Тозаңды плазманың зарядталуы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 49 бет
Таңдаулыға:

МАЗМҰНЫ

КІРІСПЕ 4
1 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМА 11
2 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАНЫҢ ҚАСИЕТТЕРІН ЗЕРТТЕУГЕ АРНАЛҒАН ЭКСПЕРИМЕНТТІК
ҚОНДЫРҒЫЛАРҒА ШОЛУ ЖАСАУ
19
3 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДАҒЫ ЭЛЕМЕНТАР ПРОЦЕСТЕР 21
3.1 Тұтас бағанды разрядтың стратталуы 21
3.2 Тозаңды плазманың зарядталуы 24
3.3 Тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясы 25
4 ПЛАЗМАНЫҢ ТЕХНОЛОГИЯЛАРДА ҚОЛДАНЫЛУЫ 30
4.1 Токамак 30
4.2 Басқарылатын термоядролық синтез 31
4.2.1 Мәселенің бүгінгі күнгі жай – күйі 34
4.2.2 Тозаң агломерациясы 37
5 ЭЛЕКТРОНДЫҚ ОҚУЛЫҚ 40
ҚОРЫТЫНДЫ 49
ҚОЛДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР 50
ҚОСЫМША А 52
ҚОСЫМША Ә 53
ҚОСЫМША Б 54

КІРІСПЕ

Плазма — оң және теріс зарядтарының тығыздықтары бір-бірімен шамалас,
толық немесе ішінара иондалған газ [1].
Ең алғаш “плазма” ұғымын Ленгмюр мен Томсон өткен ғасырдың елуінші
жылдарында енгізген. Олар газды разрядтағы процесті зеріттеу кезінде
электрон мен ионның тығыздығы тең екендігін байқаған. Сол кезден бастап
плазманы өзіне ғана тән қасиеті бар жеке объект ретінде зерттеу басталды.
Плазма физикасын жеке ғылыми пән ретінде алынуына тек лабораториялық
қондырғылар мен технологиялардағы плазманы зерттеу ғана емес, сонымен қатар
астрофизиканың плазма динамикасын, Күннің және жұлдыздар маңындағы магнит
өрісін, жұлдыздар арасындағы кеңістік пен Жердің атмосферасында электр және
магниттік толқындарды таратуда, радио астрономиядағы зерттеулер плазма
физикасының негізін қалаушылар болып табылады.
Жылу энергиясын электр энергиясына айналдыру, плазмалық реактивті
қозғалтқыштарды және жаңа электронды приборларды жасау кезіндегі
қиыншылықтар плазма физикасының одан әрі дамуына алып келді. Басқарылатын
термоядролық синтезді жүзеге асыру үшін плазма физикасына деген қызығушылық
арта түсуде. Басқарылатын термоядролық синтез дүние жүзін таусылмас электр
энергиясымен қамтамасыз етіп қана қоймай космосты зерттеуде, микро және
наноэлектроникада өте сапалы технология жасауда пайдасы көп болар едіp [2].
Плазмаға сырттай әсер ету кезінде және әсер етпеу кезінде қалай
өзгеретінін теориялық жағынан зерттеле бастады. Нәтижесінде плазма физикасы
жеке ғылыми бағыт болып қана қоймай физиканың негізгі бір бөлігі болды.
Плазмада зарядталған бөлшектер қатарына электрондар мен иондар
жатады. Әлем кеңістігіндегі заттардың басым бөлігі (жұлдыздар және оның
атмосферасы, галактикалық тұмандар мен жұлдызаралық орта) Плазма күйінде
болады. Плазманы электрондық температура (), иондық температура
() және бейтарап атомдар температурасы () арқылы сипаттайды.
Иондық температурасы К плазма төменгі температуралық, ал
К Плазма жоғары температуралық плазма деп аталады. Плазманы
заттың төртінші күйі деп те атайды. Оның газдан негізгі өзгешелігі электр
және магнит өрістерімен күшті әсерлесуінде; соның нәтижесінде плазмада
басқа заттарда кездеспейтін ерекше құбылыстар жүреді. Мысалы, плазма
бөлшектері жылулық қозғалыспен бірге реттелген “ұжымдық процестерге” де
қатынасады. Плазманың “квазибейтараптылығы” оның маңызды қасиеті болып
есептеледі. Квазибейтараптылығы сақталу үшін плазманың өлшемдері дебай
экрандау радиусынан көп үлкен болуы керек. Егер бөлшектерінің өзара
әсерлесуінің потенциялық энергиясы олардың жылулық энергиясынан көп аз
болса, онда Плазма — идеал плазма деп аталады. Индукциясы (В) магнит
өрісіндегі Плазма бөлшектеріне Лоренц күші әсер етіп, нәтижесінде ол
бөлшектер Лармор спиралі бойымен (циклотрондық жиілікпен) айналады. Соның
салдарынан плазма диамагнетизмі пайда болады.
Плазманы:
- Плазманың жеке бөлшектерінің қозғалысы арқылы;
- Магниттік гидродинамика теңдеулері арқылы;
- Плазманың бөлшектері мен ондағы пайда болатын толқындарды
кинетикалық тәсіл арқылы зерттеуге болады.
Плазманың көптеп кездесетін түрлері:
Жасанды плазма: Плазмалық панель (телевизор, монитор), люминестцент
және неон шамдарының ішіндегі зат, плазмалық зымырандар қозғалтқыштары,
озон қозғалтқышының газды разрядты қабығы, басқарылатын термоядролық
синтезді зерттеу, доға шамдағы және доға дәнекерлеушідегі электрлі доға,
плазма шамы, тесла трансформаторындағы доға тәрізді разряд, денеге лазерлі
сәулемен әсер ету, ядролық жарылыстан кеиінгі жарық сфера.
Жердің табиғи плазмасы: найзағай, қасиетті эльманың оттары, солтүстік
сәулесі, алау оты (төмен температурадағы плазма).
Классикалық және астрофизикалық плазма: Күн және басқа жұлдыздар
(термоядролық реакция есебінен туындайтын түрлері), күн желі, ғарыш
кеңістігі (ғаламшарлар, жұлдыздар және галлактикалар арасындағы кеңістік),
жұлдыздар арасындағы кеңістік.
Өте тығыз плазмада зарядталған бөлшектер бір - бірен өте жақын
орналасады. Сондықтан әрқайсысы жақын орналасқан бөлшектер жүйесімен өзара
әрекеттеседі. Осы шарт орындалуы үшін зарядталған бөлшектер әрекеттесу
сферасында (Дебай радиусы сферасында) топтасып, ұжымдық әсерлесуді
қамтамасыз етеді (мұндай құбылыс - плазмаға тән қасиет). Математика тілімен
мұны былай есептейді:

(1)

Өзара әрекетесудің артықшылықтары: Дебай радиусының экрандалуы
плазмаға тән мөлшерден бірнеше есе кішірек болуы тиіс. Осы санатқа қарап,
плазма ішіндегі өзара әрекеттесу үстіңгі жағындағы құбылысқа қарағанда,
маңыздырақ деп есетпеуге болады. Осы шарттан орындалған жағдайда, плазманы
квазинейтралды деп атауға болады. Математика тілінде оны былай көрсетуге
болады:

. (2)

Плазмалық жиілік: бөлшектердің соқтығысуы арасындағы орташа уақыт
плазмалық тербелістер жилігіне қарағанда артық болуы тиіс. Мұндай
тербелістер зарядтың электр өрісіне әсер етуінен туындап, квазинейтралды
плазманың бұзылуына әкеліп соғады. Осындай өріс бұзылған тепе - теңдікті
қайта қалпына келтіруге тырысатын болады. Тепе - тең күйге қайта оралған
соң, заряд инерциямен өзінің бұрынғы күйіне қайта келіп, қайтадан орасан
зор айналамалы өрістің туындауына әкеліп соғады да, дәл алдындағыдай
механикалық тербеліс пайда болады. Осы шарттың негізінде плазманың
молекулярлы - кинетикалық қасиетінен гөрі, электродинамикалық қасиеті
артады. Математика тілімен айтқанда:

(3)

Дебай радиусы (Дебай ұзындығы) электрондардың қайта таралуының
есібенен пайда болған электр өрістерінің ара қашықтығы[18]:

(4)

Комплексті (тозаңды) плазма деп құрамында электрондар, иондар,
нейтрал атомдар мен қатар теріс немесе оң зарядталған қатты дененің
микронды өлшемдегі макроскопиялық бөлшектері бар объектіні айтады. Соңғы
жылдары тозаңды немесе комплексті плазма реттелген тозаңды құрылымдар пайда
болатын ашық сызықты диссипативтік жүйе ретінде ғалымдардың назарын
аударуда.
Тозаңды плазмада орындалатын шарттар тіпті әр түрлі және оның
сипаттамалы параметрлерінің арасындағы қатынастарға тәуелді болуы мүмкін.
Көптеген әрекеттесуші бөлшектер жүйесінің негізгі сипаттамаларының
бірі идеалсіздік параметрі Г - көршілес бөлшектердің арасындағы потенциалды
әрекеттесу энергиясының олардың кинетикалық энергиясына қатынасы ретінде
анықталады. Зарядталған бөлшектердің кулондық әрекеттесу үшін:

. (5)

Мұндағы бөлшектер арасындағы орташа арақашықтық, ал Т -
кинетикалық энергиясы. Плазманың электрондары мен иондары үшін:

. (6)

(Иондар бір рет зарядталған деп есептелді). Жүйені Г 1
жағдайында идеалды емес деп қарастыру қабылданған. Белгілі болғандай,
плазмадағы зарядтар экрандалды. Сондықтан тозаңды плазмада орташа бөлшектер
арасындағы қашықтықтардан басқа сипаттамалы кеңістіктік масштабтар ретінде
жүйенің әрқайсысының дебайлық экрандалу радиустары (қабылданған)
қарастырылады, және де сондай ақ тозаңды бөлшектердің өлшемдері. Тозаңды
плазмасы бар қарапайым тәжрибелер жағдайында Дебай сферасындағы электрондар
(иондар) саны электрондар иондар үшін үлкен, =n 1,
сондықтан, электрондар және иондар кішірек жүйелер идеалды толық болып
табылады, себебі Ге(i) ~ ()-23 1.
Алдыңғы жағдайда тозаңды бөлшектер жүйесіндегі жағдайдан сапалы түрде
ерекшеленеді. Бұрынғыдай 1 кезінде тозаңды жүйе идеалды, және де бұл
кезде тозаң жүйеге жаңа сипаттамалы кеңістік және уақыттық масштабтарды
енгізетін қосымша плазмалық құраушы ретінде қарастырылады. Тозаңды
бөлшектер эффективті Дебай радиусының өрнегіне үлес қосу арқылы экрандалуға
қатысады:

(7)

(Тозаңды бөлшектердің зарядтары тіркелген болып табылады). Кері
жағдайда 1 тозаңды бөлшектердің жүйесі әрқашан идеалды емес, себебі
бұл кезде экрандалу тек электрондармен және иондармен анықталуы мүмкін.
Тозаңды бөлшектер арасындағы арақашықтық тозаңды қүраушы үшін Дебай
радиусынан кіші болуы мүмкін, бірақ олар электрондар мен иондар плазмасымен
алдын - ала экрандалу нәтижесінде өте күшті әрекеттесу міндетті емес.
Идеалды емес тозаңды плазманың қасиеттерін сипаттау үшін ұсынылған көптеген
теориялар келесі модельге негізделген: теріс зарядталған бөлшектер плазмалы
көлемнің ішінде қандай да бір ұстап тұрушы күштің нәтижесінде сонда болады
жэне өзара изотропты экрандалған кулондық потенциал арқылы әрекеттеседі
(Дебай-Хюккель немесе Юкава потенциалы):

(8)

Мұнда экрандалу плазма электрондармен және иондармен жүргізіледі. Бұл
модель тозаңды плазмада болып жатқан поцестің оңайлатылған түрін береді
және әсіресе анизотропты плазма елеулі рол атқаратын кейбір тәжірибелерді
сипаттау үшін қолданылмайды. Сондай - ақ, бұл модель алыстан әсер ететін
бөлшектер зарядының тұрақсыздығын ұстап қалатын потенциалдың түрін және
т.б. ескермейді. Бірақ оның көмегімен тәжірибе жүзінде дәлелденген бірқатар
сапалы нәтижелер алынды, және де сондықтан ол мейлінше әртүрлі
жағдайлардағы тозаңды плазманың қасиеттерін сипаттауға қажет нақты
модельдерді құруға негіз ретінде қарастырылуы мүмкін.
Тозаңды плазманы лабораториялық жағдайда 1920 жылдарда - ақ Ленгмюр
байқаған болатын. Бірақ, плазманың бұл саласын қарқынды зерттеу соңғы
онжылдықта басталды. Әрине, бұған техника мен технологияның дамуы себеп
болды. Айта кетсек, 90 – жылдардағы тозаңды плазмаға қызығушылық біріншіден
МГД генератордың электрофизикасын зерттеу, микроэлектроникада плазмалық
тозаңдау технологиясында, сонымен бірге жұқа пленка және нанобөлшектер
өндірісінінде кеңінен қолданылуға байланысты өсті.
Сонымен қатар тозаң мен тозаңды плазма ғарыштық кеңістікте кең
тараған. Олар планеталардың сақиналарында, кометаның құйрығында, планета
аралық бұлттарда т.с.с аспан кеңістігінің көп бөлігінде (шамамен 90%) бар.
Сонымен бірге тозаңды плазма жасанды жер серігінің және ғарыштық
аппараттардың маңынан, магниттік өріспен ұсталатын термоядролық
қондырғыларда кездеседі.
Тозаңды плазманың осындай қызықты процестерін анықтау үшін алдымен
онда болып жатқан тозаңды бөлшектердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу
маңызды. Бұл қызықты және қарапайым құрылымдар әлемдік деңгейдегі
ғалымдардың (Германия, Жапония, Ресей, Франция т.с.с) назарынан тыс
қалмады. Сондай-ақ қазір Қазақстан ғалымдары да осы салада жүйелі түрде
жұмыс жасауда.
Тозаңды плазма конденсацияланған заттың зарядталған бөлшектерінен
құралған иондалған квазибейтарап газ болып табылады.
Тозаңды бөлшектер өте күшті әрекеттесіп, сұйық немесе кристалды
құрылымды түзетін жағдайлар мейлінше көп қызығушылық тудыруда. Осы кезде
плазмада болатын кинетикалық деңгейде процестерді зерттеу мүмкіндігі пайда
болады, Сондықтан осы жүйелерге көп назар аударылуда.
Тозаң және тозаңды плазма зертханалық жағдайда да өте белсенді түрде
зерттелуде. Тозаңды бөлшектер плазманың қүрамына тек әдейі енгізіліп қана
қоймай, сонымен қатар әр түрлі процестердің нәтижесінде ерікті түрде де
түзілуі мүмкін [3].
Тозаң бөлшектері плазмаға дейін енгізіліп қана коймай, сол сияқты әр
түрлі үдерістердің көмегімен өз еркімен пайда бола алады. Плазмалық тозаңды
жүйелердің кеңінен таралуы, сол сияқты бірегей және айрықша қасиеттері
(алыну жолының қарапайымдылығы, көрсеткіштерін бақылау мен басқарудын
оңайлығы, кинетикалық дәрежеде тексеру, жүенің ашықтығы, бөлшектер
зарядының тұрақсыздығы, жоғары диссипативтілігі, қайта ұжымдасу және бір
ретті кұрылымдардың пайда болуы) тозаңды плазманы ең қызықты және тартымды
зерттеу нысанына айналдырды. Плазмадағы тозаң бөлшектері электр зарядтарына
айналады және плазманың зарядталған қосымша құрамына жатады. Дегенмен
тозаңды плазманың қасиеттері электрондардың кәдімгі көпқұрамды плазмасы мен
түрлі топтағы ионға қарағанда алуан түрлі. Тозаң бөлшектері плазмалы
электрондар мен иондар рекомбанициясының орталығы болып саналады, кейде
термо, фотоэмиссияның, сол сияқты екінші электронды эмиссияның есебінен
бөлінетін электрондардың қайнар көзі болып табылады. Осылайша тозаң бөлшегі
иондалған тепе - теңдікке зор әсерін тигізуі мүмкін. Тозаң бөлшектерін
заряды нақты шамаға жатпайды, сондықтан айналадағы плазманың көрсеткіші
арқылы анықталып, уақыт пен кеңістікке байланысты өзгеріп отырады. Сол
сияқты, заряд айналадағы плазманың көрсеткіштері тұрақты болған жағдайда да
айнымалы болуы мүмкін, себебі бөлшекті зарядтау стохастикалық үдеріс болып
есептеледі. Тозаң бөлшектерін көбірек зарядталуы есебінен олардың
электростатикалық өзара әрекеттесуі нәтижесінде туындаған потенциалды
энергиясы өзара әрекеттесетін зарядтар туындысына пропорциялы деп саналады.
Сондықтан электронды - ионды ішкі жүйенің идеалды еместігі - тозаңды
бөлшектер ішкі жүйесінін идеалды еместігіне қарағанда оңай жүзеге
асырылады. Осының арқасында тіпті тозаңды бөлшектер кристалданған жағдайда
да жақын реттіліктің пайда болуы ықтимал. Алғаш рет зарядталған
микробөлшектердін реттелген квазикристалды кұрылымы 1959 жылы Паульдің
модификацияланған тұзағының арқасында іске асырылды. Алуан салмақтағы
газбен разрядталған плазманың тозаңды ішкі жүйенін кристалдануың 1986
жылы Икези қайта карастырды. Сынақ кезінде тозаң бөлшектерінің бір ретті
жүйесі - алгаш рет 1990 жылы жиілігі жоғары плазманы разраядтау кезінде
катод маңайындағи шекара аумағынан байқалған, мұнда ұлғайған электр өрісі
шамасын ауырлық күші мен бөлшектер левитациясы теңгерген [4].
Бұл дипломдық жұмыс 5 бөліктен тұрады. Оның бірінші бөлімінде тозаңды
плазма туралы айтылған. Екінші бөлімінде тозаңды плазманың қасиеттерін
зерттеуге арналған эксперементтік қондырғылар, үшінші бөлімінде Тозаңды
плазмадағы элементар процестер және Тозаңды плазманың зарядталуы, төртінші
бөлімінде плазманы технологияларда қолдану туралы мәліметтерге тоқталған.
Бесінші бөлімінде осы дипломдық жұмыс енгізілген электрондык оқулықтың
жасалуы айтылған.
Тозаңды плазаманың даму сатыларын жылнама реттілігімен былай
көрсетуге болады:
1920 жыл — И.Ленгмюр тозаңды плазманы тұңғыш мәрте зертханалық
жолман байқаған.
1959 жыл — зарядталған микробөлшектердің квазикристалдық ретті
құрылымы зертханалық жолмен қайта жаңартылған Пауль тұзағында жүзеге
асырылды.
1986 жыл — теңестірілмеген газбен разрядталған плазманың тозаңды ішкі
жүйесін кристалдау тәсілін Икези болжап берген.
1980 жылдар соңында- тозаң зарядын зерттеу, электрмагниттік
толқындардың таралуы, олардың өшуі мен ғарыштағы тозаңды плазманың
тұрақсыздығын зерттеу.
1990 жылдардың басы — қондырғыларда плазмалық тозаңдану және улануды
болдырмау үшін тозаңды бөлшектердің теріс әсерін тоқтату және тозаңды
плазманың көлемін кішірейту мақсатында зерттеулер жүргізілді.
1994 жыл — М. Планка (Гархинг, Германия) атындағы Жерден тыс физика
Институтының бір топ ғалымы зертхана жағдайында алғаш рет плазмалық-
тозаңды кристалл алды, мұны олар жоғары жиіліктегі разрядты ыдыс ішінде
байқаған.
1996 жыл — Мәскеудегі Ресейдің жоғары температура Институтының бір
топ ғалымы тұрақты токтың түтіндеген разрядынан плазмалық-кристалл алды.
1998 жыл — Мәскеудегі Ресейдің жоғары температура Институтының бір
топ ғалымы алғаш мәрте Мир ғарыш кешенінің бортында микрогравитация
жағдайында тозаңды плазмаға сынақ жасады.
2001 жыл — Ресейдің жоғары температура Институты және М. Планка
(Гархинг, Германия) атындағы Жерден тыс физика Институтының бір топ
ғалымдары бірлесіп, Халықаралық ғарыш стансасына Плазмалық кристалл
ғарыш зертханасын жіберді [5].
2005 жылы елімізде тұғңғыш рет әл – Фараби атындағы Қазақ Ұлттық
Университеті экспериметтік және теориялық физика ғылыми зерттеу
институтының зертханасында плазмалық кристалл алынған. Ол физика ғылымында
заттың бесінші күйі деп аталады. Отандық ғалымдар оған плазманың солғын
және жоғарғы жиіліктегі өздері ойлап тапқан тәжірибелік қондырғылардың
арқасында қол жеткізген. Заттың бесінші күйін игерген Қазақстандық ғалымдар
халықаралық ғарыш станциясының плазмалық кристалл атты халықаралық ғылыми
жобасына енгізілді.

1. ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМА

Жоғарыда айтылғандай, тозаңды плазма дегеніміз құрамында өлшемдері
1 - 100 мкм болатын макроболшектері бар плазманы айтады. Қазір тозаңды
плазма лабораториялық жағдайда өте қарқынды түрде зерттелуде. Тозаңды
бөлшектер плазманың құрамына кіріп қана қоймай, әртүрлі процестердің
нәтижесінде өздігінен түрлі құрылымдар түзеді. Сондықтан тозаңды –
плазмалық жүйенің кең таралуы, сонымен қатар тозаңды құрылымды оңай алу,
оны бақылау, параметрлерін өзгерту (кинетикалық деңгейде есептеу) және
жүйедегі түрлі құрылымдар (тозаңдардың түрлі құрылымдарға реттелуі,
бөлшектер зарядының тұрақсыздығы, олардың үлкен диссипативтігі) тозаңды
плазманы зерттеуді қызықты объектіге айналдырады.
Плазмадағы тозаңды бөлшектер электрлік зарядқа ие болады және
плазманың қосымша зарядталған құраушыларына айналады. Бірақ тозаңды
плазманың құрамы түрлі сорттардағы электрондар мен иондары бар жай
көпқұрамды плазмадан әлдеқайда өзгеше. Тозаңды бөлшектер плазмадағы
электрондар мен иондардың рекомбинациясы болып келеді, алайда кей кездерде
термо - фотоэмиссияның есебінен электрондар көзі де болады. Сонымен қатар
тозаңды құраушы тепе тең иондалуға да әсерін тигізеді. Тозаңды бөлшектердің
заряды тұрақты (бекітілген) шама болғандықтан, ол қоршаған плазманың
параметрлерімен анықталады және уақыт бойынша да, кеңістік бойынша да
өзгеріп отырады. Алайда, тозаңды бөлшектердің зарядында қоршаған плазманың
тұрақты параметрлерінде де ауытқулар болады.
Тозаңды бөлшектердің зарядының үлкен болу салдарынан әрекеттесетін
зарядтардың көбейтіндісіне тура пропорционал олардың электростатикалық
әрекеттесуінің потенциалдық энергиясы үлкен. Сондықтан да тозаңды бөлшектер
жүйесінің идеалды болмауы электронды - ионды жүйенің идеалды болмауына
қарағанда едәуір оңай түрде жүйеге асады. Бірақ макробөлшектердің
концентрациясы электрондар мен иондардың концентрациясынан әлде қайда
төмен. Соның нәтижесінде тозаңды бөлшектер жүйесінде ең жақын реттелуі және
де тіпті кристалданудың пайда болуы мүмкін [6].
Зарядталған микробөлшектердің реттелген құрылымын алғаш рет
(модификацияланған тұзақтың көмегімен) 1959 жылы алынды. Ал, тепе-тең емес
газрязрадты плазмадағы тозаңды жүйенің кристалдануын Икези 1986 жылы
байқады [7-9] (Сурет 1).

Сурет 1 - Тозаңды бөлшектердің электрод маңайындағы аумақты ВЧ– разрядтау
арқылы квазикристалданған бір ретті кұрылымының көлденең қимасы [10]

Тігінен қарағанда, бөлшектер бірінін астына бірі тізбек тәрізді
орналасқан. Кейінірек микробөлшектердің бір реттік кұрылымы атмосфералық
қысым кезінде пайда болатын термикалық плазмадан, тұрақты токтың солғын оң
бағанында, сол сияқты тозаңды плазманы ядролық қоздыру кезінде табылған.
Құрылымның төменгі жағында өз өзін қоздыратын тозаң бөлшектерінің тығыздық
толқындары байқалады. Ортасында өте күшті тартіп, жоғары жағындағы қима
ішінде бөлшектердің конвекторлы қозғалысы байқалады. Тозаңды бөлшектердің
кристалдану мен тозаңдық плазманың фазалық ауысуы терең зерттеуге жататын
сала [10].
Суытқанда тозаңды плазма шөгінді түзеді (сурет 2, 3, 4). Тозаңды
плазма ғарышта да кездеседі. (Тұмандықтарда, ғаламшар аралық сақиналарда,
комета құйрықтарында, сол сияқты Жердің жасанды серіктерінде).

Сурет 2 - Солғын анод разрядының жанындағы тозаңды түзіліс [11]

Сурет 3 - Солғын разряд жанғанда түзілетін тозаң [11]

Сурет 4 – Солғын разрядтағы тозаңды құбылыстардың типтік өлшемі [11]

Тозаңды плазманың әртүрлі күйлері анықталған: газбен разрядталған
плазма, термиялық плазма, ядро әсерінен туындаған плазма. Барлық
жағдайларда тозаңды құрылымдардың басты себебі электр зарядтары болып
табылады. Тозаңды бөлшектер плазма түрлерінің әртүрлі себептеріне
байланысты зарядталады. Ереже бойынша, плазма тозаңы газды разрядталған
кезде теріс байланыста болуының себебі, электрондар иондардардан гөрі
тезірек қозғалады, сондықтан ағымы артықтау болап келеді. Олардың зарядтары
бөлшектердің ультракүлгін сәулеленуінің заряды оң болауы мүмкін, бұл
-бөлшек үстіндегі фотоэлектронды эмиссиясының нәтижесі. Термиялық плазмада
зарядталған бөлшектер оң болуы мүмкін, бұл бөлшек үстіннің термоэлектронды
эмиссиясының әсері, ал тозаңдағы элктрондар ағысының есебінен оң болуы да
ықтимал. Ядро есебінен туындайтын плазманың электрондар ағысы бөлшектерді
теріс зарядтайды, дегенмен, екінші санаттағы электронды эмиссия заряд
белгілерін қарама - қарсы өзгертуі мүмкін.
Зарядталған бөлшектер бір - бірімен әрекеттесе отырып (сурет 5),
плазмадағы электр өрісімен, кейбір белгілі бір жағдайда басқа аумақта қалып
қояды да, үш өлшемді тозаңды құрылымға бірігеді. Мұндай құрылым кристалл
материалдардың торлы құрылымына бірігіп, тұрақты тор құрады. Кәдімгі
кристалл көрсеткіштеріне қарағанда, бірнеше миллиметр құрайтын осындай
өзгерісті кәдімгі көзбен анықтап көруге болады.

Сурет 5 - Кулондық өзара әрекеттесулер [12]

Осы байқалған қызықты процестерге байланысты көп ғалымдар осы салаға
өз қызығушылықтарын таныта бастады. Бұл қызығушылық технологиялық плазмада
тозаңды бөлшектердің болуы жартылай өткізгіш бетінің шаңдануы және сонымен
қатар дефектті элементтерінің шығуының ұлғаюы және де плазма күйінің
айтарлықтай өзгеруіне әкеп соғатындығына байланысты. Бұл эффектілерді
мейлінше азайту немесе жою ондағы бөлшектердің құрылу және пайда болу
процестерін, тасымалдану механизмі мен разряд құрамына қалай әсер
ететіндігін білмей мүмкін емес болды. Осы бағытта жасалған қадамдар
арқасында 90 – жылдардың орта тұсында көптеген теориялық зерттеулер
экспериментте расталды. Бұл эксперименттер шамаман бір уақытта 4
лабораторияда жасалды: Тайванда, Германияда және Жапонияда. Бұл жұмыстарда
жоғарғы жиілікті разрядта төменгі қысымда әлсіз иондалған плазмада қатты
әсерлесетін макробөлшектердің кулондық кристалдануын бақылау сипатталған.
Кулондық кристалдануды оптикалық микроскопты қолдану арқылы бақыланды.
Олардың арасындағы әртүрлі типтегі кристалдық торлар бар, олардың
кейбіреулері плазманың және тозаңды бөлшектердің белгілі параметрлерінде
ғана пайда болады. Сонымен бірге радиожиілікті разряд қуатын арттырған
кезде реттелген кристалдық тор ретсіз сұйық күйге ауысатындығы байқалған.
Бұл бағытта осы күнге дейін көптеген тәжірибелер жасалды. Солардың бірі
неміс проффессоры Морфилдің басшылығымен жасалған тәжірибеде газразрядты
плазмада макроскопиялық реттелген кристалл байқалды. Бұл тәжірибенің
нәтижесі әлсіз иондалған аргон газындағы диаметрі 7 мкм болатын тозаңды
бөлшектердің заряды 9800е – нан жоғары болады және гексоганальды кристалдық
құрылым құратындығын көрсетті. Бұл алынған құрылымның параметрі мынадый:
электрондардың температурасы Те = 1-3 эВ, иондардың концентрациясы n = 10
см-3.
Тура сондай кулонды кристалдың құрылымы Шунгли Ұлттық Университетінде
де байқалды. Бірақ бұл тәжірибе монодисперсті көміртегі бөлшектерімен
жасалды және де олардың өлшемдерінің айырмашылығына қарамастан онда
кристалдық құрылымдары байқалды.
Ал, келесі жасалған (Жоғарғы температуралар институты РҒА) тәжірибеде
солғын разрядтағы неон газында да реттелген макроскопиялық кристалдар
байқалған. Бұл жерде бөлшектердің өлшемдері шамамен 60 мкм. Осыған
байланысты бөлшектердің ара қашықтығы 300 мкм, ал заряды болды. Бұл
тәжірибелер қазіргі уақыттағы тозаңды плазманы зерттеуге ықпал етті және
қызықтырды.
Қазіргі кезде тозаңды плазманы зерттеудің мынадай басты бағыттарын
бөліп қарастыруға болады :
1) Плазмада тозаңды құрылымдардың пайда болуы, олардың кристалдануы
және плазманың әртүрлі типтеріндегі фазалық ауысулар;
2) Тозаңды плазмадағы элементар процестер: плазмадағы тозаңды
бөлшектердің арасындағы әсерлесу, тозаңды бөлшектерге әсер ететін сыртқы
күштер, плазманың әртүрлі параметрлеріндегі тозаңдардың зарядталуы;
3) Тозаңды плазмадағы сызықтық және бейсызықтық толқындардың пайда
болуы және таралуы (солитондар, соққы толқындар, Махх конустары).

Сурет 6 – Көп кездесетін плазма түрдері келтірілген. Мысалыға: найзағай,
солтүстік сәуле, күн (табиғи термоядролық реактор) т.б. [12]

2. ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАНЫҢ ҚАСИЕТТЕРІН ЗЕРТТЕУГЕ АРНАЛҒАН ЭКСПЕРИМЕНТТІК
ҚОНДЫРҒЫЛАРҒА ШОЛУ ЖАСАУ

Тозаңды плазманың қасиеттерін зерттеу қазіргі таңда қарқынды дамып
келе жатыр. Тозаңды плазманың процестерін анықтау үшін алдымен онда болып
жатқан тозаңды бөлшектердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу маңызды. Бұл
қызықты және қарапайым құрылымдар әлемдік деңгейдегі ғалымдардың (Германия,
Жапония, Ресей, Франция т.с.с.) назарынан тыс қалмады. Сондай – ақ
Қазақстан ғалымдары да осы салада жүйелі түрде жұмыс жасауда. Осындай
плазманың қасиеттерін зерттеу үшін көптеген эксперименттік қондырғылар
жасалуда. Солардың ішінде әл – Фараби атындағы Қазақ Ұлттық Университетінің
физикалық экспериметтік және теориялық ғылыми зерттеу институтының
зертханасында плазмалық кристалл алу үшін жасалған экспериметтік қондырғыны
қарастырамыз. Оның сұлбасы 7- ші суретте көрсетілген. Сұлба мынадай басты
бөліктерден тұрады:

1) Газразрядтты түтікше
2) Әмбебап вакумды құрылғы
3) Қорек көздері
4) Басқару пульті
5) Электронды өлшеуіш құрылғылар
6) Жұмыс істеуге арналған газ балондары

Қондырғының ең басты бөлігі газразрядты түтікше болып табылады, ол
молибденнен жасалған диаметірі 5 см, биіктігі 90 см, вертикаль орналасқан
цилиндір тектес әйнек түтікше. Жоғарғы электрод анод, төменгі электрод
катод болып табылады. Электродтар диаметрі 2,5 см болатын конус формасында
жасалған, ол жинағыш беттің үлкен болуына негізделген, бұл өз кезегінде
разрядтың тұрақтылығына үлкен мүмкіндік туғызады.
Разряд облысының жоғарғы жағындағы бүйірінде орналасқан түбі тор
контейнерде тозаңды бөлшектер болады. Бұл контейинерді қозғағанда тозаңды
бөлшектер төменге түседі. Берілген қондырғыда тозаңды бөлшектерді видеоға
түсіру горизанталь бағытта видеокамераның көмегімен жүзеге асады.
Экспериментте әртүрлі материалдан жасалған тозаңды бөлшектер қолданылған:
Алюминий оксиді диаметірі 3-5 мкм, меламинформальдегиттің монодисперсті
бөлшектері диаметірі 0,97 және 1,87 мкм. Бұл барлық бөлшектер страттарда әр
түрлі реттегі құрылымдар құрады. Бөлшектердің страттағы салмағы 10-13 ÷ 10-
8.
Қаншалықты біз тозаңды бөлшектердің құрылымын және шамасын көзбен
көре алғанымызбен де, олар туралы нақты ақпаратты біз бейне түсірілімдегі
кадрларды өңдеу арқылы аламыз. Бейне кадрлерді талдау жасау бізге барлық
тозаңды бөлшектердің құрылымдары мен қатар жеке тозаңның физикалық
сипаттамаларын анықтауға мүмкіндік береді.
Тозаңды бөлшектерді жарықтандыру үздіксіз диодты лазердің көмегімен
жүзеге асырылады. Жалпы жағдайда қызыл және жасыл сәуле шығаратын қуаты
ондаған мВт-тен жүздеген мВт – ке дейінгі лазер қолданылады. Берілген
қондырғыда жасыл жарық шығаратын GL 532TL-200 қуаты 0-200 мВт диотты лазер
қолданылған [13].

Сурет 7 – Тәжірибелік қондырғы [13]

3. ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДАҒЫ ЭЛЕМЕНТАР ПРОЦЕСТЕРІ

3.1 Тұтас бағанды разрядтың стратталуы

Жоғарыда айтылғандай, тозаңды бөлшектердің стратта ілінуі және
олардық құрылымын оң бағана страттарында бақыладық. Енді осы страттар
жайында айтайық және оны тозаңды бөлшектердің стратта ілінуі және олардық
реттелген құрылым пайда болатын шарттарымен салыстырайық.
Страт дегеніміз иондалған тұтас бағанды разрядтың тұрақсыздығы.
Электрондар көбінесе өз энергияларын разрядтың электр өрісінде атомдармен
серпімсіз соқтығысу нәтижесінде жоғалтады, ал серпімді соқтығысу
электрондар мен атомдардың массаларының айырмашылығы үлкен болғандықтан
эффективті емес. Инертті газдарда серпімсіз соқтығысу нәтижесінде
электрондарың жоғалтуы бірінші потенциальдық қозуына сәйкес, мысалы,
аргонда - 15 эВ. Электрондар разрядтың электр өрісінде бұндай энергины алу
үшін берілген қашықтықты жүріп өту қажет. Бұл сипатталған периодтық
құрылымның құрылуына әкеледі, яғни тұтас бағанды разряттың стратталу
процесі пайда болады. Электрондардың кеңістіктегі тербеліс энергиясы
электр өрісінің периодтық таралуы және зарядталған бөлшектердің тығыздығы
сияқты болады. Бірақ әртүрлі физикалық шамалардың (электрондардың
тығыздығы, терпературалары, орташа энергиялары) таралуының максимумдары бір-
біріне ұқсамайды. Бағытына қарай бірінші максимум электрондардың
қозғалысына қарай электрлік өріс, оның артынан электрондардың энергиясының
максимумы, содан кейін электрондардың тығыздығының максимумдары анықталады.
Стратта тозаңды бөлшектердің орнығуы үшін электрлік күш пен ауырлық
күшінің теңдігі орындалу қажет, яғни тозаңды бөлшектердің осы теңдіктен
ауытқуы бөлшектердің орнығуына мейлінше әсер етеді. Ауырлық күші разрядтың
барлық облыстарында бірдей болатындықтан күштердің теңдігі (тұрақтылығы)
разрядтың катод жағындағы үлкен болатын электрлік күштің өзгерісіне
байланысты болады. Онда бұл шарттар міндетті түрде страттарда орындалады
және бұны 8 - 9 суреттерде анық көруге болады.
Көбінесе инертті газдардағы страттар жиілігі бірден ондаған кГц
толқындар ретінде таралады. Берілген қондырғыдағы страттың пайда болуы
газдың 10-4 торр қысымы кезінде жүзеге асады [13].

Сурет 8 – Эксперементтік қондырғылағы солғын разрядтағы тұрақталған
страттардың жүруі, А – анод, К – катод [13]

Cурет 9 - Солғын разрядтағы тұрақталған страттардың жүруінің сұлбасы [13]

Тозаң плазмаға толығымен енген кезде электрондарды өзіне тарту
әсерінен олар зарядталады (толығымен келесі параграфте түсіндіріледі).
Жоғарыда айтылғандай бұл бөлшектерге басты екі күш әсер етеді, бұлар
жоғарыда айтылғандай тартылыс күші және электр өрісінің күші. Осы күштер
бір-бірін теңестіру арқасында тозаңды бөлшектер төменгі электродқа құламай
әр түрлі құрлымдар құрап плазмада, яғни страттарда қалықтап тұрады.
Егер осы екі күш белгілі болатын болса, онда тозаңды бөлшектердің
зарядын табуға болады.
, (9)

бұнда - электр күші, - тартылыс күші. Өз кезегінде ,
бұндағы - тозаңды бөлшектердің заряды, - жергілікті электр
өрісі, яғни бұл тозаңды бөлшектер тұрған жердегі өріс, ал бұндағы
- тозаңды бөлшектердің массасы, - еркін түсу удеуі. Осы шамаларды
жоғарыдағы формулаға қойып, төмендегіні аламыз:

, (10)

болғандықтан, бұндағы - элементарлы заряд, ал - зарядтық
сан, түпкілікті нәтиже мына түрде болады:

. (11)
. (12)

Бұл жерде басты мақсат жергілікті электр өрісін табу болып отыр
. Төменде көрсетілгендей ол страт жарықтарының аксиалды таралуының
газоразрядты түтікше бойының интенсивтілікке қатынасынан табуға болады.

3.2 Плазмадағы тозаңды бөлшектердің зарядталуы

Плазмадағы тозаңды бөлшектердің электрлік зарядының пайда болуына
алып келетін әр түрлі процестер бар (сурет 10). Егер жіктеп қарастыратын
болсақ бөлшектер фотоэмиссия немесе екінші электрондық эмиссия әсерінен,
сонымен қатар бөлшектер сыртқы радиация көзінен немесе бөлшек материалының
радиоактивті болу себебінен жүзеге асады.

Cурет 10 - Тозаңды бөлшектердің плазмада зарядталуының мүмкін болатын
механизмдері [14]

а – термоэмиссия,
ә - ядролық қоздыру,
б – электрондардың жұтылуы (жабысуы),
в – фотоэмиссия.

3.3 Тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясы

Қос корреляциялық функция бір - бірінен r - қашықтықта орналасқан екі
бөлшектің ықтималдығымен анықталады (сурет 11). Сондықтан, тәжірибеде
алынған нәтижелермен қос корреляциялық функция тұрғызу әдісі төменде
көрсетілген. Кеңістікте орналасқан әрбір бөлшектің айналасы шеңбер dr-
қабатқа бөлінеді, және сол қабаттағы dN - бөлшектер санымен есептеледі.
Алынатын нәтиже барлық бөлшектер конфигурациясының орташа мәнімен
анықталады. Әрбір конфигурация жеке бір кадірге сәйкес келеді және
бөлшектердің радиал таралу функциясы төменгі формуламен есептеледі:

, (13)

- тозаңды бөлшектердін горизонталь (вертикаль) қимасының
концентрациясы;
- шеңбер қабаттағы орташа бөлшектер саны.
Корреляциялық функцияның ауытқуы алынған статистиканың шамасына
тәуелді. Қарастырылып отырған тәжірибеде ол шамамен 5% - ын құрайды. Бұл
мән бөлшектер санын анықтағандағы және g(r) ауданды анықтағандағы
ауытқумен сипатталады. Қос корреляциялық функцияны анықтау 12 - суретте
көрсетілген[10].
Плазмалық - тозаңды құрылымның кристалдануын анықтаудың бірнеше
шарттары бар :
1) Қос корреляциялық функцияға қатысты периодтық тербелістің бар
болуы.
2) Қос корреляциялық функцияның бірінші минимумы мен бірінші
максимумының қатынасы 0,2 болу керек.
3) Бірінші максимумның биіктігі 2,7 болу керек.

Сурет 11 - Кристалл тозаңды құрылымның қос корреляциялық функциясының
таралуын анықтау кезіндегі суреті [13]

Төменде көрсетілген суреттерде (12, 13) разрядттың әртүрлі қысымында
және тоқ тұрақты болған кездегі тозаңды бөлшектер құрылымдарының көлденең
қимасың қос корреляциялық функциясы есептеліп алынған. Нәтижелері (12, 13)
суреттердің астында көрсетілген

Сурет 12 - Солғын разрядтағы тозаңды бөлшектердің корреляциялық функциясы
мен горизонталь түсірілген суреті. Аргон газы, қысымы р = 0,05 торр, ток
разряды І = 1 мА және тозаңды бөлшек ретінде Al2O3 алынған [15]

Сурет 13 - Солғын разрядтағы тозаңды бөлшектердің корреляциялық функциясы
мен горизонталь түсірілген. Аргон газы, қысымы р = 0,2 торр және ток
разряды І = 1 мА және тозаңды бөлшек ретінде Al2O3 алынған [15]

4 ПЛАЗМАНЫ ТЕХНОЛОГИЯЛАРДА ҚОЛДАНУ

4.1 Токамак

Токамак (тороидальды камера магнитты катушкамен) – БТС – ді жүзеге
асыру үшін плазманы магнаит өрісімен ұстап тұратын тороидальды құрылғы.
Плазманы ұстап тұру үшін токамактың қабырғаларымен емес оған арнайы
магнаит өрісн тудырады. Магнаит өрісн плазманы ұстап тұру үшін қолданатын
басқа құрылғылармен салыстырғанда токамакта плазма арқылы өтетін электр
тогын қолданады. Ол плазманы қыздырып, сығып, бірқалыпта ұстап тұру үшін
керекті полоидальды өрісті тудырады.
Плазма тұрақсыз болғандықтан токамак құрылғысы толық жасалып біткен
жоқ және де ол қымбат тұратын әрі күрделі құрылғы (сурет 14).

Сурет 14 – Токама́ктың ішкі құрылысы [16]

Токама́кта ең алдымен вакумдық камерадан ауаны сорып алып орнына
дейтери және трити қоспасын құяды. Содан соң индуктордың көмегімен құиын
тәріздес электор өрісін тудырады. Индуктор үлкен трансформатордың ең
алғашқы орамасы ал токама́к камерасының ішіедегі екінші орамасы. Электр
өрісі камерада ток ағысын тудырып нәтижесінде камерада плазма жанады.
Плазма арқылы өтіп жатқан ток екі жұмыс атқарады:
1) Плазманы қыздырады
2) Өзінің сыртынан магнит өрісін тудырады. Бұл магнит өрісін
полоидальды деп атайды.

4.2 Басқарылатын термоядролық синтез

Қазіргі заманда ең басты мәселелердің бірі болып энергия көзі болып
табылады. Олар қалпына келетін (күн энергиясы, ағаштар, жел, су ағыстары
т.б) қалпына келмейтін болып (көмір, мұнай, газ, уран т.б) бөлінеді.
Қазіргі таңда көбінесе қалпына келмейтін энергия көзі қолданады. Бірақ
шексіз болатын энергия көзі бар. Ол су, толығырақ айтсақ судағы сутгінің
0,002% пайызы. Сутегідегі ауыр изотоп – деитерииосы ролды атқарады
(сурет 15, 16).
Бұл жерде энергия деитериидің екі атомының бірігуінен бөлініп шығады.
Мысалыға бір литр судағы деитерииден шығатын энергия жуық шамамен үш жүз
литр жанармаймен (бензин) тең. Басқарылатын термоядролық синтездің басты
мәселесі осы энергияны алу болып табылады.
Басқарылатын термоядролық синтез (БТС) –ауыр атомдарды ыдыратып,
жеңіл атомдарды синтездеу арқылы энергия алу болып табылады. БТС –
жарылатын термоядролық синтезден айырмашылығы БТС – ді басқаруға болады.
БТС – ның ядеролық энергмядан айырмашылығы БТС – де ыдырау реакциясын
қолданады. Соның нәтижесінде ауыр атомдар ыдырап жеңіл атомдар пайда
болады. Дейтерий және тритийді БТС – ді жұзеге асыру мақсатында
ядролық реакцияға қолдану жоспарлануда.

Сурет 15 - Әр түрлі қоспа графигі. қимасы энергияға тәуелді(а),
температураға тәуелді реакция жылдамдығы (б) [16]
Сурет 15 - те көрініп тұрғандай үлкен қиманы D-T қоспасы алып тұр. D-
T қимасы D-D қимасынан қарағанда та өсті. Сол себепті D-T қоспасы
термоядролық реакторда ең ыңғайлы қоспа болып тұр.
Реакторда әртүрлі жылдамдықпен қозғалатын бөлшектер болатындықтан
есептеу кезінде маңызды болып реакция жылдамдығы болып табылады.
Дейтерий + тритий реакциясы (қоспа D-T). Ең оңай жасалатын реакция.
17,6 МэВ (мегаэлектронвольт) энергия шыққанда реакция жүреді. Мұндай
реакциялар ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.