CC BY
23
Сер. 4. 2008. Вып. 4
ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 537.525.1
В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, М. С. Голубев, М. А. Ермоленко, А. И. Эйхвальд
ДЕТЕКТИРОВАНИЕ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ ПОЛЫХ ПРОЗРАЧНЫХ МИКРОСФЕР,
ПОМЕЩЕННЫХ В НИЗКОТЕМПЕРАТУРНУЮ ПЛАЗМУ*)
Введение. В неравновесных системах распределение энергии по степеням свободы в общем случае не одинаково. Его измерение может быть использовано, в первую очередь, для целей диагностики, изучения процессов энерговклада и переноса энергии и импульса в системе. В разное время, начиная с работ Ленгмюра и Иоффе, внесение частиц микронного размера в низкотемпературную газоразрядную плазму использовалось для ее диагностики. Например, в [1] для измерения конвективных и тепловых потоков использовалось зондирование разряда пробными сферическими частицами. Однако измерение вращательного движения зондирующих частиц ранее не проводилось.
Задача изучения вращения пылевых гранул впервые была поставлена в работе [2] в связи с изучением пылевой плазмы. Было обнаружено, что сферические пылинки размером 10-30 мкм, удерживаемые в электростатической ловушке в плазме в поле силы тяжести, имеют вращательное движение с частотой десятки и сотни герц.
Постановка подобных экспериментов весьма специфична и на сегодняшний день существует лишь одно информативное исследование [2]. Хотя доля предлагаемых теоретических моделей механизма вращения отдельных частиц весьма велика. В настоящей работе описано детектирование вращательного движения вокруг центра масс у пылевых частиц в стратах тлеющего разряда. Представлен метод пространственной развертки и получены результаты, позволяющие выбрать адекватную гипотезу механизма вращения отдельной гранулы.
Метод наблюдения. Сферическая прозрачная полая частица отражает в заданном направлении падающий на нее параллельный пучок света двумя поверхностями. Рассеяние от передней (выпуклой) поверхности менее интенсивное, чем от задней (вогнутой). На всех применяемых частицах существуют дефекты поверхности. Если дефекты попадают в области поверхности, на которых отражается свет, то интенсивность наблюдаемого сигнала возрастает. При вращении частиц поверхностные дефекты будут периодически попадать в отражающие области и менять интенсивность рассеянного света с частотой вращения частицы. Таким образом, дефекты поверхности сферической частицы представляют собой естественные метки, по которым можно наблюдать вращательное движение частиц. Для детектирования вращения, во-первых, необходимо произвести развертку сигнала, а также обеспечить достаточное оптическое разрешение. Развертка может быть осуществлена при относительном движении рассеивающей частицы и записывающей сигнал ПЗС-матрицы. Для оптического увеличения (порядка 50) в эксперименте использовалась
*) Работа поддержана РФФИ, грант 07-02-00264 и 08-08-00628, а также грантом Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых МК-3462.2008.2.
© В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, М. С. Голубев, М. А. Ермоленко, А. И. Эйхвальд, 2008
система, построенная по принципу микроскопа, позволяющая наблюдать частицы непосредственно во время их нахождения в разряде через оптическое окно в трубке.
На рис. 1 показан трек частицы, движущейся в разряде по круговой ор-
бите со скоростью 8 мм/с, на котором отчетливо видно периодическое изменение интенсивности света. Для частиц, не имеющих линейной скорости, осуществлялась развертка с помощью смещения оптической системы (жестко связанной с видеокамерой) относительно разрядной трубки. Использовалось периодическое движение системы с характерной скоростью 5-10 мм/с, подбираемой
для каждой частицы так, чтобы на ее треке отдельные яркие пятна разрешались. Кроме того, были поставлены отдельные опыты, четко показывающие, что
наблюдаемый сигнал на развертке связан именно с характеристиками частиц, а не с аппаратными эффектами, например, пульсацией подсветки или дискретностью матрицы.
Технически эксперимент выполнялся следующим образом (подробнее [3, 4]). При выбранных разрядных условиях в страту сверху вбрасывались отдельные частицы. Далее производилась боковая подсветка, перпендикулярная как направлению наблюдения, так и направлению развертки, и осуществлялась развертка с видеосъемкой в 30 или 60 кадров в секунду. Как правило, в разряд вводилась лишь одна пылевая частица.
Результаты и их обсуждение. В выбранных разрядных условиях: ток 1-4 мА, давление 0,3-0,7 Торр, газ неон (и смеси неона с малыми добавками водорода) удавалось подвешивать в разряде одиночные частицы диаметром от 10 до 60 мкм (их материал - стекло с заявленной плотностью 0,1-0,4 г/см3). Было обнаружено, что частицы имеют вращательное движение, угловая скорость которого зависит от конкретной частицы и составляет несколько сотен Гц. Среди частиц обнаруживались и осколки микросфер. Их частота вращения существенно выше - до 2 кГц. Для самых медленных частиц, имеющих скорость вращения до 20 Гц, вращение регистрировалось непосредственной съемкой на видеокамеру без произведения развертки.
Было установлено, что частота вращения возрастает с увеличением разрядного тока. Она практически (в пределах погрешности) не изменяется при изменении положения частицы в горизонтальном сечении. В этом случае, посредством тепловых манипуляций, пылинка смещалась с оси разряда, и могла быть сдвинута на расстояние одной трети радиуса трубки.
Проведенные наблюдения не позволили обнаружить определенного выделенного направления вращения частиц. В то же время было обнаружено, что направление вращения может изменяться, но со скоростью, существенно меньшей - порядка 1 Гц.
Рис. 1. Трек частицы, движущейся в разряде по круговой траектории:
изображение получено наложением 7 последовательных кадров; горизонтальный размер изображения 0,6 мм; средняя линейная скорость частицы 8 мм/с; на треке видны отдельные пятна, отражающие собственное вращательное движение частицы
а)
б)
Рис. 2. Треки одной частицы, имеющей форму эллипсоида вращения с характерными размерами 40 и 20 мкм:
треки получены с помощью смещения регистрирующей системы во всех трех случаях влево; длительность кадра 0,033 с; интервалы между кадрами (а), (б) и (в) 0,57 с; угловая скорость частицы сох направлена вдоль оси фигуры и имеет величину 3800 рад/с; в (а), (в) она направлена вниз, в (б) - вверх; ось фигуры поворачивается по часовой стрелке с угловой скоростью = 5, 6 рад/с; горизонтальный размер изображения 1,1 мм; разная длина треков связана с разной скоростью развертки
Очень удобными в этом плане оказались наблюдения за частицами, форма которых отклонялась от сферической. Во-первых, было установлено, что такие частицы левитируют таким образом, что ось их фигуры ориентирована в горизонтальной плоскости. При этом ось фигуры медленно поворачивается, причем вокруг вертикальной оси, со-направленной с осью разряда. Для таких частиц быстрое вращение происходит вокруг их оси фигуры. Медленное вращение (с частотой со2) может быть определено видеосъемкой без развертки, в то время как быстрое (с частотой со 1) - с помощью развертки.
При неизменном положении оси вращения (со2 = 0) развертка траектории частицы прописывает трек, образованный суперпозицией поступательного и вращательного движения, что в общем случае представляет собой циклоиду. Причем, картина должна зависеть от направления поступательного движения при неизменном направлении вращения. На рис. 2. показано несколько треков частицы, форма которой близка к эллипсоиду вращения с характерными размерами 40 и 20 мкм.
Таким образом, используя предложенную методику, можно определить вращательное движение индивидуальных пылевых частиц. Проведенные наблюдения позволяют сделать определенное заключение о причинах и механизме вращательного движения.
Во-первых, появление вращения не связано с анизотропией, вызываемой искажением плазменного потока присутствием соседних частиц. В наших экспериментах в разряде находилась лишь одна частица. Во-вторых, вращение не связано с асимметрией самого разряда. Это демонстрирует неизменность частоты при смещении частицы из центра разряда. В-третьих, вращение не связано с особенностями отражения плазмы поверхностью, так как частица может изменять ориентацию, находясь в плазменном потоке. Поскольку вращение существует в отсутствии магнитного поля, то механизмы, связанные с ним, в условиях экспериментов также не реализуются.
С другой стороны, зависимость частоты вращения от индивидуальных особенностей частицы говорит о роли взаимодействия плазменного потока с ее поверхностью. Вероятно, касательная составляющая импульса, появляющаяся в плазменном потоке, идущем на асимметричную частицу, ее раскручивает. Момент силы трения о нейтральный газ стабилизирует вращение, что приводит к стационарной частоте вращения. Считая, что
импульс, передаваемый ионами, существенно больше электронного, для частоты вращения можно получить следующее выражение для частицы, имеющей форму, близкую к сферической:
V = --------------
4n2£op„VTn a2
где щ - концентрация ионов, qd - заряд пылевой частицы, pn - плотность газа, Vt - тепловая скорость газа, a - радиус частицы, п - коэффициент, характеризующий асимметрию потока (долю касательной составляющей ионного потока), £о - диэлектрическая постоянная. Проведенная по данной формуле численная оценка частоты согласуется с экспериментально наблюдаемой.
Известно, что вращающаяся частица с зарядом, распределенным по поверхности, обладает магнитным моментом ц. Для частиц используемого размера при наблюдаемых частотах вращения и равномерном распределении заряда по поверхности оценка момента дает порядок ц = 10~18 А-м2. Это достаточно малая величина, превышающая магнетон Бора на 5 порядков. Обнаруженные магнитные свойства пылевой плазмы, вероятно, могут быть использованы в целях диагностики, в частности, во внешнем магнитном поле.
Заключение. В работе описан метод детектирования вращательного движения пылевых частиц, находящихся в плазме. Зарегистрированы скорости вращения частиц на порядок большие, чем обнаруженные ранее. Проведенные качественные наблюдения позволили выявить механизм вращения частиц.
Summary
Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Golubev M .S., Ermolenko M. A., Eikhvald A. I. Detection of spin motion of hole transparent microspheres placed in low-temperature plasma.
The detection of rotation around the center of inertia of single dust particles levitated in stratified glow discharge is implemented. The method of spatial unfold with the use of standard means of visualization is presented and the results allowing to choose adequate hypothesis of single granule rotation mechanism are received. The registered angular frequencies of single particles are one-two order of magnitude larger than those observed earlier. New results may be used to develop dusty plasma diagnostic techniques.
Key words: complex plasmas, dusty granule, manipulation with dust particle, ion drag force, method of visualization.
Литература
1. Ротер В. Свойства низкотемпературной плазмы и методы ее диагностики / Под ред. М. Ф. Жукова. Новосибирск, 1977. С. 257-267.
2. Fukagawa K., Uchida G., Iizuka S., Sato N. Spin motion of single fine particle in a magnetic field // Proc. International Conference on Phenomenon in ionized Gases XXV. Nagoya, 2001. Vol. 3. Р. 37-38.
3. Карасёв В. Ю., Иванов А. Ю., Дзлиева Е. С., Эйхвальд А. И. Об упорядоченных пылевых структурах, формируемых в тлеющем разряде // Журн. экспер. теор. физики. 2008. Т. 133. № 2. С. 460-465.
4. Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Упорядоченные плазменно-пылевые структуры в стратах тлеющего разряда // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2008. Вып. 1. С. 36-41.
Принято к публикации 10 июня 2008 г.
