Пылевые волчки в слабом магнитном поле Текст научной статьи по специальности «Физика»

Сер. 4. 2011. Вып. 3

ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

КРАТКИЕ НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ

УДК 537.525.1

В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, М. А. Ермоленко, С. И. Павлов ПЫЛЕВЫЕ ВОЛЧКИ В СЛАБОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Введение. Применение внешних воздействий при исследовании пылевой плазмы является новым методом диагностики и управления плазменно-пылевыми структурами [1]. Магнитное поле оказалось одним из самых продуктивных методов воздействия [2, 3], в связи с чем возникает задача изучения магнитных свойств пылевой плазмы. В зависимости от величины налагаемого магнитного поля магнитные свойства пылевой подсистемы определяются различными причинами. В сильном магнитном поле 2-3 Тл замагниченными становятся пылевые частицы, в слабом поле магнитные моменты пылинок связаны с их собственным вращением, определяемым потоками электронов и ионов на их поверхность.

В настоящей работе представляются результаты прямых оптических наблюдений за пылевыми волчками, форма поверхности которых близка к сферической, для случая слабого магнитного поля, соответствующего замагниченности только электронной компоненты плазмы.

Результаты и обсуждение. Методика прямого детектирования собственного вращения уединённых пылевых гранул (метод координатной развертки) детально описана в [4, 5]. Там же описана разрядная камера и характеристики применяемых частиц — полых стеклянных микросфер. Находясь в пылевой ловушке, существующей в головной части страты, они приобретают электрический заряд до 106 элементарных и из-за собственного вращения имеют магнитный момент. Предварительный эксперимент, проведённый в отсутствие магнитного поля [5], показал, что основная масса частиц находится в плазме в состоянии вращения, частота вращения составляет до 1000 Гц. Установлено, что для ряда частиц вращение имеет пороговый характер, появляется при увеличении тока разряда до 3 мА. Было принято, что причиной собственного вращения являются потоки плазменных частиц, идущих на поверхность пылевой частицы, имеющей дефекты, в процессе поддержания её стационарного заряда.

Наложение магнитного поля также продемонстрировало пороговый характер вращения для выборки частиц, не обладающих вращением в отсутствие магнитного поля. На рис. 1 показан данный эффект для характерной частицы — сферы с отсутствием существенных дефектов поверхности, что определялось по спектрам при её освещении лазером.

© В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, М. А. Ермоленко, С. И. Павлов, 2011

100п

90-

80-

70-

60-

50-

40-

30-

20-

10

0

20

40

60 В, Гс

80

100

120

Рис. 1. Порог возникновения вращения в магнитном поле сферической частицы: частица 20 мкм, ток 2,5 мА, газ N6 при давлении 0,4 мм рт. ст.

700 600 ♦ 500

я 400 и

300

200

100

*

*

20

40

60

80 В, Гс

100

120

140

160

Рис. 2. Зависимость частоты собственного вращения сферической частицы от магнитного поля при его увеличении — нижние точки и уменьшении — верхние: размер частицы 40 мкм, ток 2 мА, газ — смесь неона с водородом 2 : 1 при давлении 0,3 мм рт. ст.

0

Второй обнаруженный в магнитном поле результат — лишь незначительное изменение угловой скорости вращения частиц (появляющейся в отсутствие магнитного поля) при наложении магнитного поля с индукцией до 200 Гс, в пределах погрешности зависимость угловой скорости отсутствует.

Кроме того, было установлено, что существует асимметрия зависимости угловой скорости вращения от индукции магнитного поля при его увеличении и уменьшении. Так, при увеличении магнитного поля получаемая кривая лежит ниже, чем при уменьшении магнитного поля в тех же условиях (рис. 2). Данный эффект можно назвать гистерезисом угловой скорости пылевого волчка в магнитном поле.

Выводы. Наблюдения за уединёнными пылевыми гранулами с высоким оптическим увеличением и применение методики координатной развертки позволило зарегистрировать пороговый эффект вращения пылевых гранул в магнитном поле. Это наблюдение на кинетическом уровне объясняет изменение числа вращающихся пылевых

частиц, обнаруженное в [6]. Слабая зависимость скорости вращения и эффект её гистерезиса в магнитном поле до 200 Гс требуют дальнейших исследований магнитных свойств в большем диапазоне изменения магнитного поля.

Литература

1. Фортов В. Е., Петров О. Ф., Молотков В. И. Пылевая плазма // Усп. физ. наук. 2004. Т. 174. C. 495-544.

2. 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.

3. D’yachkov L. G., Petrov O. F., Fortov V. E. Dusty plasma structures in magnetic DC dis-

charges // Contrib. Plasma Phys. 2009. Vol. 49. N 3. P. 134-147.

4. 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.

5. 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.

6. SatoN. New Vistas in Dusty Plasmas // AIP Conf. Proc. 2005. Vol. 799. P. 97.

Статья поступила в редакцию 25 января 2011 г.