CC BY
75
УДК 533.9
О формировании структурных состояний в пылевой плазме
С.Г. Псахье, К.П. Зольников, А.В. Абдрашитов
Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634021, Россия
Изложены основы подхода к изучению отклика структуры плазменно-пылевых кластеров различного состава, находящихся в удерживающих полях различной конфигурации. Постановка задач и анализ результатов проводились на основе позиций физической мезомеханики. В качестве внешнего удерживающего поля использовалась комбинация электрического поля и силы тяжести. Расчеты производились в рамках метода молекулярной динамики. Межчастичное взаимодействие описывалось парным изотропным потенциалом Дебая-Хюккеля. Заряд пылевых частиц рассчитывался в рамках теории приближения ограниченных орбит. При определении параметров конфигурации поля использовались экспериментальные данные. Получено хорошее количественное согласие с имеющимися экспериментальными данными как по структуре формируемого плазменно-пылевого кластера, так и по характерным расстояниям между пылевыми частицами. Особое внимание уделено зависимости структуры и формы плазменнопылевых кластеров от числа пылевых частиц в удерживающих полях с различной степенью анизотропии. Показано, что в изотропном внешнем поле пылевые частицы формируют кулоновский шар с оболочечной структурой в кристаллическом состоянии. Отмечается, что в зависимости от внешних условий плазменно-пылевой кластер может существовать как в объемном, так и в плоском состоянии. Как плоские, так и объемные плазменно-пылевые кластеры в кристаллическом состоянии имеют оболочечную структуру, однако в анизотропном случае их структура усложняется, становясь расщепленной.
Ключевые слова: пылевая плазма, плазменно-пылевой кластер, анизотропия, кристаллизация пылевых кластеров, молекулярная динамика, структура плазменно-пылевых кластеров
On the formation of structural states in dusty plasma
S.G. Psakhie, K.P. Zolnikov and A.V. Abdrashitov
Institute of Strength Physics and Materials Science SB RA S, Tomsk, 634021, Russia
The paper considers the basis of the approach used to study the response of dusty plasma clusters of various compositions in confining fields of various configurations. The problem statement and analysis is based on the concepts of physical mesomechanics. For an external confining field an electric field and gravity force combination is used. Calculations were performed in the framework of molecular dynamics. The interparticle interaction is described by the Debye-Huckel pair isotropic potential. The charge of dust particles is calculated using the orbital motion limited theory. The parameters of the field configuration are determined with the use of experimental data. Calculations of both the structure of a formed dusty plasma cluster and the characteristic spacings of dust particles agree well with available experimental data. The emphasis in the paper is on the dependence of the structure and shape of dusty plasma clusters on the number of dust particles in confining fields of varying anisotropy. It is shown that dust particles form a Coulomb ball with a shell structure in the crystalline state in an isotropic external field. It is pointed out that dusty plasma clusters can transform from the bulk to plane state. In the crystalline state both plane and bulk dusty plasma clusters have a shell structure; however, in the anisotropic case their structure becomes complicated and split.
Keywords: dusty plasma, dusty plasma cluster, anisotropy, crystallization of dusty plasma clusters, molecular dynamics, structure of dusty plasma clusters
1. Введение
Введение понятия структурных уровней деформации в физической мезомеханике дало возможность с новых позиций подойти к анализу деформационных процессов различного масштаба в твердом теле в условиях механического нагружения [1-4]. Универсаль-
ность физической мезомеханики позволила использовать ее методологию для различных объектов (от наносистем до геологических сред) [5-9]. Отклик систем различной природы на внешние воздействия путем формирования структур, по-видимому, является проявлением общей связи структура- состав- свойства [10, 11].
© Псахье С.Г., Зольников К.П., Абдрашитов А.В., 2010
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий частицы твердого вещества (пылинки). Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах. В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил И. Ленгмюр [12]. Однако активно изучать ее начали лишь в последние десятилетия.
По мнению академика В.Е. Фортова, одного из ведущих в мире специалистов в области пылевой плазмы, изучение фундаментальных свойств пылевой плазмы представляет значительный интерес не только с точки зрения физики низкотемпературной плазмы, но и для многих других областей науки. Прежде всего, исследования в данной области предоставляют уникальную возможность детально изучать фазовые переходы, критические явления и процессы самоорганизации. Это обусловлено тем, что относительная простота в визуализации динамики дефектной структуры в плазменных кристаллах (дислокаций, точечных дефектов и их комплексов) позволяет получить важную информацию, которая представляет значительный интерес для изучения термодинамики и кинетики дефектов структуры в физике твердого тела [13].
В работе [13] отмечается, что среди современных направлений в области пылевой плазмы можно выделить основные: формирование упорядоченных структур, кристаллизация и фазовые переходы в системе пылевых частиц в различных типах плазмы; элементарные процессы в пылевой плазме, определяющие взаимодействие между частицами; влияние внешних сил, действующих на пылевые частицы; линейные и нелинейные волны в пылевой плазме (солитоны, ударные волны, конусы Маха), их динамика, затухание и неустойчивости.
Некоторым аспектам перечисленных проблем, связанным с формированием структур, посвящена настоящая работа. В ней изучалось влияние степени анизотропии внешнего (удерживающего) поля на структуру и формообразование одно- и двухкомпонентных плазменно-пылевых кластеров. Фактически подход мезомехани-ки, а именно: формирование структурных состояний как отклик на изменения внутренних параметров и внешние воздействия, применяется к новому классу физических объектов.
Решение поставленной задачи проводилось в рамках метода молекулярной динамики применительно к пылевым частицам сферической формы, обладающим плотностью меламин-формальдегида. При моделировании двухкомпонентного плазменно-пылевого кластера полагалось, что частицы отличаются размером и поверхностным зарядом.
Следует отметить, что цикл работ, посвященных этой тематике, был инициирован академиком В.Е. Паниным.
2. Формализм расчетов
Как отмечалось выше, при изучении пылевой плазмы особый интерес вызывают состояния, в которых пылевые частицы взаимодействуют особенно сильно, придавая пылевой подсистеме свойства жидкости или твердого тела.
В большинстве экспериментальных работ в качестве пылевых частиц используются монодисперсные шарики меламин-формальдегида. Это позволяет добиться однородного распределения заряда по поверхности частиц, варьировать размеры частиц и получать их высокую степень однородности. Под воздействием стохастического взаимодействия с электронами и ионами плазмы пылевые частицы получают электрический заряд и становятся дополнительным заряженным компонентом плазмы. Вследствие большого заряда пылевых частиц потенциальная энергия их электростатического взаимодействия велика.
Определяющее значение для внутренней структуры пылевого компонента играют как состояние плазмы, так и конфигурация полей, удерживающих структуру от разлета. В настоящее время экспериментально получен широкий спектр полей различной конфигурации и симметрии. Однако, несмотря на то что впервые упорядоченные квазиструктуры были получены в 1959 г., экспериментальную установку, обеспечивающую конфигурацию полей близкую к сферической симметрии, удалось создать только в относительно недавних экспериментах [14]. Плазменно-пылевые системы, получаемые в сферически симметричных полях, принято называть кулоновскими шарами. Для кулоновских шаров наблюдаются как «жидкое», так и «кристаллическое» состояния. Во втором случае кулоновские шары обладают оболочечной структурой — функция радиального распределения частиц имеет четко выраженные пики.
Основные силы, действующие на пылевую частицу в плазме, делятся на силы, не связанные с электрическим зарядом (гравитационная сила, сила торможения нейтралами, термофоретическая сила), и на силы, связанные с наличием у частицы электрического заряда (электростатическая сила и сила увлечения ионами). При моделировании поведения системы внутри высокочастотной газоразрядной установки наиболее важным является учет вклада электростатической силы и силы гравитации. Однако получение сферически симметричного поля в реальном эксперименте связано с рядом трудностей, которые были недавно преодолены [14, 15]. Схема действия внешних сил на пылевые частицы показана на рис. 1. В горизонтальном направлении действует электростатическая сила _РЕ, в вертикальном — сила тяжести Г , электростатическая сила _РЕ, термофоре-
тическая и сила ионного увлечения Р1оп. Их супер-
позиция приводит к образованию ловушки, потенциал которой приближается к изотропному в области плазменно-пылевого кластера.
Электростатическая сила и сила ионного увлечения, действующие на пылевые частицы в экспериментальной установке, были оценены на основе модельного подхода. Оказалось, что во внутренней области стеклянной колбы, где левитировали пылевые частицы, сила ионного увлечения пренебрежимо мала. Электростатическую силу, действующую в вертикальном направлении, можно считать однородной в рамках протяженности плазменно-пылевого кластера. Она компенсирует силу тяжести, действуя вместе с термофоретической силой. Ловушка в вертикальном направлении существует благодаря интенсивному падению с высотой, что обусловлено падением градиента температуры вследствие удаления от нагреваемого электрода. Таким образом, удержание пылевой частицы в вертикальном направлении осуществляется тремя силами разной природы: электростатической, гравитационной и термофоретической, в то время как в горизонтальном — только электростатической. Это не столь заметно для систем монодисперсных частиц, однако должно проявиться при достаточном различии их размеров.
От заряда пылевой частицы зависит действие внешних и внутренних электростатических сил. Это важнейшая характеристика пылинки в плазме. В рамках приближения ограниченных орбит [16] так называемый безразмерный заряд z можно получить решением трансцендентного уравнения
ехр(-z ) = —
пе
где параметры
Qe
z = ^—, т = аТе
V12
Vх;
(1 + 2%Х
Те Т '
Ш:
выражаются через радиус пылевой частицы а, температуру Те({), массу ше({) и концентрацию пеф электронов и ионов. Заряд пылевой частицы Q вычисляется по найденному безразмерному заряду z.
3. Структура двухкомпонентного плазменнопылевого кластера в изотропном удерживающем поле (лабораторные условия)
В случае изотропного удерживающего потенциала чисто электростатической природы различие между пылевыми частицами сводится к различию их электрического заряда. При моделировании двухкомпонентной системы пылевых частиц полагалось, что частицы одного сорта имеют одинаковую массу и заряд и вся система способна достигать состояния близкого к термодинамическому равновесию. Число пылевых частиц в системе составляло 190. Концентрация частиц второго сорта менялась от 0 до 100 % с шагом в 10 %. Расчеты проводились для случая, когда частицы второго сорта характеризовались в 1.5 и 3 раза меньшим зарядом. Типичная структура распределения частиц по оболочкам для моделируемой системы представлена на рис. 2. На этом рисунке частицы первого сорта имели радиус R = = 1.70 мкм, заряд Q = 4 700 е, а частицы второго сорта — R = 0.57 мкм, Q = 1576 е.
Из рис. 2 видно, что двухкомпонентная смесь сферических заряженных пылевых частиц в основном (кристаллическом) состоянии образует кулоновский шар, имеющий оболочечную структуру. При этом основная доля пылевых частиц с меньшим зарядом формирует
Подогреваемый электрод Рис. 1. Схема внешних сил, действующих на пылевые частицы
Рис. 2. Радиальное распределение пылевых частиц в проекции на плоскость р -г цилиндрических координат для кулоновского шара, в котором 40 % составляют пылевые частицы второго сорта (серый цвет)
внешнюю оболочку, вытесняясь частицами большего заряда из внутренней области кулоновского шара. Оставшиеся во внутренней области пылевые частицы меньшего заряда также формируют собственные оболочки (это хорошо видно при концентрациях частиц меньшего заряда более 40 %), радиус которых несколько больше радиуса соответствующих оболочек для частиц большего заряда. Отметим, что размеры кулоновских шаров при увеличении заряда пылевых частиц увеличиваются. Специально проведенное изучение взаимодействия пары пылевых частиц в удерживающем поле показало, что такое поведение размера кулоновского шара, по-видимому, носит общий характер. Оно обусловлено преобладанием роста силы экранированного кулоновс-кого взаимодействия над усилением удержания при увеличении заряда для любой длины экранирования. Поэтому увеличение доли частиц с меньшим зарядом приводит к уменьшению размера кулоновского шара и, в частности, к уменьшению радиусов внешних оболочек обоих сортов частиц (рис. 3). Эта зависимость носит линейный характер.
Моделирование поведения системы пылевых частиц в условиях существования кулоновского шара в реальном эксперименте [14, 15] проводилось также для системы из 190 сфер двух размеров. По сравнению со случаем изотропного удерживающего поля такая задача осложнена действием в вертикальном направлении сил разной природы: электростатической, термофоретичес-кой и гравитационной. Результаты расчетов показали, что распределение частиц вдоль направления действия силы притяжения во многом будет определяться величи-
Рис. 3. Зависимость радиуса внешних оболочек от концентрации пылевых частиц с меньшим зарядом: 1576 е (1), 4700 е (2)
ной результирующей силы, действующей на пылевые частицы разного размера (заряда) в данном направлении. Если размеры пылевых частиц отличаются достаточно сильно, то результирующая сила приведет к тому, что на разных высотах образуются два слабо взаимодействующих между собой кулоновских шара. По мере уменьшения разницы в размерах частиц происходит сближение кулоновских шаров, они начинают сильнее взаимодействовать, затем деформировать свои оболочки (рис. 4, а). При значительном перекрытии кулоновских шаров их оболочки взаимно подстраиваются, и в пределе происходит образование единого кулоновского шара (рис. 4, б).
Чтобы исключить возможность расслоения частиц по высоте, связанную в основном с воздействием гравитационной силы, плотность вещества частиц второго
р, мм
р, мм
р, мм
Рис. 4. Радиальное распределение пылевых частиц разного размера в проекции на плоскость р-г цилиндрических координат: сильное взаимодействие кулоновских шаров, сопровождающееся существенной деформацией оболочек с радиусами Я1 = 2.400 мкм, Я2 = 2.450 мкм (а); образование кулоновского шара с общими оболочками с радиусами Я1 = 2.400 мкм, Я2 = 2.402 мкм (б); кулоновский шар для пылевых частиц двух сортов, отличающихся зарядом (01 = 2013 е, Q2 = 1 834 е), плотностью (р1 = 1 514, р2 = 1 819) и радиусами (Я1 = 2.4 мкм, Я2 = 2.1 мкм) (в). Пылевые частицы первого сорта — черный цвет, второго — серый
р, мм р, мм р, мм
Рис. 5. Радиальное распределение пылевых частиц в проекции на плоскость р-г цилиндрических координат для двухкомпонентного плазменнопылевого кластера из 190 частиц двух сортов для различных значений Г: 10 (а), 430 (б), 15000 (в). Частицы первого сорта имели радиус 2.4 мкм, заряд 2013 е (отмечены черным), частицы второго имели радиус 2.41 мкм, заряд 2019 е (отмечены серым)
сорта выбирали таким образом, чтобы результирующая сила, действующая на частицы обоих сортов, поднимала их на одинаковую высоту. Частицы первого сорта имели радиус 2.4 мкм и заряд 2 013 е, тогда как частицы второго сорта характеризовались радиусом 2.1 мкм, зарядом 1 834 е и большей плотностью гипотетического вещества, благодаря чему равнодействующая для обоих сортов частиц обращалась в ноль на одной и той же высоте. Результаты расчетов показывают, что для такой смеси частиц в центральном слое кулоновского шара, перпендикулярном высоте, расположатся частицы, для которых возвращающая результирующая сила в вертикальном направлении будет большей (рис. 4, в). В выполненных расчетах таковыми являются частицы первого сорта.
Следует отметить, что фазовый переход из жидкого в кристаллическое состояние является одним из наиболее важных свойств плазменно-пылевых кластеров и комплексной плазмы в целом. Структурно-фазовые переходы в конденсированных средах и в пылевой плазме во многом аналогичны. При этом в случае пылевой плазмы роль температуры играет параметр неидеаль-ности Г, который определяется как отношение потенциальной энергии взаимодействия пылевых частиц к их кинетической энергии. Структурно-фазовый переход из жидкого в кристаллическое состояние в системе пылевых частиц происходит при увеличении параметра Г и достижении им некоторого порогового значения. Структура плазменно-пылевого двухкомпонентного кластера при охлаждении для различных значений безразмерного параметра Г представлена на рис. 5. Аналогично упорядоченным сплавам металлов пылевая плазма, состоящая из различных сортов пылевых частиц, также может формировать плазменный бикристалл [17, 18].
4. Структура и форма плазменно-пылевого кластера в кристаллическом состоянии в удерживающем анизотропном поле
В лабораторных экспериментах по изучению комплексной плазмы удерживающее поле имеет анизотропный характер, поскольку в вертикальном и горизонтальном направлениях действуют комбинации сил различной природы. В связи с этим представляет интерес рассмотреть отклик комплексной плазмы, прежде всего, ее структуры в основном состоянии, в зависимости от степени анизотропии удерживающего поля. Для тестирования используемого подхода было проведено моделирование структуры плазменно-пылевого кластера из 14 пылевых частиц в основном состоянии. Результаты моделирования сравнивались с экспериментальными данными, полученными в работе [19] для плазменнопылевого кластера из 14 сферических пылевых частиц меламин-формальдегида. Удерживающее поле в вертикальном направлении с учетом гравитационной составляющей имело следующий вид:
Р = аг0^0 - Z)+ QP,
где р = (х2 + у2)12; г0 — подгоночный параметр, не влияющий на динамику и формируемую структуру, определяющий положение кластера в вертикальном направлении.
Для численного определения степени анизотропии удерживающего поля вводился безразмерный параметр £ — отношение коэффициента силы удерживающего поля в вертикальном направлении к коэффициенту силы удерживающего поля в горизонтальном направлении: £ = ар. Диаметр пылевых частиц составлял величи-
ну 7.1 мкм, их заряд равнялся 2 660 е, плотность пылевых частиц 1519 кг/м3. Вариацией коэффициентов удер-
"0 б
с
с с
Рис. 6. Структура плазменно-пылевого кластера из 14 пылевых частиц (вид сверху): эксперимент [19] (а), результаты моделирования [20] (б)
живающего поля аz и ар было получено согласие структур моделируемого и экспериментально наблюдаемого кластера из 14 пылевых частиц (рис. 6). Межчас-тичное расстояние в расчетах и эксперименте составляло 1.1 мм.
Проекция структуры плазменного кластера из 360 пылевых частиц на оси цилиндрических координат для различных значений безразмерного параметра £ представлена на рис. 7. Расчеты показали, что при сферически симметричном удерживающем поле моделируемая система представляет кулоновский шар с харак-
терной оболочечной структурой (рис. 7, а). При увеличении значения параметра £ размеры моделируемой системы увеличиваются в горизонтальном направлении и уменьшаются в вертикальном (рис. 7, б). При достижении некоторого порогового значения параметра анизотропии структура моделируемого кластера меняется качественно, трансформируясь из трехмерной в плоскую (рис.7, в, г).
Проведено изучение влияния числа пылевых частиц, находящихся в анизотропном удерживающем поле, на отклик (структуру) формируемого плазменно-пылевого
р, мм
р, мм
р, мм
X, мм
Рис. 7. Структура плазменно-пылевого кластера из 360 пылевых частиц в цилиндрической системе координат для различных значений параметра анизотропии £ = 1 (а), 8 (б), 64 (в); проекция структуры плазменно-пылевого кластера на плоскость х-у декартовой системы координат для £ = = 64 (г)
| а 1 -
5 0 -N -1 -
-2 -С
0 1 2 3 4 5 р, мм ) 1 2 3 4 5 р, мм
1в_ 2 - к
1 - 1 ' 5 0 -N
- Г~зЬ~—•'
-1 -
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 О .
012345 012345
р, мм р, мм
Рис. 8. Структура плазменно-пылевого кластера в цилиндрической системе координат в анизотропном удерживающем поле (£ = 32) для различного количества пылевых частиц N 360 (а), 720 (б), 1440 (в), 2880 (г)
кластера. Расчеты показывают, что пороговое значение параметра анизотропии, при котором объемный плазменно-пылевой кластер трансформируется в плоский, увеличивается при увеличении числа пылевых частиц. Такое поведение моделируемой системы может быть связано с тем фактом, что с увеличением числа пылевых частиц их плотность в центре плазменно-пылевого кластера возрастает [21], следовательно, усиливается меж-частичное кулоновское взаимодействие, что ведет к структурным изменениям, в частности к трансформации в трехмерное состояние, формированию дополнительных оболочек. На рис. 8 приведены результаты моделирования плазменно-пылевых кластеров с различным числом пылевых частиц, находящихся в анизотропном удерживающем поле (параметр анизотропии £ = = 32).
Отметим, что увеличение числа пылевых частиц ведет к увеличению размера плазменно-пылевого клас-
N
тера (рис. 9). Зависимость радиуса плазменно-пылевого кластера от числа частиц, полученная в молекулярнодинамических расчетах, хорошо согласуется с аналитическими данными [21]. «Ступенька» на кривой рис. 9, б, соответствующей £ = 22, связана со скачкообразным возникновением новой оболочки в плазменно-пылевом кластере, что ведет к «быстрому» увеличению размеров моделируемого кластера в вертикальном направлении. Расчеты показали, что «расщепление» плоского плазменно-пылевого кластера при уменьшении параметра анизотропии или увеличении числа пылевых частиц начинается с центральной области (рис. 10, а). Точка «расщепления» Яе удаляется от центра моделируемого кластера с увеличением числа пылевых частиц в системе (рис. 10, б).
Исследование влияния анизотропии удерживающего поля на структуру основного состояния двухкомпонентной плазмы проводилось применительно к плазменно-
N
Рис. 9. Размеры плазменно-пылевого кластера в зависимости от числа пылевых частиц для различных значений параметра анизотропии удерживающего поля в горизонтальном (а) и вертикальном направлении (б)
N
Рис. 10. Схема «расщепленной» оболочки плазменно-пылевого кластера в цилиндрической системе координат: Rc — расстояние от вертикальной оси системы до точки расщепления, ^ — радиус моделируемого пылевого кластера в горизонтальном направлении (а); зависимость относительного положения точки расщепления от числа частиц N для различных значений параметра анизотропии (б)
пылевому кластеру, состоящему из 360 пылевых частиц. Из них 180 частиц имели радиус 2.3 мкм с зарядом 1955 е и 180 частиц радиусом 2.4 мкм с зарядом 2013 е. В изотропном удерживающем поле данные частицы образуют кулоновский шар, нижняя половина которого составлена из пылевых частиц большего размера (рис. 11, а). Увеличение степени анизотропии удерживающего поля приводит к тому, что сферичность кластера в кристаллическом состоянии нарушается, уменьшается число оболочек (рис. 11, б—г). При значении параметра анизотропии £ = 32 в моделируемой системе
сформировались два плоских плазменно-пылевых кластера (рис. 11, г).
5. Заключение
Результаты исследований показали, что общие принципы физической мезомеханики справедливы не только при описании пластической деформации и разрушения твердых тел, но и таких «нетрадиционных» объектов, как пылевая плазма. Показано, что, как и в конденсированных средах, в пылевой плазме наблюдаются фазовые переходы, зависимость внутренней структуры системы
30.0- 0 зо.о- б
29.5- * 29.5-
1 29.0- Л4 .. -ь « % * - # * 1 29.0- #* * V ^ »
1чГ N
. # ^ ^ % * -Ч 0
28.5- * -*■ < • . ** </ * 28.5- • .# \т
^ /
.
28.0- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 28.0- 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1-1
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
р, мм
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
р, мм
р, мм
р, мм
Рис. 11. Радиальное распределение пылевых частиц двухкомпонентного плазменно-пылевого кластера в проекции на плоскость цилиндрических координат для различных значений параметра анизотропии £ = 1 (а), 4 (б), 8 (в), 32 (г). Горизонтальными линиями обозначены высоты, равновесные для частиц соответствующего сорта
от состояния среды и внешних воздействий, формирование композиций различной структуры и состава. В изложенной статье эта аналогия была прослежена для плазменно-пылевых кластеров различного размера.
Фазовые переходы в системах пылевой плазмы наблюдаются и исследуются после обнаружения в 1994 г. плазменно-пылевого кристалла. При этом исследования различных фазовых состояний, особенностей структурных трансформаций в зависимости от изменения параметров внешнего нагружения проводились для моно-дисперсных систем. В настоящей работе была показана возможность фазового перехода в бикомпонентных плазменно-пылевых системах.
Прослеживается зависимость между структурой плазменно-пылевой системы и свойствами окружающей ее среды. При этом, кроме очевидного влияния характеристик плазмы на заряд пылевых частиц, существенное влияние на структуру пылевой плазмы оказывает изменение конфигурации поля, удерживающего пылевые частицы (что может рассматриваться как аналог механического воздействия для конденсированных сред). Например, изменение параметров удерживающего поля может приводить к анизотропии структуры плазменно-пылевого кластера. Изменение степени анизотропии удерживающего поля может менять число, форму и заселенность оболочек в моделируемой системе в кристаллическом состоянии.
В настоящей работе проиллюстрировано, что многие хорошо изученные в металловедении явления, связанные со сплавами, находят свои аналогии и в пылевой плазме. Так, увеличение разницы между размерами частиц (т.е. увеличение разницы между характеристиками частиц) приводит к пространственному разнесению частиц разных сортов и в пределе — их полной сегрегации. Также следует отметить, что изменение конфигурации удерживающего поля и свойств частиц может приводить к качественному изменению структуры плазменно-пылевого сплава, распределяя частицы разных сортов.
Проведенные исследования трансформации внутренней структуры пылевой плазмы подчеркивают применимость подходов физической мезомеханики для изучения систем различной природы.
Работа выполнена при частичном финансировании программы Президиума РАН № 12.3.
Литература
1. Панин В.Е., Лихачев В.А., Гриняев Ю.В. Структурные уровни деформации твердых тел. - Новосибирск: Наука, 1985. - 255 с.
2. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., ДаниловВ.И. и др. Структурные уровни
пластической деформации и разрушения. - Новосибирск: Наука, 1990. - 255 с.
3. Панин В.Е., Гриняев Ю.В. Физическая мезомеханика — новая парадигма на стыке физики и механики деформируемого твердого тела // Физ. мезомех. - 2003. - Т. 6. - № 4. - С. 9-36.
4. Панин В.Е., Гриняев Ю.В., Псахье С.Г. Физическая мезомеханика: достижения за два десятилетия развития, проблемы и перспективы // Физ. мезомех. - 2004. - Т. 7. - Спец. вып. - Ч. 1. - С. I-25-I-40.
5. Fomin V.M., Golovnev I.F., Utkin A.V. Relation between the atomistic picture and continuum mechanics description of detonating solid-state explosives // Shock Waves. - 2003. - V. 13. - No. 2. - P. 155-165.
6. Головнев И.Ф., Головнева Е.И., Фомин В.М. Обоснование молекулярно-динамического подхода к расчету уравнения состояния наноструктур // ДАН. - 2009. - Т. 427. - № 5. - С. 616-619.
7. Psakhie S.G., Horie Y., Ostermeyer G.P., Korostelev S.Y., SmolinA.Y., Shilko E.V., Dmitriev A.I., Blatnik S., Spegel M., ZavsekS. Movable cellular automata method for simulating materials with mesostructure // Theor. Appl. Fract. Mech. - 2003. - V. 37. - P. 311-334.
8. Dmitriev A.I., Zolnikov K.P., Psakhie S.G., Goldin S.V., Panin VE. Low-density layer formation and «lifting force» effect at micro- and meso-scale levels // Theor. Appl. Fract. Mech. - 2005. - V. 43. -No. 3. - P. 324-334.
9. Psakhie S.G., Ruzhich VV, Shilko E.V, Popov V.L., Astafurov S.V A new way to manage displacements in zones of active faults // Tribol. Int. - V. 40. - No. 6. - P. 995-1003.
10. Малыгин Г.А. Процессы самоорганизации дислокаций и пластичность кристаллов // УФН. - 1999. - Т. 169. - № 9. - C. 9791008.
11. Хакен. Г. Синергетика: Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах. - М.: Мир, 1985. - 419 с.
12. Langmuir I., Found C.G., Dittmer A.F. A new type of electric discharge: The streamer discharge // Science. - 1924. - V 60. - P. 392394.
13. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А. и др. Пылевая плазма // УФН. - 2004. - Т. 174. - № 5. - С. 495-544.
14. Arp O., Block D., Piel A., Melzer A. Dust Coulomb balls: Threedimensional plasma crystals // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V. 93. -No. 16. - P. 165004 (4 pages).
15. Arp O., Block D., Klindworth M., Piel A. Confinement of Coulomb balls // Phys. Plasmas. - 2005. - V. 12. - No. 12. - P. 122102 (9 pages).
16. Khrapak S.A., Ratynskaia S.V, Zobnin A.V. et al. Particle charge in the bulk of gas discharges // Phys. Rev. E. - 2005. - V. 72. - No. 1. -P. 016406 (10 pages).
17. Псахье С.Г., Зольников К.П. О структуре сферических бинарных плазменно-пылевых кристаллов в удерживающих полях различной природы // Физ. мезомех. - 2008. - Т. 11. - № 2. - С. 39-44.
18. Psakhie S.G., Zolnikov K.P., Skorentsev L.F., Kryzhevich D.S., Abdrashitov A.V. Structural features of bicomponent dust Coulomb balls formed by the superposition of fields of different origin in plasma // Phys. Plasmas. - 2008. - V. 15. - No. 5. - P. 053701 (5 pages).
19. Vasilyak L.M., Vetchinin S.P., Polyakov D.N., Fortov V.E., Mor-fillG.E., Ivlev A.V, Pustylnik M.Y., Thomas H.M. Dust cluster response to the high voltage nanosecond pulses // Physics of Extreme States of Matter / Ed. by V.E. Fortov et al. - Chernogolovka: Institute of Problems of Chemical Physics RAS, 2009. - P. 220-223.
20. Абдрашитов А.В., Зольников К.П., Псахье С.Г. Влияние анизотропии удерживающего поля на структуру плазменно-пылевого кластера // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - № 19. - С. 76-82.
21. Henning C., Baumgartner H., Piel A. et al. Ground state of a confined Yukawa plasma // Phys. Rev. E. - 2006. - V. 74. - No. 5. - P. 056403 (6 pages).
Поступила в редакцию 03.08.2010 г.
Сведения об авторах
Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., проф., дир. ИФПМ СО РАН, [email protected] Зольников Константин Петрович, д.ф.-м.н., внс ИФПМ СО РАН, [email protected] Абдрашитов Андрей Владимирович, инж. ИФПМ СО РАН, [email protected]
