Читай!
Явление самоорганизации в ультрахолодной коллоидной плазме при температурах сверхтекучего гелия

Явление самоорганизации в ультрахолодной коллоидной плазме при температурах сверхтекучего гелия

Впервые исследовано поведение частиц в пылевой плазме при температуре ниже 2 К, что соответствует -271 °С. Результаты экспериментов в будущем могут быть использованы для создания новых материалов с заданными и контролируемыми свойствами.

Автор/Авторы:
Болтнев Р.Е., Васильев М.М., Петров О.Ф. (ОИВТ РАН, МФТИ)

Введение

Явления самоорганизации в природе чрезвычайно разнообразны. Их можно встретить в диссипативных системах различной сложности и масштабности: от физических систем, изучаемых в наномире и астрономии, биологических структур, и до социально-экономических процессов имеющих место в социуме. Самоорганизация присуща всем открытым неравновесным системам, состоящим из нелинейно взаимодействующих компонентов.

Коллоидная (пылевая) плазма, образованная микроскопическими заряженными частицами, левитирующими в плазме газового разряда  является примером таких систем. Интенсивное рассеяние света микроскопическими частицами позволяет напрямую наблюдать за движением частиц и определять их координаты и скорости. В том числе поэтому, коллоидная плазма является уникальным объектом для изучения различных явлений самоорганизации. Так, плазменно-пылевые системы позволяют проводить исследования в гораздо более широком диапазоне температур нейтрального газа, по сравнению с альтернативными системами, например, такими как кластеры из капель воды, парящими над горячими поверхностями и многими другими.

Специалисты ОИВТ РАН и МФТИ впервые в мире наблюдали многокомпонентную пылевую плазму в положительном столбе тлеющего разряда при сверхнизких температурах (температурах сверхтекучего гелия). В ходе экспериментов были получены структуры в газовом разряде, охлаждаемом сверхтекучим гелием, при температуре 1.6—2 К. Ранее коллоидная плазма и даже газовые разряды в лабораторных условиях не исследовались при температурах ниже 4.2 К (температура жидкого гелия).

Экспериментальная установка и методика исследований

Установка для исследования криогенной гелиевой плазмы и плазменно-пылевых структур был разработана в ИВТАНе на базе оптического криостата Janis SVT-200. Эксперименты с разрядом постоянного тока проводились в вертикально ориентированной стеклянной трубке, помещенной во внутренний канал криостат. Нижний конец разрядной трубки (вплоть до положения пылевой плазменной структуры) погружался в жидкий гелий при температуре ниже 4.2 К. Температуру жидкого гелия в криостате дополнительно понижали до 1.6 К, посредством откачки паров жидкого гелия.

Ввод пылевых частиц в область разряда осуществлялся инжектором, расположенным в верхней части корпуса разрядной трубки. Инжектор заполнялся полидисперсными частицами оксида церия-CeO2 (размером от 0.1 мкм до 100–200 мкм). Эти инжектированные частицы попадали в положительный столб разряда, где происходила их ионизация и захват в страты. Таким образом формировались плазменно-пылевые структуры, которые наблюдались и изучались на уровне оптических окон, путем введения специального диэлектрического конуса, фокусирующего электронный поток на оси разрядной трубки.

Движение частиц в плазменно-пылевой структуре регистрировалось высокоскоростной видеокамерой со скоростью до 300 кадров/с. Структуры освещались лазерным “ножом” (высотой 8 мм и шириной 0.22 мм), вводимым в криостат через оптическое окно под прямым углом к ​​оси высокоскоростной видеокамеры.

Результаты исследований

Трансформация пылевой плазменной структуры в интервале температур от 1.63 до 2.16 К показана на рис. 1(a, б, в, г).

Явление самоорганизации в ультрахолодной коллоидной плазме при температурах сверхтекучего гелия
Рис. 1(a, б, в, г)

На рис. 1а представлена сфероидальная пылевидная плазменная структура при температуре 1.63 К. Размер структуры от 2 до 5 мм, обычно высота была больше диаметра. Структура состоит из хаотически движущихся быстрых и медленных частиц, скорости которых изменяются более чем на порядок. Некоторые быстрые частицы создавали интенсивные вихревые потоки на боковой поверхности пылевой плазменной структуры. Среднее расстояние между частицами в структуре составляло 120 ± 15 мкм.

Облако наночастиц ( рис. 1б) появилось в поле зрения примерно через 1000 с после зажигания тлеющего разряда. Высота облака была аналогична высоте пылевой структуры из оксида церия, но оно заполняло практически весь диаметр разрядной трубки. Облако распознавалось по рассеянию лазерного света на его модуляции плотности.

Наиболее интенсивные волны плотности, отмеченные на рис. 1б, в красными стрелками, соответствовали коллективному колебательному движению наночастиц. Частота этих колебаний уменьшалась от 48 Гц до 20 Гц при повышении температуры от 1.69 К до 2.0 К при давлении ≈4 Па. В то же время скорость волны уменьшилась с 16.8 до 7.4 мм / с, а длина волны не изменилась и составила 0.37 ± 0.03 мм. В зоне наложения с пылевой структурой из крупных частиц пустот не наблюдалось.

Отдельные твердые нити начинали входить и покидать поле зрения через несколько минут после появления облака наночастиц. Эти нити отмечены зелеными стрелками на рис. 1в, г. Короткие нити длиной ~ 0.1 мм скручены, скорость их вращения превышала 100 об / с.

Вокруг нитей в облаках наночастиц пустот не наблюдалось (рис. 1 в), однако в области контакта с плазменно-пылевой структурой образовывался войд размером 0.3–0.4 мм (см. рис. 1 г).

Нити обычно левитировали на одной высоте относительно центра сфероидальной структуры. Облако наночастиц наблюдалось в интервале температур 1.6–2 К. Филаменты были видны в поле зрения до температуры 4.4 К.

При разрушении плазменно-пылевой структуры из-за выключения тлеющего разряда, частицы электрическим полем “отбрасывались” на стенку газоразрядной трубки. Осевшие на стенке трубки частицы и волокна собирались углеродной лентой и исследовались с помощью сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского энергодисперсионного (EDX) микро.


Продолжение читайте в «Энергия: экономика, техника, экология» 11/2020.