4.5.2. Плазма в смесях газов.
Основная физическая идея проекта – варьировать степень примеси легкоионизуемой компоненты для управления электронной температурой – тем самым, управления пылевой ловушкой и свойствами пылевой плазмы. Оценки параметров и разработка экспериментов базируется на серии теоретических работ С.А. Майорова и др. [1,2] и другие, и на проверки динамики пылевой плазмы на основе этих расчетов, выполненной авторами проект период 2014-2015 гг. [3-5].
В данной теоретической модели учитывается изменение частоты столкновений ионов и электронов в зависимости от примеси легкоионизуемого газа, изменение (падение) электронной температуры по мере увеличения легкоионизуемой компоненты, а также изменение скорости ионного потока. Последнее [3] в 2014 году было нами предложено для управления силой ионного увлечения в пылевой плазме в смесях. Мы экспериментально определили скорость потока, измерив угловую скорость вращения пылевой плазмы, в смеси гелия и ксенона. Предложенный метод управления силой ионного увлечения был получен [3,4], скорость вращения возрастала почти двукратно. В литературе также имеются работы [6-7] по смесям гелия с аргоном и криптоном. Но систематического исследования нет. Во всех названных экспериментальных работах даже отсутствует однозначная связь эксперимента с теорией. Например, предсказание размеров пылевых структур или межчастичных расстояний в смесях. Но самое важное – абсолютно отсутствует измерение главного изменяемого параметра в разряде – электронной температуры. Заметим, что также имеется возможность проверять теорию через измерение подвижности ионов, аналогично [8]. Но, вероятно, в неоднородном стратифицированном разряде это проблематично.
1Майоров С.А.,Физика Плазмы. 32, 802 (2006).
2 Майоров С.А., Физика Плазмы. 35, 869 (2009).
3 E.S. Dzlieva, M.A. Ermolenko, V.Yu. Karasev, S.I. Pavlov, L.A. Novikov, and S.A. Maiorov, JETP Letters, 100, 703, (2014).
4 E. S. Dzlieva, V. Yu. Karasev, S. I. Pavlov, M. A. Ermolenko, L. A. Novikov and S. A. Maiorov, Contrib. Plasma Phys., 56 197 (2016)
5 E. S. Dzlieva, V. Yu. Karasev, S. I. Pavlov, M. A. Ermolenko, L. A. Novikov and S. A. Maiorov, Contrib. Plasma Phys., 56 221 (2016)
6 Maiorov S.A., Ramasanov T.S., Dzhumagulova K.N., Phys. Plasm. 15, 093701 (2008).
7 Антипов С.Н.., Васильев М.М., Майоров С.А., Петров О.Ф., Фортов В.Е., ЖЭТФ. 139, 554 (2011).
8 Urquijo J. de, Basurto E., Bekstein A. J. Phys. D: Appl. Phys. 44 (2011) 325202.

4.5.3. Исследование катафореза в нестационарном разряде.
Экспериментальному исследованию разделения смеси газов в разряде посвящены многочисленные работы, выполненные в МГУ [1]. Авторы исследовали пространственное, в том числе в магнитном поле, радиальное и аксиальное разделение атомов разряда, но, в основном, в сильно отличающихся от наших условиях и в нестационарных процессах. Результаты этих исследований напрямую с задачами представленного проекта не сопоставляются.
Вероятно, для поисковой задачи может быть полезно сравнение с многочисленными данными по стратам в неоне при широком диапазоне изменения давления газа [2]. Но расчетов по смесям в отношении электронной температуры в названных исследованиях не содержится.
Литературный анализ показывает, что обсуждаемая задача ранее не решалась. Но ее важность для физики плазмы и связь с пылевой плазмой ощутима. Метод управления электронной температурой через вариацию процентного содержания примеси ранее не предлагался, хотя он логически следует из литературных источников. Поставленная задача опирается как на классические исследования, перечисленные и [3], так и на предыдущие работы коллектива.
1 Шибкова Л.В., Шибков В.М. РАЗРЯД В СМЕСЯХ ИНЕРТНЫХ ГАЗОВ. Москва, 2005.
2 Голубовский Ю.Б. и др. Кинетика электронов в неравновесной газоразрядной плазме СПб. 2004.
3. Бочкова О.П., Шрейдер Е.Я., Спектральный анализ газовых смесей. Физматгиз. 1963.


Конкурентами могут считаться:
1.Майоров С.А., Голятина Р.И. Институт Общей Физики РАН. Москва.
(расчет параметров диффузии в смесях)
2.Шибкова Л.В., В.М. Шибков МГУ. Москва.
(экспериментальные исследования катафореза в смесях газов)
3.Рамазанов Т.С. КазНУ, Казахстан
(Экспериментальные исследования пылевых монослоев в ВЧ разряде в аргоне и гелии)
4.Urquijo J. de, Basurto E., Bekstein A. Национальный университет Мексика
(измерение подвижности ионов ксенона в смесях с неоном и гелием)
5.Пустыльник М. Ю. DLR Institut für Materialphysik im Weltraum
(спектральные измерения параметров пылевой плазмы).
Касательно объекта исследования, надо сказать, что это взаимосвязь пылевой плазмы и пылевой ловушки, в которой она создается. Условия разряда, управляемые примесью, задают параметры пылевой подсистемы. Исследуется взаимная связь: параметры ловушки (средняя энергия электронов и др.) задают параметры отбора пылевых гранул (размер, электроемкость), но и через измеренные размеры и форму частиц посредством оценок, мы получаем сведения о параметрах разряда.
План исследований и содержит обе стороны задачи, включая раздельные методы диагностики разряда и детектирование параметров пылевых частиц, после их извлечения из пылевой ловушки, посредством микроскопии, в том числе электронной.
Обоснование достижимости решения задачи.
Члены научной группы имеют базовую образовательную подготовку именно в области спектроскопии. Это историческая специализация кафедр Оптики и Общей физики 1 на физическом факультете СПбГУ. Например, у руководителя проекта есть статьи в «Оптике и Спектроскопии» по применению интерферометрических и лазерных методов при исследовании магнито-механического эффекта в газовом разряде. Имеется богатый опыт и требуемая квалификация для получения запланированных результатов.
Масштабность – это универсальность применения метода вариации электронной температуры при использовании смесей газов. Примеси (искусственно вводимые в разряд, или появляющиеся при распылении электродов и стенок камер) являются широкой проблемой в различных областях исследования плазмы.
Комплексность решения задачи определяется, на наш взгляд, двумя факторами. Во-первых, в запланированном экспериментальном исследовании будут определены свойства пылевых ловушек по измерению их заполняемости пылевыми частицами, и по отбору частиц по параметрам. С другой стороны, будет использоваться независимая спектральная диагностика страт даже без применения пылевой плазмы. Во-вторых, эксперименты нацелены на проверку имеющихся теорий: исследования свойств газового разряда в близких к предполагаемым условиях в работах Ю.Б. Голубовского, исследование потоков ионов и электронов в смесях газов в цикле работ С.А. Майорова. Пока что названные теории существенно опережают эксперименты.

Предлагаемые методы и подходы, общий план работы на весь срок выполнения проекта и ожидаемые результаты
Подход к исследованию.
Проведение экспериментов, в которых создается стратифицированный тлеющий разряд в смесях газов. Будет браться пара инертных газов – либо гелий и ксенон, либо гелий и криптон – в зависимости от получения устойчивых пылевых структур при различной их пропорции, но давление и ток разряда необходимо иметь одинаковые. Далее при выбранных условиях производятся спектральные измерения. Записывается спектр вблизи выбранных спектральных линий в гелии как основном газе смеси. Методом сравнения интенсивностей определяется электронная температура. В разрядной трубке, предусматривающей улавливание пылевых частиц в страте с последующим извлечением, создаются пылевые структуры, производится фотографирование их горизонтальных сечений. Далее, пылевые частицы улавливаются и извлекаются из разряда. Образцы извлеченных частиц изучаются под микроскопом, возможно использование электронного микроскопа. По обработанным изображениям частиц получаются распределения их размеров и формы, т. о. будут определены масса, размер и электроемкость частиц отобранных разрядом при организации структур в пылевой плазме. Последний этап – это теоретическое сопоставление параметров частиц с измеренной электронной температурой и средним электрическим полем страты (пылевой ловушки), определенным по измеренным ВАХ. Описанная процедура (подход к исследованию) будет производиться несколько раз при различных пропорциях смешиваемых газов.

Используемые методы.
- Для создания устойчивой пылевой ловушки в страте тлеющего разряда используется вертикально ориентированная разрядная трубка с холодными электродами. В ее верхнюю часть помещен контейнер с частицами, в нижней расположена разрядная диафрагма, формирующая систему стоячих страт. Данный метод создания пылевой плазмы используется, начиная с 1997 г. [1].
- Для диагностики электронной температуры будет использован классический метод сравнения двух спектральных линий – измерения относительной интенсивности, суть метода описана в учебниках [2-3]. Измерения будут проведены на линиях гелия как основного газа в смесях.
- Улавливание и извлечение пылевых частиц, непосредственно во время их нахождения в пылевой ловушке – авторский метод коллектива. Метод предложен в [4], запатентован в 2014 году. Метод детально описан в [5], а схематически проиллюстрирован в приложении. Суть его в том, что под страту (пылевую ловушку) с частицами подводится специальное устройство, не перекрывая сечение разряда (и мало его возмущая). Далее на устройство улавливаются частицы (при выключении разряда, либо под действием сил термофореза – принудительном охлаждении без гашения разряда). Устройство с собранными частицами извлекается из разрядной трубки через боковой порт и помещается под микроскоп [6].
- Описанные методы планируется применять повторно несколько раз при различных долях примеси к гелию (тяжелого инертного газа с более низким потенциалом ионизации).
1 Липаев А.М. и др. ЖЭТФ, 1997., Т. 112, С 2030
2Райзер Ю.П. Физика газового разряда 2009
3В.Н. Очкин. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. Физматлит. 2010.
4Karasev V.Yu., Dzlieva E.S., Eikhval’d A.I. et al. // Phys. Rev. E. 2009. Vol. 79. P. 026406.
5Дзлиева Е.С. ЖТФ. 2012. Т. 82. С. 51
6 Дзлиева Е.С и др. Способ разделения полидисперсных частиц в микронном и наноразмерном диапазоне. Патент на изобретение № 2014132470/07 (052269) от 06/08/2014
План работы:
1. Модернизация экспериментальных установок. Обновление (изготовление новых) разрядных трубок. Одна, в которой планируются спектральные измерения, после изготовления длительно тренируется и подключается к вакуумной установке со спектрально чистыми газами. Во вторую будет помещаться контейнер с пылевыми частицами. Она наполняется теми же инертными газами.
2. Подбор давления, тока, геометрии разрядной трубки, позволяющей получить соразмерные по геометрии устойчивые пылевые структуры в смеси при его содержании примеси ориентировочно в 1%, 5%, 15%. Будет браться в качестве примеси Xe, либо в качестве альтернативных газов Kr и Ar. Опытным путем будут выбраны условия, позволяющие создать пылевую плазму при одинаковых давлениях и токах при нескольких пропорциях смешиваемых газов.
3. Получение пылевых структур в выбранных условиях. Фотографирование их горизонтальных сечений. Получение данных о размерах структур.
4. Получение образцов пылевых частиц, извлеченных из разряда при выбранных пропорциях смеси.
5. Наблюдение в микроскопе собранных частиц, фотографирование. Построение распределений по размеру и форме частиц в зависимости от процентного содержания компонент смеси.
6. Планируется участие в следующих мероприятиях:
- Конференция 9th International Conference on the Physics of Dusty Plasmas ICPDP 2022, май Москва.
- Координационная сессия РАН по физике плазмы, декабрь 2022
Авторы предлагаемого проекта в течение ряда лет занимаются изучением свойств пылевой плазмы. За это время накоплен значительный опыт, выполнены исследования динамики пылевых образований в магнитном поле, внутренней структуры объемных образований в тлеющем разряде, предложены оригинальные диагностические методики, оформлены патенты на оригинальные методики. Наиболее значительные полученные результаты группы это обнаружение вращательного движения пылевой структуры в стратах и изменение степени ее упорядоченности; фазовый переход типа плавления, под действием магнитного поля; наблюдение поликристаллической структуры протяженных пылевых образований в стратах; регистрация собственного вращательного движения уединенных пылевых гранул (магнитного момента); экспериментальное обнаружение кинетического эффекта – вихревого электронного тока; эффект сепарации порошков плазмой по форме частиц, обнаружение и количественное исследование модификации пылевых частиц в плазме и создание комплексной плазмы в условиях тлеющего разряда в магнитном поле 2 Тл. Основные полученные результаты следующие, они проиллюстрированы в Приложении к проекту:1. Интерпретация зависимости угловой скорости вращения пылевой структуры в страте в магнитном поле до 1 Тл. Для созданной впервые объемной пылевой структуры проведена интерпретация скорости вращения в сильном магнитном поле. Установлены области нарушения стабильности, связанные с токово-конвективной неустойчивостью. Показано, что доминирующей причиной вращения является действие вихревых электронных токов в страте в магнитном поле. [Dzlieva E.S. EPL, 123(2018) 15001.].2. Создание пылевой плазмы в эксперименте в пылевой ловушке в стратах в тлеющем разряде в сильном магнитном поле с индукцией до 2 Тл. На основании предыдущего результаты, были выбраны условия, позволившие впервые получить объемные стабильные - устойчивые при вращательном движении в магнитном поле - пылевые структуры в тлеющем разряде в стратах в магнитном поле до 2 Тл. Показано, что после области действия токово-конвективной неустойчивости (до 1 Тл), далее разряд и пылевые ловушки в магнитном поле до 2 Тл существуют стабильно [PSST 2020. 29.085020]. Рис. 21.3. Теоретическая модель вращения пылевой плазмы в стратах в магнитном поле до 20000 ГсРазработана модель вращения пылевой плазмы в стратифицированном тлеющем разряде в сильном магнитном поле. Модель опубликована в [PSST 2020. 29.085020]. Основным действующим механизмом является увлечение вращающимся газом из-за вихревого электронного тока в стратах, но (в отличие от диапазона поля 1 Тл) с учетом действия магнитного поля на параметры разряда. Рис. 21.4. Построена модель механизма быстрого вращения пылевой плазмы в ловушке в тлеющем разряде в области сужения канала тока. Детальная модель опубликована в [E.S. Dzlieva et al. Plasma Sources Science and Technology, 2019, 28, 085020]. Вращение вызвано силой ионного увлечения в магнитном поле, при этом сила Эпштейна является стабилизирующим фактором. Внутри «вытянутого горлышка» вставки с параллельными стенками нет силы Ампера, а также нет характерного для страт вихревого электронного тока. Для ионов в магнитном поле азимутальная скорость определяется дрейфами в скрещенных электрическом и магнитном полях и диамагнитным дрейфом. Если бы магнитное поле не было настолько сильным (в обсуждаемой задаче оно дает замагниченность ионов до значения, равного единице), можно было бы получить линейный рост угловой скорости вращения от магнитного поля до значения 100 рад/c. Однако, необходимо учитывать влияние замагниченности ионов и электронов на коэффициенты диффузии и подвижности. 5. Пороговый эффект вращения объемного пылевого кластера в слабом магнитном поле. Был обнаружен пороговый эффект возникновения вращения пылевого кластера (малой структуры) в слабом продольном магнитном поле. Обнаружены следующие тенденции: при увеличении числа частиц в кластере магнитное поле раскручивания кластера меньше (Рис.22 приложения), при больших размерах частиц и при большем токе и давлении величина магнитного поля порога снижается. Над порогом скорость вращения зависит от числа частиц в кластере. Для размера до двух оболочек в кластере установлена линейная зависимость скорости от числа частиц. Далее скорость вращения выходит на насыщение. Результаты частично опубликованы в [ЖТФ Т.90 (2020) 202]. Рис. 23 приложения.6. Модель возникновения вращения пылевых кластеров. Сформулирована гипотеза, объясняющая физический механизм возникновения вращения пылевых кластеров в магнитном поле. Эффект обеспечивает действие силы ионного увлечения в магнитном поле, связанной с потоком ионов радиально из пылевого образования к стенке разрядной трубки. Пылевое образование влияет на этот поток из-за повышенной/дополнительной ионизация плазмы внутри объема пылевой структуры. Физическая идея механизма опубликована в [ЖТФ Т.90 (2020) 202]. 7. Пылевая структура в области резко неоднородного сильного магнитного поляПри сканировании пылевой структуры вдоль оси разрядной трубки обнаружено, что вне соленоида вблизи его торца с анодной части в сильном магнитном поле образуется искаженная стоячая страта. В ней формируется объемная пылевая структура, приходящая в достаточно быстрое вращение порядка 10 рад/с в зависимости от условий. Угловая скорость направлена противоположно вектору магнитной индукции. Обнаруженная пылевая ловушка находится в области сильно спадающего магнитного поля. Угловая скорость вращения в зависимости от вертикальной координаты показана на Рис. 24. Изменение диаметра пылевой структуры от вертикальной координаты показано на Рис. 25. Обнаруженная пылевая ловушка оказалась устойчивой при изменении магнитного поля. Она не существует в его отсутствие. Данная находка является сегодня единственной возможностью создать пылевую плазму в сильном, но сильно неоднородном магнитном поле. Мы заключили, что наблюдаемое вращение пылевой плазмы вызвано силой Ампера при действии продольной составляющей магнитного поля на появившуюся радиальную компоненту тока вблизи торца соленоида. Более детальное описание содержится в [Письма в ЖТФ, 2020, Т. 46, В. 8. С.18].