CC BY
45
В. Ю. Карасёв
О МЕХАНИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ УЕДИНЁННЫХ ПЫЛЕВЫХ ГРАНУЛ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Введение. Пылевая (комплексная) плазма представляет собой систему макрочастиц, как правило, микронного размера, находящуюся в низкотемпературной плазме. Каждая пылевая гранула несёт на своей поверхности заряд 103—106 элементарных, благодаря чему потенциальная энергия взаимодействия частиц между собой превышает их тепловую. В такой системе происходит процесс самоорганизации пылевых частиц в так называемый плазменный кристалл, являющийся объектом пристального внимания в последние 15 лет [1]. Изучаются структурные, электрические, кинетические, механические свойства комплексной плазмы. Известны работы по применению частиц из материла, обладающего постоянной намагниченностью с целью изучения их агломерации и условий левитации [2]. Проблема исследования магнитных свойств пылевой плазмы до сих пор не обсуждалась. Задача изучения поведения отдельных частиц впервые была поставлена в [3]. Её важность связана с изучением плазменных потоков, идущих на поверхность гранулы, рядом промышленных приложений, а также фундаментальной задачей — пониманием поведения пылевых структур во внешнем магнитном поле [4-6] и изучением магнитных свойств пылевой подсистемы. Реализация данной задачи представляет собой техническую проблему, поскольку необходимо не только на кинетическом уровне наблюдать отдельную частицу в плазме, но детектировать её механическое состояние. Благодаря применению прямой оптической методики измерения вращения отдельных гранул вокруг собственной оси [7, 8], появилась возможность ставить необходимые эксперименты и проводить детальные продолжительные измерения на кинетическом уровне с большим оптическим увеличением. В настоящей работе представлены количественные измерения собственного вращения пылевых частиц, с которым связаны магнитные моменты, с учётом влияния внешнего магнитного поля. В частности, такое влияние впервые подтверждено экспериментально. Помимо названной методики в экспериментах применялась также скоростная видеосъёмка с высоким оптическим увеличением.
Эксперимент и обсуждение результатов. Суть проводимого эксперимента заключается в прямом оптическом наблюдении отдельных пылевых частиц размером 10-50 мкм, находящихся в плазме, и в определении их механического состояния — поступательного и вращательного движения. Методика координатной развёртки и конструкция разрядной камеры детально описаны в [7, 8]. В настоящих экспериментах центральная часть камеры — вертикальная разрядная трубка — целиком помещалась в магнитное поле, созданное широкой катушкой и направленное вертикально, соосно трубке вверх или вниз. Его абсолютная величина изменялась в пределах от 0 до 250 Гс. В качестве пылевых частиц были использованы полидисперсные микросферы радиусом от 5 до 60 мкм, в которых присутствовали дефектные. Рабочим газом были неон и его смесь с водородом при давлениях в несколько десятых миллиметров ртутного столба и токах 2-4 мА.
Эксперимент проводился следующим образом. При установленных условиях зажигался разряд, затем вбрасывались частицы. Наблюдения производились каждый раз за
© В. Ю. Карасёв, 2011
0,5
0
а
[-Н -0,5
Я
-1
-1,5
-2
-2,5
♦ ♦
20
40
60
80
100
120
140 В, Гс
*
*
Рис. 1. Пример зависимости частоты орбитального движения уединённой частицы
от индукции магнитного поля:
ток 2,1 мА, газ — смесь неона с водородом 2 : 1 при давлении 0,3 мм рт. ст.; частота съёмки 30 Гц
единственной частицей, находящейся в пылевой ловушке, имеющейся в головной части страты, первой от сужения токового канала со стороны анода [8].
Предварительно было установлено [9], что для частиц идеально сферической формы в данном диапазоне магнитного поля изменений угловой скорости собственного вращения в пределах погрешности эксперимента не обнаружено. Причина возникновения собственного вращения связана с наличием на поверхности частиц дефектов [8]. Поэтому в представляемых экспериментах было решено производить наблюдения за частицами, форма которых существенно отличается от сферической, такие дефектные частицы присутствовали в используемом порошке. Именно применение подобных сильно асимметричных частиц позволило зарегистрировать влияние магнитного поля на их механическое состояние. При наблюдении порядка нескольких тысяч уединённых частиц было отобрано около сотни наблюдений асимметричных, из которых информативными оказались несколько десятков. Подобные эксперименты и их анализ требуют существенных затрат времени, но к настоящему моменту можно выделить несколько определенных результатов. Отдельные пылевые частицы могут иметь орбитальное движение в горизонтальной плоскости с достаточно малой частотой — единицы и десятые герца. Наблюдаются частицы, движущиеся в отсутствие магнитного поля в обоих круговых направлениях. Пример зависимости угловой скорости от индукции магнитного поля показан на рис. 1. Положительное значение вектора магнитной индукции на представляемых графиках соответствует направлению вверх. За положительное направление угловой скорости принято направление, совпадающее с вектором магнитной индукции.
Обнаружение и изучение собственного вращения частиц при отсутствии орбитального движения является главной задачей работы. Частицы, обладающие только таким вращением, можно разделить на две группы: не изменяющие направление вращения и изменяющие его скачкообразно при достижении магнитным полем некоторой величины. На рис. 2 представлен фрагмент зависимости угловой скорости без переворота частицы при изменении значения и полярности индукции магнитного поля. На рис. 3 продемонстрированы самые общие наблюдаемые закономерности — гладкое (линейное)
н*
* *
п, Гц 40 35 30 25 20 15 10 5
* *
-150
-100
-50
0
В, Гс
50
100
150
Рис. 2. Пример гладкой спадающей зависимости вертикальной составляющей угловой скорости собственного вращения асимметричной пылевой частицы:
ток 3 мА, газ — смесь неона с водородом 2 : 1 при давлении 0,3 мм рт. ст.; частота съёмки 150 Гц
Рис. 3. Зависимость вертикальной составляющей угловой скорости собственного вращения асимметричной частицы в магнитном поле:
ток 2,1 мА, газ — смесь неона с водородом 2 : 1 при давлении 0,3 мм рт. ст.; частота съёмки 1000 Гц; зависимость имеет гладкий участок и скачкообразное изменение, связанное с переворотом
изменение угловой скорости и её скачкообразное изменение, связанное с переворотом направления. Соединяющая экспериментальные точки линия показывает динамику направления угловой скорости.
Обсуждая обнаруженные закономерности, выделим следующее. На рассмотренной выборке частиц в отсутствие магнитного поля угловая скорость собственного вращения имеет положительный знак. При наблюдении сверху частиц в форме палочек, расположенных в разряде горизонтально, видно, что их вращение вокруг вертикальной оси происходит против часовой стрелки. Поскольку частицы могут вращаться быстрее [8], то такие частицы подобны симметричным волчкам и могут обладать прецессией,
например, вынужденной прецессией под действием силы тяжести, центр приложения которой не совпадает с геометрическим центром частиц. Вектор угловой скорости такой прецессии направлен вертикально вверх. Частота прецессии при наложении магнитного поля может измениться при изменении скорости собственного вращения частицы вокруг оси фигуры. Кроме того, монотонное изменение частоты вращения вокруг вертикальной оси может быть вызвано другой причиной — действием ионного потока на торцевые части частицы [10].
Обсуждая немонотонное изменение — скачок угловой скорости, нужно сказать, что оно может происходить в обе стороны: от совпадающих по направлению векторов магнитного момента частицы и магнитного поля к противоположному и обратно, к устойчивому положению равновесия в магнитном поле. Это возможно при толчке вращающейся заряженной частицы, например, при изменении параметров разряда (положения страты), связанном с изменением индукции наложенного магнитного поля.
Выводы. В настоящей работе обнаружен эффект воздействия внешнего магнитного поля на собственное вращение пылевых гранул. Зарегистрированы плавные изменения частоты вращения вытянутых пылевых гранул, а также скачкообразные изменения, связанные с переворотом самих пылевых волчков. Предложена качественная интерпретация обнаруженных эффектов.
Литература
1. Цытович В. Н., Морфилл Г. Е., Томас Х. Комплексная плазма: I. Комплексная плазма как необычное состояние вещества // Физ. плазм. 2002. Т. 28. № 8. С. 675-707.
2. Samsonov D., Zhdanov S., MorfillG. Levitation and agglomeration of magnetic grains in a complex (dusty) plasma with magnetic field // New J. Phys. 2003. Vol. 5. N 24. P. 1-10.
3. SatoN., UchidaG., Kaneko T. Dynamics of Fine Particles in magnetized plasmas // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8. N 5. P. 1786-1790.
4. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Ivanov A. Yu., Eikhvald A. I. Rotational motion of dusty structures in glow discharge in longitudinal magnetic field // Phys. Rev. (E). 2006. Vol. 74. P. 066403-1-066403-12.
5. Konopka U., Samsonov D., Ivlev A. V. Rigid and differential plasma rotation induced by magnetic fields // Phys. Rev. (E). 2000. Vol. 61. P. 1890-1898.
6. D’yachkov L. G., Petrov O. F., Fortov V. E. Dusty plasma structures in magnetic DC discharges // Contrib. Plasma Phys. 2009. Vol. 49. N 3. P. 134-147.
7. Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И., ДзлиеваЕ. С. Детектирование вращательного движения
полых прозрачных микросфер, помещённых в низкотемпературную плазму // Вестн. С.-Пе-терб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2008. Вып. 4. С. 113-116.
8. Karasev V. Yu., Dzliev E. S., Eikhval’d A. I. et al. Single dust-particle rotation in glow-dis-
charge plasma // Phys. Rev. (E). 2009. Vol. 79. P. 026406-1-026406-6.
9. Karasev V. Yu., Dzlieva E. S., Eikhval’d A. I. Magnetic tops in dusty plasmas // PNP-13.
Moscow, 2009. P. 70.
10. Семёнов Р. И., Карасёв В. Ю., Иванов А. Ю. О магнитомеханическом эффекте в газовом разряде // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2009. Вып. 4. С. 140-142.
Статья поступила в редакцию 15 февраля 2011 г.
