Плазмадағы тозаңды бөлшектердің зарядталуы
МАЗМҰНЫ
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . .. 4
1 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДАҒЫ ЭЛЕМЕНТАР ПРОЦЕССТЕР ... ... ... ... .. 6
1.1 Плазмадағы тозаңды бөлшектердің зарядталуы ... ... ... ... ... . 6
1.2 Тозаңды плазманың идеал болмауы ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
1.3 Плазмадағы зарядталған бөлшектерге әсер ететін күштер ф
және олардың өзара әрекеттесуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 10
2 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДА СҰЙЫҚ КРИСТАЛЛ ЖӘНЕ КРИСТАЛДЫ ҚҰРЛЫМДАРДЫҢ ПАЙДА
БОЛУ МЕХАНИЗМІ ТУРАЛЫ ҚЫСҚАША ТҮСІНІК ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ..
14
2.1 Термиялық плазмадағы кеңістктік тозаңды құрылым ... ... ... .. 17
2.2 Микрогравитация жағдайында ультракүлгінмен зарядталу кезінде
пайда болатын плазмалы-тозаңды құрылым ... ... ... ... ... 22
2.3 Радиожилікті разрядтағы плазмалы-тозаңды кристалл ... ... ... 25
2.4 Плазмадағы тозаңды кластерлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
3 ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32
3.1 Тозаңды плазманың қасиеттерін зерттеуге арналған зертханалық
қондырғы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 32
3.2 Тозаңды плазмадағы фазалық ауысулар ... ... ... ... ... ... ... ... 34
3.3 Плазмадағы тозаңды түзілімнің құрылымдық қасиеттері ... ... . 38
3.4 Тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясы ... ... ... 46
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 55
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... ... .. 56
ҚОСЫМШАЛАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .. 58
Көлемі 60 беттен тұратын дипломдық жұмыстың құрамына 33 сурет, 26
қолданылған әдебиеттер тізімі кіреді.
Негізгі ұғымдар: тозаңды плазма, плазмалы тозаңды құрылым, құрылымдық
қасиеттер, қосалқы корреляциялық функция.
Зерттеу обектісі: табиғатта көп таралған (аспан кеңістігінің көп
бөлігінде, шамамен 90%) яғни, планета сақиналары, кометалар құйрықтарында,
планета аралық бұлттар, ғарыштық аппараттардың маңында сонымен қатар плазма
магниттік толқындармен ұсталатын термоядерлік және микросхемаларды өңдеу
сияқты технологиялық құрылғыларда кездесетін плазмалы тозаңды құрылымдардар
болып табылады.
Жұмыстың мақсаты: тозаңды плазмада болатын фазалық ауысулар процессін
тәжірибеде зерттеу.
Алға қойылған мақсатқа жету үшін төменде көрсетілген тапсырмаларды
орындау керек болды:
1. Тозаңды плазма қасиеттерін зерттеуге арналған тәжірибелік
қондырғы жұмысымен жіті танысу және онымен жұмыс істеп үйрену.
2. Разрядтың әр түрлі мәндерінде (газ түрі және қысымы, разряд
тогы) плазмалы-тозаңды құрылымдарды видеоға түсіру.
3. Плазмалы-тозаңды түзілімдердің құрылымдық қасиеттерін анықтау
барысында тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясының
таралуын алу.
Зерттеу әдісі: Газдық разрядтағы плазмалы тозаңды түзілімдер
қарапайым видеокамера (25 кадрcек.) көмегімен түсіріледі. Алынған
нәтижелер дербес компьютерде арнайы программалар көмегімен есептелініп
шығарылады.
КІРІСПЕ
Тозаңды (комплексті) плазма деп құрамында электрондар, иондар,
нейтрал атомдар сонымен қатар теріс немесе оң зарядталған қатты дененің
микронды өлшеміндегі 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 плазманы зертханалық 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.
Ең бастысы тозаң мен тозаңды плазма табиғатта өте үлкен көлемде
тараған (планеталардың сақиналарында, кометалардаң құйрығында,
планетааралық бұлттарда). Және де тозаңды плазма жасанда жер серігінің және
ғарыштық аппараттардың маңынан, магниттік өріспен ұсталатын термоядролық
қондырғыларда байқалған. Тіпті біздің әлемнің, яғни планеталар,
жұлдыздардың пайда болуы осы тозаңды плазманың ерекше қасиеттеріне
байланысты деген болжам бар.
Тозаңды плазманың осындай процестерін анықтау үшін алдымен онда болып
жатқан тозаңды бөлшектердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу маңызды.
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.
Тозаңды-плазмалы кристалды, оның ерекше сипатына байланысты заттың
бесінші агрегаттық күйі деп қарастыруға болады. Зат бір күйден екінші бір
күйге өту үшін оны қыздыру керек және осы кезде оның құрылымы бұзылады,
мысалы мұздан суға ауысу. Ал плазма (заттың төртінші күйі) жоғары
температуралы, және жүйе бейберекет, осы себептен ол жерде қандай да бір
реттелген құрылымды жүйені алу мүмкін емес дейтін. Бірақ плазманы қатыруға
болады (Вигнер, Ландау, Зельдович), деген ұсыныстар болатын, ол қалай
жүзеге асады? Бұл сұраққа жауапты тозаңды плазмадан алуға болады.
Бұл жұмыс тозаңды плазмада болатын құбылыстарды зертханалық жағдайда
зерттеп, түсіндірілмелер беруге арналған. Дәлірек айтатын болсақ, бұл
жұмыста макроскопиялық зарядталған бөлшектерден тұратын төменгі
температуралы плазмада пайда болатын (жоғары жиілікті көлемдік разряд) -
тозаңды плазманың қасиеттері қарастырылады. Тозаңды плазмадағы негізгі
элементар процестер мен плазмадағы бөлшектерге әсер етуші күштер талдауға
алынады. Төменгі температуралы плазмадағы тозаңды түзілімнің әр түрлі –
газ, сұйық және кристалл типтес фазаларын тәжірибеде және теориялық түрде
зерттеу нәтижелері келтіріледі. Сонымен бірге бұл жұмыста тозаңды
түзілімнің орта параметрлеріне тәуелді болатын құрылым, түрін көрсететін
қос корреляциялық функиялары анықталған.
Жұмыстың негізгі мақсаты: тозаңды плазмада болатын фазалық ауысулар
процессін тәжірибеде зерттеу.
Осы мақсатқа қол жеткізу үшін келесі тапсырмаларды орындау қажет
болды:
1. Тозаңды плазма қасиеттерін зерттеуге арналған тәжірибелік
қондырғы жұмысымен жіті танысу және онымен жұмыс істеп үйрену.
2. Разрядтың әр түрлі мәндерінде (газ түрі және қысымы, разряд
тогы) плазмалы-тозаңды құрылымдарды видеоға түсіру.
3. Плазмалы-тозаңды түзілімдердің құрылымдық қасиеттерін анықтау
барысында тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясының
таралуын алу.
Бұл алынған нәтижелер экспериментальдық физика мен тозаңды плазма
орын алатын инженерлік техникалар мен технологиялардың (жұқа үлдір және
микро-, нанобөлшектер өндірісінінде, магниттік толқындармен ұсталатын
термоядролық қондырғыларда) есептеулерінде қолданылуы әбден мүмкін.
1 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДАҒЫ ЭЛЕМЕНТАР ПРОЦЕСТЕР
1.1 Плазмадағы тозаңды бөлшектердің зарядталуы
Тозаң плазмаға толығымен енген кезде электрондарды өзіне тарту
әсерінен олар зарядталады, осы кезде бұл зарядталған бөлшектерге басты екі
күш әсер етеді, бұлар бүкіл әлемдік тартылыс күші және электр өрісінің
күші. Осы күштер бір-бірін теңестіру әсерінен тозаңды бөлшектер төменгі
электродқа құламай әр түрлі құрлымдар құрап, плазмада, яғни электрод маңайы
қабатында қалықтап тұрады. Осылайша разрядтың қолайлы шарттарында олар сан-
алуан түзілімдер құрады. Солардың бірі cурет 1.2 (түзілімнің тік бағыттағы
қимасы) және cурет 1.3 (түзілімнің көлденен бағыттағы қимасы) суреттерде
көрсетілген, олар туралы толығырақ сәл кейін жазылады.
Егер жоғарыда айтылған екі күш белгілі болатын болса, онда тозаңды
бөлшектердің зарядын табуға болады. Ол төмендегідей күйде болады:
, (1)
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
(1) формулаға қойып, төмендегіні аламыз:
, (2)
q=eZ болғандықтан, бұндағы - элементарлы заряд, ал - зарядтық
сан, түпкілікті нәтиже мына түрде болады:
, (3)
яғни плазмадағы бөлшек заряды төмендегідей анықталады.
. (4)
Плазмадағы тозаңды бөлшектердің электрлік зарядының пайда болуына
алып келетін әр түрлі процестер бар. 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. сурет 1.1-де тозаңды бөлшектердің
зарядталуының бірнеше механизмдері көрсетілген.
Cурет 1.1 - Тозаңды бөлшектердің плазмада зарядталуының мүмкін болатын
механизмдері. а - электрондардың жұтылуы (жабысуы), ә - фотоэмиссия, б -
термоэмиссия, в - ядролық қоздыру.
Cурет 1.2 - Диаметрі 2- 6 мкм болатын - ның полидисперсті
бөлшектерінің реттелген құрылымының көлденең қимасы
Cурет 1.3 - - ның полидисперсті бөлшектерінің кристалл құрылымының
горизанталь қимасы
1.2 Тозаңды плазманың идеал болмауы
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
Г = , (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 масштаптар ретінде системаның
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 үшінүлкен, =n 1, сондықтан,
электрондар және иондар кішірек жүйелер идеалды толық 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 және
өзара изотропты экрандалған кулондық потенциал арқылы әрекеттеседі (Дебай-
Хюккель немесе Юкава потенциалы)
U= . (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.
1.3 Плазмадағы тозаңды бөлшектерге әсер ететін негізгі күштер
Плазмадағы тозаңды бөлшектерге әсер ететін негізгі күштер электр
зарядымен байланыспаған күштер (гравитациялық күш, бейтараптармен тежелу
күш, термофоритті күш) және бөлшекте электр зарядының бар болуымен
байланысты күштер болып бөлінеді.
Гравитациялық күш (ауырлық күш) мына өрнекпен анықталады
. (9)
мұндағы g - еркін түсу үдеуі. Гравитациялық күш бөлшектің көлеміне
пропорционал Fg~а3
Қозғалыстағы бөлшекке қоршаған орта тарапынан кедергі күш әсер етеді.
Әлсіз иондалған плазма жағдайында кедергі күшіне негізгі үлесті бейтарап
құраушы қосады. Тозаңды бөлшектердің жылдамдығы әдетте бейтарап атомдар мен
молекулалардың жылулық жылдамдығынан әлдеқайда аз болғандықтан, кедергі күш
көп жағдайларда бөлшектер жылдамдығына пропоционал. Кнудсен Кп санының
шамасымен анықталатын екі режимді айыра білу керек бейтарап газ атомдары
немесе молекулалардың еркін жүру ұзындығының бөлшектің сипаттамалы өлшеміне
қатынасы, .Кп1 шарты орындалатын режим гидродинамикалық деп
аталады. Бұл шекте кедергі күші Стокc формуласымен анықталады.
, (10)
мұндағы (- бейтарап газдың тұтқырлығы, ал и- газбен салыстырғанда бөлшек
қозғалысының жылдамдығы. Минус таңбасы салыстырмалы жылдамдық векторына
қарама-қарсы бағытта әсер ететін күш екенін білдіреді. Әдетте еркін
молекулалы режим деп аталатын Кп 1 орындалатын кері шекті жағдай,
бөлшектердің өте аз салыстырмалы жылдамдықтарында (иТп) кедергі күші
мына түрде жазылады
, (11)
мұндағы пп және Тп - сәйкесінше бейтараптар (нейтралдар) концентрациясы мен
температурасы, - бірінші ретті коэффицент. Ол нейтралдардың бөлшектер
бетімен әрекеттесу ерекшеліктері. Мысалы, осылайша соқтығысқан кезде
бөлшектің бетінен нейтралдардың толық жұтылу немесе айналы шағылысу кезінде
=1, ал толық аккомодация жағдайында = 1+ 8. Үлкен
жылдамдықтарда (иТп) кедергі күші салыстырмалы жылдамдықтың
квадратына пропорционал:
, (12)
мұндағы тп - нейтралдар массасы. Келтірілген өрнектер әуел баста бейтарап
газдағы зарядталмаған бөлшектер үшін алынған еді. Сол арқылы тозаңды
бөлшектің айналасындағы біртекті емес электр өрісінің бар болуымен
байланысты поляризациялы әрекеттесу ескерілмеді. Бірақ поляризациялық
әрекеттесу радиусы тозаңды бөлшектердің өлшемінен әлдеқайда аз, сондықтан
көп жағдайларда түзетулер ескерусіз аз.
Әдетте тозаңды плазмада өрнек орындалатын жағдайлар жүзеге асады.
Әдетте тежелу күшін мына түрде F=-mddnu көрсету ыңғайлы, және
де dn жиілігі тозаң бөлшектерінің бейтараптармен соқтығысу кезіндегі
импульс беруінің эффективті (тиімді) жиілігін нақтайды.
Плазмада электр өрісінің кернеулігі Е - бар кезде зарядталған
бөлшекке мына күш әсер етеді
, (13)
Эффективті (тиімді) өріс шамасы енгізуге болады
. (14)
Сонда . - үлкен шамасы Е - мен салыстырғанда сыртқы электр
өрісімен индуцияланған тозаңды бөлшектің айналасында плазма
поляризациясымен байланысты. Плазманың поляризациялануы сондай-ақ тозаңды
бөлшекте дипольді моменттің пайда болуына алып келеді.
Егер сыртқы күш біртекті болмаса, онда мұндай дипольге мынандай күш
әсер етеді
. (15)
Тозаңды плазма үшін кезінде электростатты күшөрнегімен, ал
дипольдық момент р а3E өрнегімен берілетін шарттар тән. Дипольдық
моментінің аздығына байланысты, Ғdp - дипольдық күшін Ғе - қарағанда
ескермеуге болады. Сондай-ақ иондық ағынның қатысуымен біртекті емес
плазмадағы электростатикалық күшті есептеуге арналған. Оларда плазма
зарядтарының тығыздық градиентіне немесе ионды ағын жылдамдығына тәуелді
және кему жағына бағытталған сәйкес Дебай ұзындығына пропорционал қосымша
құраушы күш көрсетілген.
Тозаңды бөлшектерге қатысты иондардың жылдамдығы немесе
электрондардың бағытталған қозғалысы болған кезде плазмалық бөлшектердің
қозғалыс бағытында әсер ететін күш пайда болады. Ол плазмалық бөлшектерден
тозаңдарға импульс беруге негізделген. Иондар массасының үлкен болуына
байланысты, олармен байланысты эффект басым болады. Берілген күш (иондық
әуестенудің) екі қосылғыштың суммасы түрінде келтірілуі мүмкін, олардың
біріншісі иондардың бөлшектермен серпімсіз соқтығыс кезіндегі (жұтылуда)
импульсті берумен анықталады, ал екіншісі серпімді соқтығыстағы импульсті
берумен және қозғалыс бағытының өзгеруімен анықталады (бөлшектегі иондардың
зарядының шашырауында).
Тозаңды бөлшектер арасындағы әрекеттесу потенциалы ваккумдағы
зарядталған бөлшектер арасындағы кулондық әрекеттесу потенциалынан
ерекшеленеді. Төменде көрсетілетіндей, тозаңды бөлшектердың әрекеттесу
потенциалы бөлшектер арасындағы электростатикалық әрекеттесумен ғана
анықталып қоймайды. Зарядтардың тұрақсыздығы және төменде талқыланатын
бірқатар топтамалы эффектер осы ерекшелікке жауапты. "Топтамалы әрекеттесу"
тозаңды құраушының кейбір критикалық концентрациясында түзілетін аттас
зарядтардың тартылуына алып келеді. Төменгі концентрацияларда зарядталған
бөлшектердің арасындағы әрекеттесу, олардың экрандалу мен зарядталуы
оқшауланған бөлшектердың жуықтауларында есептелуі мүмкін. Бұл жағдайда
бөлшектер арасындағы электростатикалы әрекеттесу сыналатын бөлшекті
қоршайтын плазмадағы электростатикалық потенциалдың таралуы белгілі
болғанда анықталады. Zd тұрақты заряды бар кейбір бөлшекке әсер ететін
электростатикалы күштің абсолютті шамасын онда мына түрде көрсетуге болады
Ғdе = - dUel(r)dr, мұндағы
Uе1 (r) = Zd e (r) ,
(16)
осылайша плазмадағы потенциалдың таралуын білу r аз арақашықтарда
изотропты плазмада оқшауланған сфералық бөлшектің потенциалы таза кулондық
болып табылады: r~кезінде маңызды ролді экрандалу ойнайды және
Дебай-Хюккель потенциалын жиі қолдануға болады, және де ақырында бірнеше
Дебай ұзындығынан үлкен арақашықтықтарда потенциал дәрежелік асимптотикаға
шығады . Осылайша, -дан біршама үлкен арақашықтықтарда экрандалған
кулондық түрдегі әрекеттесу потенциалын қолдану орынды:
Uel (r) = . (17)
r ln(a)(3-5) қашықтықтары үшін жұтылатын
бөлшектің айналасында плазманың жылдамдықтар бойынша анизотропты таралумен
байланысты алыстан әсер ететін тебу орын алады. Әрекеттесу потенциалының
асимптотикасы мына түрде болады
. (18)
2 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДА СҰЙЫҚ КРИСТАЛЛ ЖӘНЕ КРИСТАЛДЫ ҚҰРЛЫМДАРДЫҢ ПАЙДА
БОЛЫУ МЕХАНИЗМІ ТУРАЛЫ ҚЫСҚАША ТҮСІНІК
Тозаңды бөлшектер плазманың құрамына тек әдейі енгізіліп қана қоймай,
сонымен қатар әр түрлі процестердің нәтижесінде ерікті түрде де түзілуі
мүмкін.
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 жүзеге асады. Бірақ макробөлшек-тердің
концентрациясы электрондар мен иондардың концентрациясынан әл-деқайда
төмен. Соның нәтижесінде тозаңды бөлшектер жүйесінде ең жақын реттелуі
тіпті кристалданудың пайда болуы мүмкін.
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.
Осы байқалған қызықты процестерге байланысты көп ғалымдар осы салаға
өз қызығушылықтарын таныта бастады. Бұл қызығушылық технологиялық плазмада
тозаңды бөлшектердің болуы жартылай өткізгіштің бетінің шаңдануы және
сонымен қатар дефектті (ақау)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, тасмалдану механизмі мен разряд құрамына қалай әсер
ететіндігін білмей мүмкін емес болды. Осы бағыта жасалған қадамдар
арқасында 90 – жылдардың орта тұсында көптеген теориялық зерттеулер
экспериментте расталды. Бұл эксперименттер шамаман бір уақытта екі
лабораторияда жасалды: Тайванда және Германияда. 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 шамамен 10000 электрон зарядына тең болған, және
гексоганальды кристалдық түзілім құратындығын көрсетті.
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 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.
Енді осы ғылыми жұмыс тозаңды плазмада болатын құбылыстарды
зертханалық жағдайда зерттеп, түсіндірілмелер беруге арналған. Дәлірек
айтатын болсақ, бұл жұмыста макроскопиялық зарядталған бөлшектерден тұратын
төменгі температуралы плазмада пайда болатын (жоғары жиілікті көлемдік
разряд) - тозаңды плазманың қасиеттері қарастырылады. Тозаңды плазмадағы
негізгі элементар процестер мен плазмадағы бөлшектерге әсер етуші күштер
талдауға алынады. Төменгі температуралы плазмадағы тозаңды түзілімнің әр
түрлі – газ, сұйық және кристалл типтес фазаларын тәжірибеде және теориялық
түрде зерттеу нәтижелері келтіріледі. Тозаңды түзілімнің геометриялық
өлшемдері магнит өрісіндегі қозғалысы және ондағы бөлшектердің
жылдамдықтары, траекториялары, өзара әсерлесулері зерттеледі. Сонымен
бірге бұл жұмыста тозаңды түзілімнің орта параметрлеріне (ток, қысым)
тәуелді болатын құрылым, түрін көрсететін қос корреляциялық функиялары
анықталған.
Бұл алынған нәтижелер экспериментальдық физика мен тозаңды плазма
орын алатын инженерлік техникалар мен технологиялардың (жұқа пленка және
микро-, нанобөлшектер өндірісінінде, магниттік толқындармен ұсталатын
термоядролық қондырғыларда) есептеулерінде қолданылуы әбден мүмкін.
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,
соқпа толқындар, Маха конустары).
Жоғарыда айтылғандай, тозаңды плазма дегеніміз құрамында өлшемдері
1 -100 мкм болатын макроболшектері бар плазманы айтады. Қазір тозаңды
плазма лабораториялық жағдайда өте қаркынды түрде зерттелуде. Тозаңды
бөлшектер плазманың құрамына кіріп қана қоймай, әртүрлі процестердің
нәтижесінде өздігінен түрлі құрылымдар түзеді.
Бөлшектер тозаңды плазмада немесе тозаңды бөлшек қосылған плазма
электрон және ион ағындарымен зарядталуы мүмкін,сондай-ақ фото ,термо
немесе екілік электронды эмиссиямен зарядталуыда мүмкін.
Электрондардың эмиссиясы электрлік бөлшек зарядтарының оң бағытқа
алып келеді, сонымен қоса газдағы электронның концентрациясы өседі. Егер
бөлшектер электрондарды ұстап тұрса, онда оның зарядтары теріс болып және
кері эффекті пайда болып электронның концентрациясы төмендейді .Тозаңды
бөлшектердің өлшемдернің үлкейуі барысында олардың Zd заряды үлкен болуы
мүмкін нәтижесіде орта кулондық энергия бөлшектер әрекеттесуінен Z d2- ден
тәуелді және орташа жылулық энергиясы үлкен болуы мүмкін, осы кезде идеал
емес плазма пайда болады,ондағы көп зарядты ауыр молдар зарядталған тозаңды
плазыманың ролін атқарады, осындай плазыманың теоротиеалық есептеулер
нәтижесінде қандайда бір шарт кезінде бөлшектердің қатты электростатикалық
әрекеттесуі жене азғантай энергия және оның жылулық қозғалысы фазадан сұйық
қатты күйне фазалық ауысуы пайда болады. Электндар мен молдар осыған
қарамстан идеал газ болып қала береді және дебайлылық плазымадада
өзгермейді.
Қарапайым атомаралық сұйықтық немесе қатты денеге қарағанда тозаңды
бөлшектер жарықтың тиімді шашырауына қарағанда үлкен болады және олар жеке
видеокамералар арқылы бақыланады және тікелей көзбен де көруге болады,
осындай кристалдық құрлым плазымада зарядталған тозаңды плазма құрады және
олар кулондық немесе плазмалық кристал деген атқа ие болады.
Бұрынғы эксперименттік кристалдық құрылымда зарядталған бөлшектерің
темір және алюминийдің микро өлшемдік жүйесі ауысулары ұстап тұрады және
статикалық электрон өрісіде бақыланады.
Электрон энергиясы осындай плазмада бірнеше электрон вольтқа ие
болады, ал иондардың энергиясы жылулық энергия атомына жақын(0,03).
Тозаңды бөлшектердің зарядында эмиссонды процестер жоқ болған кезде олар
теріс болады. Ол нейтрон тозаңды бөлшектер плазмада электрондар мен
иондардың ағынының бағытына тәуелді. Егер электрондар бөлшектерінің беткі
қабатында жұтылса, сол бетке ұшып келген иондар электронды жұлып алып
рекомбинацияға түседі. Электрондардың жоғары шекті қозғалысы кезінде
олардың ағыны иондар ағынынан асып кетеді және бөлшектер теріс зарядталып,
электрондардың кері итеруіне және иондардың тартылуына алып келеді. Бөлшек
заряды электрондар мен иондар ағыны теңеспейінше өзгеріп тұрады.
Тозаңды бөлшектерге жоғары жиілікті разтарядты пайдаланып эксперимент
жасаған кезде теріс зарядқа ие болып өлшемі өседі(~104-105 элементар
заряд).
Бөлшек бұлты қатты электронд бетіне жақын болып келеді де теріс
потенциялға жақын болады, онда гравитациялық және электростатикалық күштер
тепе теңдікке ие болады. Бұл диаметрі азғантай cм болғанда бөлшектер тік
бағытталады, ал бөлшектер арақашықтығы бірнеше микрон. Кейінгі
эксперименттерде созылмасы үш өлшемді құрлымды көлемі квазибейтарап плазма
алынады, сондай-ақ әр түрлі заряд механизімі тозаңды бөлшектер-де, терма
және фото эмиссияда қарастырылады.
Ал, квазанейттралды шартта құрлымының ~17000K температурада термиялық
плазымада және атмосфералық қысымда бақыланды. Үш өлшемді кристалдық
құрылымы алынып және солғын заряды тұрақты тоқта қарасты-рылады. Сондай-ақ
плазмада оның жұтылуы, тозаңды заряды бөлшектер ультракүлгін әсеріне
құрылып шашырауы қарастырылады.
2.1 Термиялық плазмадағы кеңістктік құрылым
Термиялық плазмада төмен температуралы плазманы сипаттайды. Бұл кезде
электрондардың, иондардың және нейтрал бөлшектердің температурасы бірдей.
Плазма ағынында церий диоксидінің (Се) бөлшектерін өлшеген. Плазманың
температурасы 1700-2000k аралықта жатады, ол қысым атмосфералық церий
диоксидінің өзінддік ерекшелгі – термоэлектрондардың беттен шығу жұмысының
төмен болыуы (~2,75%). Нәтижеде тозаңды плазма плазмадағы электрондар мен
иондардың ағнымен зарядталады.Ол оң зарядталған бөлшектерге алып келуі
мүмкін. Электрондардың концентрацясы –.
Өлшеу нәтижесінде, плазма параметрлернің мынадай мәліметтері алынады:
электрондар мен иондардың оң концентрациясы, температурасы, сонымен қатар
орташа диаметрі және тозаңды плазманың концентрацясы.
Тозаңды плазманың кеңістік құрлымы қос корреляциялық функця g(r)
көмегімен анықталады. Ол берілген r арақашықтықтағы бөлшектерді табу
мүмкіндігн сипаттайды. Оның салдарынан кеңістіктегі бөлшектердің орналасыуы
- хаустық немесе реттелген (сұйық жене кристалдық құрлым ) плазмалық
ағындағы корреляциалық ағынды алыу үшін лазерлі уақыт - аралық есептегіш
қолданлады. Ол жеке бөлшектерді шашрату принципіне негізделген.
Тозаңды плазманың кеңстік құрлымын өлшеу нәтижелері, бөлмелік
температурадағы СеО2 бөлшектері бар, алынған плазманың салыстырылады.
Мұндай жүйе тозаңды бөлшектердің (газ тектес плазма) плазмадағы кездейсоқ
кеңстіктік орын (хаостық) сипаттайды.
Плазмада және бөлмелік температурадағы СеО2 бөлшектері үшін қарапайым
қос корреляциялық функця g(r) суретте 2.1 –де көрсетілген. Тозаңды ағын
үшін корреляциялық функця және плазма үшін Тg =2170K болады,ол тозаңды
бөлшектердің концентрациясы nd=2,0(суретте 2.1 а – да көрсетілген).
Олардың бір-бірнен айрмашылғы жоқ деседе болады. Сондықтанда, плазмадағы
бөлшектер әлсіз әсерлеседі және реттелген құрлымның түзілуі мүмкін емес.
Сурет 2.1 - Тg =1700K және Тg =2170K плазмадағы (Zd =500) және бөлме
температурасы ауа ағысындағы Себөлшектерінің қос корреляциялық
функциясы
Төмен температуралы плазмада (Тg =1700K) және бөлшектердің өте жоғары
концентрациясында (nd =5,0суретте 2.1 б -да көрсетілгендей,
корреляциялық функця сұйық түрге келеді. Плазмадағы ионның концентрациясы
ni ~ электрон концентрациясынан төмен ni ~. Квазинейтрал шартынан
алынған бөлшектің заряды оң және оле тең. Алынған параметрлердің
өлшемдері Гжәне K=1,6 бөлшектердің күшті әсерлесуін тудыралы, яғни
тозаңды плазмадан сұйық құрлым пайда болады. Сондықтан тәжірибедегі әлсіз
құрлымның реттілгі плазманың бар болуының соңғы уақытымен (~7мс) нәтижеде
, процесс соңына дейін аяқтап үлгереді.
2.2 суретте қос корреляциялық функцияның g(r) уақытша эвалюциясы
көрсетілген нақты моменттегі бөлшектердің жағдайын ескере отырып өлшенеді.
2.2 суретте берігендер уақытқа байланысты g(r) орташалау арқылы
табылған. 40 аралықта жүйе стационарлы күйге жетеді. Салыстырмалы
түрде 2 суретте корреляциялық функция көрсетілген. Ол тәжірибеде алыныған.
Сурет 2.2 - Қос корреляциялық функцияның уақытша эволюциясы: қисық сызық –
модельде, үзік сызық – тәжірибеде, құрылу уақыты t=0,7mс(a), 2mс(b), 5mс(c),
7mс(d), 40mс(e).
Бұл процесc өте тез, себебі бөлшектер арасында тебілу күштері күрт
өсіп, ал бөлшектер арақашықтығы азаяды. Одан кейін (сурет 2.2) бірінші
максимумды қос корреляциялық функциясында жарық көріне бастайды .Ары қарай
бірінші максимум уақыт өткен сайын өседі және сол уақытта жоғары тізбекті
құрыла бастайды (сурет 2.2 d). Cтоционарлық күйдегі корреляциялық функция.
Бірінші жарық бейнелеген максимумдармен сипатталады. Сондықтан
жүйенің соңғы күйі жоғары сұйық тәрізді болып келеді.
Құрылу уақытын анықтау үшін оның құрлымын білу қажет. Корреляциялық-
кеңістік масштабына байланысты. Қос корреляциялық функция өзінің соңғы
формасына жақындаған сайын, сонша көп уақыт кетеді. Мысалы зерттеу
барысында бастапқы үш пиктердің құрылуы үшін уақыт қажет. Сондай-ақ
бірінші максимум корреляциялық функция құрылу уақытыда берілсін.
Жалпы алғанда осы уақыт жүйедегі тізбектің пайда болуына қажет уақыт болып
келеді. Есептеу көрсеткендей, қарастырлып отырған шарт үшін
Қарастырлып отырған тәжірибенің негізі болып -уақыттағы
плазманың өмір сүріуі болып табылады. Сандық есептеу нәтижесіне сәйкес
тәжірибе диагностикасы өзіндік құрылу проссесінде болып келеді.Сондықтан
тәжірибеде өлшенген қос корреляциялық функция стационарлық күйге сәйкес
келмейді. Бірақ ,плазманың өмір сүруі жүйеде жақын тізбектің пайда болуына
жеткілікті болып келеді.
Процесс құрлымының құрылу барысы келесі түрде көрсетіледі:
контейнердегі микрон бөлшектерді разрядқа тастаған соң, электродтар
арасындағы бөлшектер зарятталған плазмада тепе-теңдікті ұстап тұрады. Содан
кейін бірнеше минуттан кейін “ұшып кетеді” және құрылғыға келеді және
қанша керек болса ,сонша разряд ұстап тұра алады.
Разрядтың оң бағытына бөлшектің бірнеше түрі енгізіледі және одан
диаметірі 50-60 мкм боро симекатты әйнектен жасалған микросфера полы және
полидиспериялы бөлшек және оның размері 3 - 5 мкм және монодиспериялы
бөлшек меламинформалдегида болады. Оның диаметрі 1.87мкм.
Бөлщектер бұл түрінде страталар ортасында көрінеді. Сонымен қатар,
сол уақытта көрші страталардың ортасында бірнеше бөлшектер бұлттар
көрінеді. Бұлт диаметрі әйнек микросфера үшін 5 - 10 мм болады және ол
AL2O3 бөлшектер үшін 20 мм –ге дейін ұлғаяды.
Бөлшектердің орналасуы 10–20-нан (әйнек микросфера үшін) және
орналасы көп (AL2O3 бөлшектер үшін ) жазық қабат құрады. Тік жазықтықта
бөлшектер тізбек құрады.Олардың ара қашықтығы жазық қабат құрады. Тік
жазықтықта бөлшектер тізбек құрады.Олардың ара қашықтығы 250-400 мкм ,ал
бөлшектер арақашықтығы–350- 600мкм,бөлшектің концентрациясына nd 103-
104 см-3 –не сәйкес келеді Солғын разрядтағы стратадағы тозаңды құрлымның
колделең қимасы сурет 2.3(a) және сурет 2.3(b) тозаңды құрлым үшін қос
корреляциялық функция көрсетілген.
Суретте 2.3a - неон мен сутегі қоспасы разрядындағы (қысым 0.8 тор, ток 1.1
мА) диаметрі 1.87 мкм болатын монодиспериялы меламинформальдегид
бөлшектерінен түзілген плазмалы-тозаңды кристалы. Суретте 2.3b - g(r) қос
корреляциялық функция бөлшегінің құрлысы көрсетілген, ол реттеліп орналасқан
бөлшектерлің өмір сүруін растайды. Яғни құрлым кристалды.
Жақындауын (бірігуін) көрсетеді. Осы кезде тігінен бірккені бірнеше
ондаған сантиметрді құрайды).
Түрленген разряд параметрі (қысым мен тоқ ) бөлшек бұлтының формуласы
арқылы өлшеуге болады .Тоқ разряды мен қысымының тәуелділгі сурет 2.4a,b,c
-де көріп тұрғандай цилиндрлік құрлымды 2 жақын элипстік бұлттардың
жанасуын (бірігуін) көрсетеді, осы кезде тігінен бірккені бірнеше ондаған
сантиметрді құрайды. суретте 2.4d цилиндрлік құрлымдағы тоқ параметрнің
ұлғаюы көрсетілген. Тоқ өзгерісі кезінде кристалдық күй сұйыққа, одан ары
газға айналып ,газда–кристалға “еруі’’ауысымы байқалады.
2.5 сурет - a) 0,3 тор және 0,4 мкА, b) 3,85 тор және 0,3 мкА AL2O3
бөлшектерінен түзілген тозаңды құрылым
Сол сияқты , AL2O3 бөлшегі қысымы 0,3 тор және 0,4 мкА (сурет 2.5)
ток кезінде қос корреляциялық функциясы (сурет 2.6). Алыстан реттелген 4
айқын көрінген максимумдар байқалған ,ол бөлшектің кристалдық құрлымына
сәйкес келеді. Ток 3,9 мА (сурет 2.5 a)-ға дейін өскен кезде плазманың
кристалдық “балқуы’’ және суретте 2.6 в сұйық құрлымның түзілуі
көрсетілген. Осыдан көретіндей, бөлшектер аралғы фазалық ауысым (250 мкм)
өзгеріссіз қалады.
Сурет 2.6 -тік бағыт бойнша AL2O3 бөлшектерінен түзілген плазмалы-тозаңды
құрылымның қос корреляциялқ функциясы. a) 0,1 тор, ток 0,4 мкА b) 0,3 тор,
ток 3,85 мкА
2.2 Микрогравитация жағдайында ультракүлгінмен зарядталу кезінде
пайда болатын плазмалы тозаңды құрылым
Оң заряды бар плазма буферлі газ ағынының фотонда энергиясынан
бөлшектер сәулеленеді. Белгілі бір шартта осындай жүйеде тозаңды кристалдық
құрылым пайда болуы мүмкін. Жұмыс кезіндегі фотоэлектрондарың шығу жұмысы
бөлшек заряды үшін ≤12 эВ болып, 6эВ аспайды, буферлі газды иондатпайды,
оған гемит және аргон жатады.
Айта кететін жағдай,қанық ультракулгін ағынының шашырауы космостық
кеңістікте тозаңды бөлшекті фотоэмиссия есебінен зарядталады, ал тозаңды
бөлшектердің өлшемі бірнеше микрон болып оң зарядтарды ~102-104e
Космостық тәжірибе әйнек ампуламиде жүргізілді,ол неонмен
толтырылған,ондағы сфералық бөлшек бронзылы цезиевтік қаптамалы, қысымды
(0,01 және 40 торр) болып келеді. Экспримент алдында ампула мир станцияның
жанына орнатылады. Бөлшекті жазық лазерлі бума есебінен жарықтандырады,
оның 200ден кем болмайды және видео камера орнатылады. сурет 2.7 -де
космстық эксприменттегі эксперименттік қондырғының суретін көрсетейік.
Сурет 2.7 - космстық тәжрибегі эксперименттік қондырғының схемалық бейнесі
2.7 суретте бөлшектер ампуласының қабырғасына жабысадыда онда
эксперимент келесі түрде жүріледі: жүйеге бірінші динамикалық әсер береді,
кейін шығыс кезінде бөлшектер релаксацияға келеді, 2.8сурет. 40 тор
қысымнан ампуладағы бөлшектер жүйесінің күйі күн сәулесімен
жарықтандырылған.
Сурет 2.8 - жүйеге динамикалық әсерден кейінгі қысым 40 торр болатын
ампуладағы қола бөлшектерінің кезекті бейнесі
Бөлшектері бақылаған кезде бөлшектер қозғалысы басында хаосты ,ары
қарай қозғалыстық бағыттары көрсетіліп, белгілі бір траекториямен
қозғалатын жоғары қысымыда көрсетіледі. Кейбір эксприменттерде бөлшек
траекториясын өңдеген кездегі периодты түрде бөлшек жылдамдығы өзгеріп
отырадыда, келіп түскен қозғалыс есебінен бөлшектер тербеліс жасағаны
бақыланды.
Бөлшек жылдамдығының осылай өзгеру бөлшек зарядының флуктуациясымен
немесе космостық станциядағы микроүдеткіш айналымының динамикалық әсерлесу
есебінен болады.
Келесі қарастыратын жағдай агломераттардың пайда болуы, онда
бөлшектер 3-4-тен бінеше мыңға дейін вариацияланады. Агломераттар өте әлсіз
динамикалық әсерлесу кезінде бірнеше секунд ішінде колбының көлемінде пайда
болады пайда болады,ал күн сәулесінің әсерінен ааааааааааа шашырап кетеді.
Комбының көлеміндегі бөлшектердің агломерациясы бұл бөлшекті әр түрлі
зарядты бөлшектермен жарықтандырғанда жүреді: оң заряд-фотоэлектронар
эмиссия есебінен, теріс заряд-плазымалы электрондардың ағыны есебінен және
т.б.бөлшектің есебінен байланысты.
Тозаңды бөлшектердің динамикалық қозғалысын анализдей отырып, олардың
заряының өлшемін бағалауға болады, ондағы бірлік 104 элементар зарядты
құрайды. Бөлшек зарядының үлкен болуына және әсерлесу параметрлерін
үлкендігіне қарамастан бөлшектер арасындағы мықты корреляцияны анықтай
алмады, себебі бөлшектер сұйық құрылымды құрды.
Cөздің түйінін айтсақ эксприментіміз атмосфералық қысымдағы термиялық
плазма шартына және тұрақты тоқтағы солғын разрядтың тозаңды бөлшектерінің
мықты әрекеттесуінен жасалып, одан көретініміз қандайда бір плазма
параметрі кезінде тозаңды бөлшектің құрылуы, соның ішінде кристалдық
құрылымының пада болуы. Жалпы осы құрылымның пайда болуы электродты қабатта
емес, көлемдік плазыманың квазинейтралды жүйесінде жасалынып жатыр.
Солғын разрядтағы тұрақты тоқта тозаңды бөлшекті микрондарының
левитациялануы әр түрлі құрылымда бақыланады, ол сұйық құрылымынан
кристалдық құрылымға жақын болып,әртүрлі формада және мокробөлшектер
қозғалысының ішкі конвективінен тұруы мүмкін.
Атқарылған тәжірибелер нәтижесінде осы зерттеулердің қызықты күйін
бақылауға болады.
Плазымада тозаңды бөлшектердің құрылымы фундаментальды және
қолданбалы есептеулердің шешімінің құралы болуы мүмкін фундаментальды
есептеулердің ішінде көп компонентті және қатты идеал емес плазма (физика
плазма), теоретикалық түрде кристалл құрлымына жақындап, олардың шешімін
табу. Маңызды шектердің бірі-тор ақауының дисиокациясын анализдеу, ақауы
бар термоинамикалық тор және олардың болмауы,лазерлік сәулесі бар өзара
әсерлесу,тербеліс және құрлымдық түрдегі толқын резонанс құбылысы болып
табылады.
Осындай құбылыстары зерттеу барысында атомаралық және молеку-лалық
кристалдық моделдеуі алынады. Тозаңды бөлшектің фазалық ауысуының шашырауы
конденсация процесіне өз үлесін тигізуі мүмкін.
2.3 Радиожилікті разрядтағы плазмалы тозаңды кристал
1994 плзма–тозаңды кристалы табылғаннан кейін, оны зерттеуді фазалық
ауысулар тозаңды плазмада белсенді дами бастап, әртүрлі зертханада әр түрлі
плазма алу үшін қолданылады. Оған қатысты: жоғары жилікті сиымдылықтағы
разряд, сондай–ақ тұрақты тоқтағы солғын разряд. Термялық плазмадан
алынатын жанатын әр түрлі жағар майлар; ядролық– және фото қоздырлған
плазма. Ары қарай тәжірибеде талқыланып ондағы тозаңды жүйенің қатты идеал
еместігі, және ол фазалық ауысымға әкелгендегі күйі жарық көрінеді.
Тозаңды бөлшектердің көлемі өте үлкен емес және олар кейде электродты
катодта реттеледі, содан негізгі арасындағы тепе–теңдік пайда болады, онда
электростатикалық күш, ауырлық күші және ион ағынының бағыты болып келеді.
Белгілі бір шарттарда бөлшектер қандайда бір құрлым жасайды.
Бөлшектер саны бұндай құрлымда күйде болады, ал қабаттар саны тік
бағытта біріншіден бастап бірнеше мыңғадейін жатады.Сурет 2.9 мысал ретінде
көлделең қилысқан құрлымды бөлшектің суреті көрсетілген, диаметрі–6,9 мкм.
Бұл құрлым жақсы реттелген гексогональды тор құрлады. Сол сиясқты әртүрлі
көлделең қабаттағы бөлшек бірінің артынан бірі орналасады. Сөйтіп кубтық
тор құрады. Бұндай орналасу барысында иондар aғыны кеңістікте фокусталады.
Сурет 2.9 -тозаңдық құрлымның көлделең қима суреті
Осылайша тәжірибелік зертханада ЖЖ–разряд жергілікті жағдайда үш
өлшемді жүйені аламыз.
Плазмалы тозаңды кристал бұндай шарттарды екі өлшемді немесе нақты
2 өлшемді сипатқа ие болады.Ол ауырлық күшіне ие болады. Тозаңды
бөлшектің құрлысы үшін қатты электрлік өріс қажет. Бұндай өрістер тек
элекродты қабатқа жақындағанда алынады. Сыртқы күштер бөлшекке әсер
етеді,олар бөлшек аралық байланысқа негізделген.Бұл жағдайда термиялық
нәтижелермен сәйкестендіру арқылы үш өлшемді дебай жүйесі алынады.
Қатты идеал емес плазмалы тозаңды жүйенің құрлымдық қасиеті [4-
5]жұмсты зерттеген Онда кристалл тордың ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
КІРІСПЕ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . .. 4
1 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДАҒЫ ЭЛЕМЕНТАР ПРОЦЕССТЕР ... ... ... ... .. 6
1.1 Плазмадағы тозаңды бөлшектердің зарядталуы ... ... ... ... ... . 6
1.2 Тозаңды плазманың идеал болмауы ... ... ... ... ... ... ... ... ... 8
1.3 Плазмадағы зарядталған бөлшектерге әсер ететін күштер ф
және олардың өзара әрекеттесуі ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 10
2 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДА СҰЙЫҚ КРИСТАЛЛ ЖӘНЕ КРИСТАЛДЫ ҚҰРЛЫМДАРДЫҢ ПАЙДА
БОЛУ МЕХАНИЗМІ ТУРАЛЫ ҚЫСҚАША ТҮСІНІК ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. ..
14
2.1 Термиялық плазмадағы кеңістктік тозаңды құрылым ... ... ... .. 17
2.2 Микрогравитация жағдайында ультракүлгінмен зарядталу кезінде
пайда болатын плазмалы-тозаңды құрылым ... ... ... ... ... 22
2.3 Радиожилікті разрядтағы плазмалы-тозаңды кристалл ... ... ... 25
2.4 Плазмадағы тозаңды кластерлер ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 29
3 ЭКСПЕРИМЕНТ НӘТИЖЕЛЕРІ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 32
3.1 Тозаңды плазманың қасиеттерін зерттеуге арналған зертханалық
қондырғы ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . 32
3.2 Тозаңды плазмадағы фазалық ауысулар ... ... ... ... ... ... ... ... 34
3.3 Плазмадағы тозаңды түзілімнің құрылымдық қасиеттері ... ... . 38
3.4 Тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясы ... ... ... 46
ҚОРЫТЫНДЫ ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... . . 55
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ ... ... ... ... ... ... ... ... .. 56
ҚОСЫМШАЛАР ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. .. 58
Көлемі 60 беттен тұратын дипломдық жұмыстың құрамына 33 сурет, 26
қолданылған әдебиеттер тізімі кіреді.
Негізгі ұғымдар: тозаңды плазма, плазмалы тозаңды құрылым, құрылымдық
қасиеттер, қосалқы корреляциялық функция.
Зерттеу обектісі: табиғатта көп таралған (аспан кеңістігінің көп
бөлігінде, шамамен 90%) яғни, планета сақиналары, кометалар құйрықтарында,
планета аралық бұлттар, ғарыштық аппараттардың маңында сонымен қатар плазма
магниттік толқындармен ұсталатын термоядерлік және микросхемаларды өңдеу
сияқты технологиялық құрылғыларда кездесетін плазмалы тозаңды құрылымдардар
болып табылады.
Жұмыстың мақсаты: тозаңды плазмада болатын фазалық ауысулар процессін
тәжірибеде зерттеу.
Алға қойылған мақсатқа жету үшін төменде көрсетілген тапсырмаларды
орындау керек болды:
1. Тозаңды плазма қасиеттерін зерттеуге арналған тәжірибелік
қондырғы жұмысымен жіті танысу және онымен жұмыс істеп үйрену.
2. Разрядтың әр түрлі мәндерінде (газ түрі және қысымы, разряд
тогы) плазмалы-тозаңды құрылымдарды видеоға түсіру.
3. Плазмалы-тозаңды түзілімдердің құрылымдық қасиеттерін анықтау
барысында тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясының
таралуын алу.
Зерттеу әдісі: Газдық разрядтағы плазмалы тозаңды түзілімдер
қарапайым видеокамера (25 кадрcек.) көмегімен түсіріледі. Алынған
нәтижелер дербес компьютерде арнайы программалар көмегімен есептелініп
шығарылады.
КІРІСПЕ
Тозаңды (комплексті) плазма деп құрамында электрондар, иондар,
нейтрал атомдар сонымен қатар теріс немесе оң зарядталған қатты дененің
микронды өлшеміндегі 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 плазманы зертханалық 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.
Ең бастысы тозаң мен тозаңды плазма табиғатта өте үлкен көлемде
тараған (планеталардың сақиналарында, кометалардаң құйрығында,
планетааралық бұлттарда). Және де тозаңды плазма жасанда жер серігінің және
ғарыштық аппараттардың маңынан, магниттік өріспен ұсталатын термоядролық
қондырғыларда байқалған. Тіпті біздің әлемнің, яғни планеталар,
жұлдыздардың пайда болуы осы тозаңды плазманың ерекше қасиеттеріне
байланысты деген болжам бар.
Тозаңды плазманың осындай процестерін анықтау үшін алдымен онда болып
жатқан тозаңды бөлшектердің құрылымдық қасиеттерін зерттеу маңызды.
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.
Тозаңды-плазмалы кристалды, оның ерекше сипатына байланысты заттың
бесінші агрегаттық күйі деп қарастыруға болады. Зат бір күйден екінші бір
күйге өту үшін оны қыздыру керек және осы кезде оның құрылымы бұзылады,
мысалы мұздан суға ауысу. Ал плазма (заттың төртінші күйі) жоғары
температуралы, және жүйе бейберекет, осы себептен ол жерде қандай да бір
реттелген құрылымды жүйені алу мүмкін емес дейтін. Бірақ плазманы қатыруға
болады (Вигнер, Ландау, Зельдович), деген ұсыныстар болатын, ол қалай
жүзеге асады? Бұл сұраққа жауапты тозаңды плазмадан алуға болады.
Бұл жұмыс тозаңды плазмада болатын құбылыстарды зертханалық жағдайда
зерттеп, түсіндірілмелер беруге арналған. Дәлірек айтатын болсақ, бұл
жұмыста макроскопиялық зарядталған бөлшектерден тұратын төменгі
температуралы плазмада пайда болатын (жоғары жиілікті көлемдік разряд) -
тозаңды плазманың қасиеттері қарастырылады. Тозаңды плазмадағы негізгі
элементар процестер мен плазмадағы бөлшектерге әсер етуші күштер талдауға
алынады. Төменгі температуралы плазмадағы тозаңды түзілімнің әр түрлі –
газ, сұйық және кристалл типтес фазаларын тәжірибеде және теориялық түрде
зерттеу нәтижелері келтіріледі. Сонымен бірге бұл жұмыста тозаңды
түзілімнің орта параметрлеріне тәуелді болатын құрылым, түрін көрсететін
қос корреляциялық функиялары анықталған.
Жұмыстың негізгі мақсаты: тозаңды плазмада болатын фазалық ауысулар
процессін тәжірибеде зерттеу.
Осы мақсатқа қол жеткізу үшін келесі тапсырмаларды орындау қажет
болды:
1. Тозаңды плазма қасиеттерін зерттеуге арналған тәжірибелік
қондырғы жұмысымен жіті танысу және онымен жұмыс істеп үйрену.
2. Разрядтың әр түрлі мәндерінде (газ түрі және қысымы, разряд
тогы) плазмалы-тозаңды құрылымдарды видеоға түсіру.
3. Плазмалы-тозаңды түзілімдердің құрылымдық қасиеттерін анықтау
барысында тозаңды бөлшектердің қос корреляциялық функциясының
таралуын алу.
Бұл алынған нәтижелер экспериментальдық физика мен тозаңды плазма
орын алатын инженерлік техникалар мен технологиялардың (жұқа үлдір және
микро-, нанобөлшектер өндірісінінде, магниттік толқындармен ұсталатын
термоядролық қондырғыларда) есептеулерінде қолданылуы әбден мүмкін.
1 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДАҒЫ ЭЛЕМЕНТАР ПРОЦЕСТЕР
1.1 Плазмадағы тозаңды бөлшектердің зарядталуы
Тозаң плазмаға толығымен енген кезде электрондарды өзіне тарту
әсерінен олар зарядталады, осы кезде бұл зарядталған бөлшектерге басты екі
күш әсер етеді, бұлар бүкіл әлемдік тартылыс күші және электр өрісінің
күші. Осы күштер бір-бірін теңестіру әсерінен тозаңды бөлшектер төменгі
электродқа құламай әр түрлі құрлымдар құрап, плазмада, яғни электрод маңайы
қабатында қалықтап тұрады. Осылайша разрядтың қолайлы шарттарында олар сан-
алуан түзілімдер құрады. Солардың бірі cурет 1.2 (түзілімнің тік бағыттағы
қимасы) және cурет 1.3 (түзілімнің көлденен бағыттағы қимасы) суреттерде
көрсетілген, олар туралы толығырақ сәл кейін жазылады.
Егер жоғарыда айтылған екі күш белгілі болатын болса, онда тозаңды
бөлшектердің зарядын табуға болады. Ол төмендегідей күйде болады:
, (1)
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
(1) формулаға қойып, төмендегіні аламыз:
, (2)
q=eZ болғандықтан, бұндағы - элементарлы заряд, ал - зарядтық
сан, түпкілікті нәтиже мына түрде болады:
, (3)
яғни плазмадағы бөлшек заряды төмендегідей анықталады.
. (4)
Плазмадағы тозаңды бөлшектердің электрлік зарядының пайда болуына
алып келетін әр түрлі процестер бар. 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. сурет 1.1-де тозаңды бөлшектердің
зарядталуының бірнеше механизмдері көрсетілген.
Cурет 1.1 - Тозаңды бөлшектердің плазмада зарядталуының мүмкін болатын
механизмдері. а - электрондардың жұтылуы (жабысуы), ә - фотоэмиссия, б -
термоэмиссия, в - ядролық қоздыру.
Cурет 1.2 - Диаметрі 2- 6 мкм болатын - ның полидисперсті
бөлшектерінің реттелген құрылымының көлденең қимасы
Cурет 1.3 - - ның полидисперсті бөлшектерінің кристалл құрылымының
горизанталь қимасы
1.2 Тозаңды плазманың идеал болмауы
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
Г = , (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 масштаптар ретінде системаның
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 үшінүлкен, =n 1, сондықтан,
электрондар және иондар кішірек жүйелер идеалды толық 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 және
өзара изотропты экрандалған кулондық потенциал арқылы әрекеттеседі (Дебай-
Хюккель немесе Юкава потенциалы)
U= . (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.
1.3 Плазмадағы тозаңды бөлшектерге әсер ететін негізгі күштер
Плазмадағы тозаңды бөлшектерге әсер ететін негізгі күштер электр
зарядымен байланыспаған күштер (гравитациялық күш, бейтараптармен тежелу
күш, термофоритті күш) және бөлшекте электр зарядының бар болуымен
байланысты күштер болып бөлінеді.
Гравитациялық күш (ауырлық күш) мына өрнекпен анықталады
. (9)
мұндағы g - еркін түсу үдеуі. Гравитациялық күш бөлшектің көлеміне
пропорционал Fg~а3
Қозғалыстағы бөлшекке қоршаған орта тарапынан кедергі күш әсер етеді.
Әлсіз иондалған плазма жағдайында кедергі күшіне негізгі үлесті бейтарап
құраушы қосады. Тозаңды бөлшектердің жылдамдығы әдетте бейтарап атомдар мен
молекулалардың жылулық жылдамдығынан әлдеқайда аз болғандықтан, кедергі күш
көп жағдайларда бөлшектер жылдамдығына пропоционал. Кнудсен Кп санының
шамасымен анықталатын екі режимді айыра білу керек бейтарап газ атомдары
немесе молекулалардың еркін жүру ұзындығының бөлшектің сипаттамалы өлшеміне
қатынасы, .Кп1 шарты орындалатын режим гидродинамикалық деп
аталады. Бұл шекте кедергі күші Стокc формуласымен анықталады.
, (10)
мұндағы (- бейтарап газдың тұтқырлығы, ал и- газбен салыстырғанда бөлшек
қозғалысының жылдамдығы. Минус таңбасы салыстырмалы жылдамдық векторына
қарама-қарсы бағытта әсер ететін күш екенін білдіреді. Әдетте еркін
молекулалы режим деп аталатын Кп 1 орындалатын кері шекті жағдай,
бөлшектердің өте аз салыстырмалы жылдамдықтарында (иТп) кедергі күші
мына түрде жазылады
, (11)
мұндағы пп және Тп - сәйкесінше бейтараптар (нейтралдар) концентрациясы мен
температурасы, - бірінші ретті коэффицент. Ол нейтралдардың бөлшектер
бетімен әрекеттесу ерекшеліктері. Мысалы, осылайша соқтығысқан кезде
бөлшектің бетінен нейтралдардың толық жұтылу немесе айналы шағылысу кезінде
=1, ал толық аккомодация жағдайында = 1+ 8. Үлкен
жылдамдықтарда (иТп) кедергі күші салыстырмалы жылдамдықтың
квадратына пропорционал:
, (12)
мұндағы тп - нейтралдар массасы. Келтірілген өрнектер әуел баста бейтарап
газдағы зарядталмаған бөлшектер үшін алынған еді. Сол арқылы тозаңды
бөлшектің айналасындағы біртекті емес электр өрісінің бар болуымен
байланысты поляризациялы әрекеттесу ескерілмеді. Бірақ поляризациялық
әрекеттесу радиусы тозаңды бөлшектердің өлшемінен әлдеқайда аз, сондықтан
көп жағдайларда түзетулер ескерусіз аз.
Әдетте тозаңды плазмада өрнек орындалатын жағдайлар жүзеге асады.
Әдетте тежелу күшін мына түрде F=-mddnu көрсету ыңғайлы, және
де dn жиілігі тозаң бөлшектерінің бейтараптармен соқтығысу кезіндегі
импульс беруінің эффективті (тиімді) жиілігін нақтайды.
Плазмада электр өрісінің кернеулігі Е - бар кезде зарядталған
бөлшекке мына күш әсер етеді
, (13)
Эффективті (тиімді) өріс шамасы енгізуге болады
. (14)
Сонда . - үлкен шамасы Е - мен салыстырғанда сыртқы электр
өрісімен индуцияланған тозаңды бөлшектің айналасында плазма
поляризациясымен байланысты. Плазманың поляризациялануы сондай-ақ тозаңды
бөлшекте дипольді моменттің пайда болуына алып келеді.
Егер сыртқы күш біртекті болмаса, онда мұндай дипольге мынандай күш
әсер етеді
. (15)
Тозаңды плазма үшін кезінде электростатты күшөрнегімен, ал
дипольдық момент р а3E өрнегімен берілетін шарттар тән. Дипольдық
моментінің аздығына байланысты, Ғdp - дипольдық күшін Ғе - қарағанда
ескермеуге болады. Сондай-ақ иондық ағынның қатысуымен біртекті емес
плазмадағы электростатикалық күшті есептеуге арналған. Оларда плазма
зарядтарының тығыздық градиентіне немесе ионды ағын жылдамдығына тәуелді
және кему жағына бағытталған сәйкес Дебай ұзындығына пропорционал қосымша
құраушы күш көрсетілген.
Тозаңды бөлшектерге қатысты иондардың жылдамдығы немесе
электрондардың бағытталған қозғалысы болған кезде плазмалық бөлшектердің
қозғалыс бағытында әсер ететін күш пайда болады. Ол плазмалық бөлшектерден
тозаңдарға импульс беруге негізделген. Иондар массасының үлкен болуына
байланысты, олармен байланысты эффект басым болады. Берілген күш (иондық
әуестенудің) екі қосылғыштың суммасы түрінде келтірілуі мүмкін, олардың
біріншісі иондардың бөлшектермен серпімсіз соқтығыс кезіндегі (жұтылуда)
импульсті берумен анықталады, ал екіншісі серпімді соқтығыстағы импульсті
берумен және қозғалыс бағытының өзгеруімен анықталады (бөлшектегі иондардың
зарядының шашырауында).
Тозаңды бөлшектер арасындағы әрекеттесу потенциалы ваккумдағы
зарядталған бөлшектер арасындағы кулондық әрекеттесу потенциалынан
ерекшеленеді. Төменде көрсетілетіндей, тозаңды бөлшектердың әрекеттесу
потенциалы бөлшектер арасындағы электростатикалық әрекеттесумен ғана
анықталып қоймайды. Зарядтардың тұрақсыздығы және төменде талқыланатын
бірқатар топтамалы эффектер осы ерекшелікке жауапты. "Топтамалы әрекеттесу"
тозаңды құраушының кейбір критикалық концентрациясында түзілетін аттас
зарядтардың тартылуына алып келеді. Төменгі концентрацияларда зарядталған
бөлшектердің арасындағы әрекеттесу, олардың экрандалу мен зарядталуы
оқшауланған бөлшектердың жуықтауларында есептелуі мүмкін. Бұл жағдайда
бөлшектер арасындағы электростатикалы әрекеттесу сыналатын бөлшекті
қоршайтын плазмадағы электростатикалық потенциалдың таралуы белгілі
болғанда анықталады. Zd тұрақты заряды бар кейбір бөлшекке әсер ететін
электростатикалы күштің абсолютті шамасын онда мына түрде көрсетуге болады
Ғdе = - dUel(r)dr, мұндағы
Uе1 (r) = Zd e (r) ,
(16)
осылайша плазмадағы потенциалдың таралуын білу r аз арақашықтарда
изотропты плазмада оқшауланған сфералық бөлшектің потенциалы таза кулондық
болып табылады: r~кезінде маңызды ролді экрандалу ойнайды және
Дебай-Хюккель потенциалын жиі қолдануға болады, және де ақырында бірнеше
Дебай ұзындығынан үлкен арақашықтықтарда потенциал дәрежелік асимптотикаға
шығады . Осылайша, -дан біршама үлкен арақашықтықтарда экрандалған
кулондық түрдегі әрекеттесу потенциалын қолдану орынды:
Uel (r) = . (17)
r ln(a)(3-5) қашықтықтары үшін жұтылатын
бөлшектің айналасында плазманың жылдамдықтар бойынша анизотропты таралумен
байланысты алыстан әсер ететін тебу орын алады. Әрекеттесу потенциалының
асимптотикасы мына түрде болады
. (18)
2 ТОЗАҢДЫ ПЛАЗМАДА СҰЙЫҚ КРИСТАЛЛ ЖӘНЕ КРИСТАЛДЫ ҚҰРЛЫМДАРДЫҢ ПАЙДА
БОЛЫУ МЕХАНИЗМІ ТУРАЛЫ ҚЫСҚАША ТҮСІНІК
Тозаңды бөлшектер плазманың құрамына тек әдейі енгізіліп қана қоймай,
сонымен қатар әр түрлі процестердің нәтижесінде ерікті түрде де түзілуі
мүмкін.
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 жүзеге асады. Бірақ макробөлшек-тердің
концентрациясы электрондар мен иондардың концентрациясынан әл-деқайда
төмен. Соның нәтижесінде тозаңды бөлшектер жүйесінде ең жақын реттелуі
тіпті кристалданудың пайда болуы мүмкін.
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.
Осы байқалған қызықты процестерге байланысты көп ғалымдар осы салаға
өз қызығушылықтарын таныта бастады. Бұл қызығушылық технологиялық плазмада
тозаңды бөлшектердің болуы жартылай өткізгіштің бетінің шаңдануы және
сонымен қатар дефектті (ақау)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, тасмалдану механизмі мен разряд құрамына қалай әсер
ететіндігін білмей мүмкін емес болды. Осы бағыта жасалған қадамдар
арқасында 90 – жылдардың орта тұсында көптеген теориялық зерттеулер
экспериментте расталды. Бұл эксперименттер шамаман бір уақытта екі
лабораторияда жасалды: Тайванда және Германияда. 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 шамамен 10000 электрон зарядына тең болған, және
гексоганальды кристалдық түзілім құратындығын көрсетті.
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 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.
Енді осы ғылыми жұмыс тозаңды плазмада болатын құбылыстарды
зертханалық жағдайда зерттеп, түсіндірілмелер беруге арналған. Дәлірек
айтатын болсақ, бұл жұмыста макроскопиялық зарядталған бөлшектерден тұратын
төменгі температуралы плазмада пайда болатын (жоғары жиілікті көлемдік
разряд) - тозаңды плазманың қасиеттері қарастырылады. Тозаңды плазмадағы
негізгі элементар процестер мен плазмадағы бөлшектерге әсер етуші күштер
талдауға алынады. Төменгі температуралы плазмадағы тозаңды түзілімнің әр
түрлі – газ, сұйық және кристалл типтес фазаларын тәжірибеде және теориялық
түрде зерттеу нәтижелері келтіріледі. Тозаңды түзілімнің геометриялық
өлшемдері магнит өрісіндегі қозғалысы және ондағы бөлшектердің
жылдамдықтары, траекториялары, өзара әсерлесулері зерттеледі. Сонымен
бірге бұл жұмыста тозаңды түзілімнің орта параметрлеріне (ток, қысым)
тәуелді болатын құрылым, түрін көрсететін қос корреляциялық функиялары
анықталған.
Бұл алынған нәтижелер экспериментальдық физика мен тозаңды плазма
орын алатын инженерлік техникалар мен технологиялардың (жұқа пленка және
микро-, нанобөлшектер өндірісінінде, магниттік толқындармен ұсталатын
термоядролық қондырғыларда) есептеулерінде қолданылуы әбден мүмкін.
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,
соқпа толқындар, Маха конустары).
Жоғарыда айтылғандай, тозаңды плазма дегеніміз құрамында өлшемдері
1 -100 мкм болатын макроболшектері бар плазманы айтады. Қазір тозаңды
плазма лабораториялық жағдайда өте қаркынды түрде зерттелуде. Тозаңды
бөлшектер плазманың құрамына кіріп қана қоймай, әртүрлі процестердің
нәтижесінде өздігінен түрлі құрылымдар түзеді.
Бөлшектер тозаңды плазмада немесе тозаңды бөлшек қосылған плазма
электрон және ион ағындарымен зарядталуы мүмкін,сондай-ақ фото ,термо
немесе екілік электронды эмиссиямен зарядталуыда мүмкін.
Электрондардың эмиссиясы электрлік бөлшек зарядтарының оң бағытқа
алып келеді, сонымен қоса газдағы электронның концентрациясы өседі. Егер
бөлшектер электрондарды ұстап тұрса, онда оның зарядтары теріс болып және
кері эффекті пайда болып электронның концентрациясы төмендейді .Тозаңды
бөлшектердің өлшемдернің үлкейуі барысында олардың Zd заряды үлкен болуы
мүмкін нәтижесіде орта кулондық энергия бөлшектер әрекеттесуінен Z d2- ден
тәуелді және орташа жылулық энергиясы үлкен болуы мүмкін, осы кезде идеал
емес плазма пайда болады,ондағы көп зарядты ауыр молдар зарядталған тозаңды
плазыманың ролін атқарады, осындай плазыманың теоротиеалық есептеулер
нәтижесінде қандайда бір шарт кезінде бөлшектердің қатты электростатикалық
әрекеттесуі жене азғантай энергия және оның жылулық қозғалысы фазадан сұйық
қатты күйне фазалық ауысуы пайда болады. Электндар мен молдар осыған
қарамстан идеал газ болып қала береді және дебайлылық плазымадада
өзгермейді.
Қарапайым атомаралық сұйықтық немесе қатты денеге қарағанда тозаңды
бөлшектер жарықтың тиімді шашырауына қарағанда үлкен болады және олар жеке
видеокамералар арқылы бақыланады және тікелей көзбен де көруге болады,
осындай кристалдық құрлым плазымада зарядталған тозаңды плазма құрады және
олар кулондық немесе плазмалық кристал деген атқа ие болады.
Бұрынғы эксперименттік кристалдық құрылымда зарядталған бөлшектерің
темір және алюминийдің микро өлшемдік жүйесі ауысулары ұстап тұрады және
статикалық электрон өрісіде бақыланады.
Электрон энергиясы осындай плазмада бірнеше электрон вольтқа ие
болады, ал иондардың энергиясы жылулық энергия атомына жақын(0,03).
Тозаңды бөлшектердің зарядында эмиссонды процестер жоқ болған кезде олар
теріс болады. Ол нейтрон тозаңды бөлшектер плазмада электрондар мен
иондардың ағынының бағытына тәуелді. Егер электрондар бөлшектерінің беткі
қабатында жұтылса, сол бетке ұшып келген иондар электронды жұлып алып
рекомбинацияға түседі. Электрондардың жоғары шекті қозғалысы кезінде
олардың ағыны иондар ағынынан асып кетеді және бөлшектер теріс зарядталып,
электрондардың кері итеруіне және иондардың тартылуына алып келеді. Бөлшек
заряды электрондар мен иондар ағыны теңеспейінше өзгеріп тұрады.
Тозаңды бөлшектерге жоғары жиілікті разтарядты пайдаланып эксперимент
жасаған кезде теріс зарядқа ие болып өлшемі өседі(~104-105 элементар
заряд).
Бөлшек бұлты қатты электронд бетіне жақын болып келеді де теріс
потенциялға жақын болады, онда гравитациялық және электростатикалық күштер
тепе теңдікке ие болады. Бұл диаметрі азғантай cм болғанда бөлшектер тік
бағытталады, ал бөлшектер арақашықтығы бірнеше микрон. Кейінгі
эксперименттерде созылмасы үш өлшемді құрлымды көлемі квазибейтарап плазма
алынады, сондай-ақ әр түрлі заряд механизімі тозаңды бөлшектер-де, терма
және фото эмиссияда қарастырылады.
Ал, квазанейттралды шартта құрлымының ~17000K температурада термиялық
плазымада және атмосфералық қысымда бақыланды. Үш өлшемді кристалдық
құрылымы алынып және солғын заряды тұрақты тоқта қарасты-рылады. Сондай-ақ
плазмада оның жұтылуы, тозаңды заряды бөлшектер ультракүлгін әсеріне
құрылып шашырауы қарастырылады.
2.1 Термиялық плазмадағы кеңістктік құрылым
Термиялық плазмада төмен температуралы плазманы сипаттайды. Бұл кезде
электрондардың, иондардың және нейтрал бөлшектердің температурасы бірдей.
Плазма ағынында церий диоксидінің (Се) бөлшектерін өлшеген. Плазманың
температурасы 1700-2000k аралықта жатады, ол қысым атмосфералық церий
диоксидінің өзінддік ерекшелгі – термоэлектрондардың беттен шығу жұмысының
төмен болыуы (~2,75%). Нәтижеде тозаңды плазма плазмадағы электрондар мен
иондардың ағнымен зарядталады.Ол оң зарядталған бөлшектерге алып келуі
мүмкін. Электрондардың концентрацясы –.
Өлшеу нәтижесінде, плазма параметрлернің мынадай мәліметтері алынады:
электрондар мен иондардың оң концентрациясы, температурасы, сонымен қатар
орташа диаметрі және тозаңды плазманың концентрацясы.
Тозаңды плазманың кеңістік құрлымы қос корреляциялық функця g(r)
көмегімен анықталады. Ол берілген r арақашықтықтағы бөлшектерді табу
мүмкіндігн сипаттайды. Оның салдарынан кеңістіктегі бөлшектердің орналасыуы
- хаустық немесе реттелген (сұйық жене кристалдық құрлым ) плазмалық
ағындағы корреляциалық ағынды алыу үшін лазерлі уақыт - аралық есептегіш
қолданлады. Ол жеке бөлшектерді шашрату принципіне негізделген.
Тозаңды плазманың кеңстік құрлымын өлшеу нәтижелері, бөлмелік
температурадағы СеО2 бөлшектері бар, алынған плазманың салыстырылады.
Мұндай жүйе тозаңды бөлшектердің (газ тектес плазма) плазмадағы кездейсоқ
кеңстіктік орын (хаостық) сипаттайды.
Плазмада және бөлмелік температурадағы СеО2 бөлшектері үшін қарапайым
қос корреляциялық функця g(r) суретте 2.1 –де көрсетілген. Тозаңды ағын
үшін корреляциялық функця және плазма үшін Тg =2170K болады,ол тозаңды
бөлшектердің концентрациясы nd=2,0(суретте 2.1 а – да көрсетілген).
Олардың бір-бірнен айрмашылғы жоқ деседе болады. Сондықтанда, плазмадағы
бөлшектер әлсіз әсерлеседі және реттелген құрлымның түзілуі мүмкін емес.
Сурет 2.1 - Тg =1700K және Тg =2170K плазмадағы (Zd =500) және бөлме
температурасы ауа ағысындағы Себөлшектерінің қос корреляциялық
функциясы
Төмен температуралы плазмада (Тg =1700K) және бөлшектердің өте жоғары
концентрациясында (nd =5,0суретте 2.1 б -да көрсетілгендей,
корреляциялық функця сұйық түрге келеді. Плазмадағы ионның концентрациясы
ni ~ электрон концентрациясынан төмен ni ~. Квазинейтрал шартынан
алынған бөлшектің заряды оң және оле тең. Алынған параметрлердің
өлшемдері Гжәне K=1,6 бөлшектердің күшті әсерлесуін тудыралы, яғни
тозаңды плазмадан сұйық құрлым пайда болады. Сондықтан тәжірибедегі әлсіз
құрлымның реттілгі плазманың бар болуының соңғы уақытымен (~7мс) нәтижеде
, процесс соңына дейін аяқтап үлгереді.
2.2 суретте қос корреляциялық функцияның g(r) уақытша эвалюциясы
көрсетілген нақты моменттегі бөлшектердің жағдайын ескере отырып өлшенеді.
2.2 суретте берігендер уақытқа байланысты g(r) орташалау арқылы
табылған. 40 аралықта жүйе стационарлы күйге жетеді. Салыстырмалы
түрде 2 суретте корреляциялық функция көрсетілген. Ол тәжірибеде алыныған.
Сурет 2.2 - Қос корреляциялық функцияның уақытша эволюциясы: қисық сызық –
модельде, үзік сызық – тәжірибеде, құрылу уақыты t=0,7mс(a), 2mс(b), 5mс(c),
7mс(d), 40mс(e).
Бұл процесc өте тез, себебі бөлшектер арасында тебілу күштері күрт
өсіп, ал бөлшектер арақашықтығы азаяды. Одан кейін (сурет 2.2) бірінші
максимумды қос корреляциялық функциясында жарық көріне бастайды .Ары қарай
бірінші максимум уақыт өткен сайын өседі және сол уақытта жоғары тізбекті
құрыла бастайды (сурет 2.2 d). Cтоционарлық күйдегі корреляциялық функция.
Бірінші жарық бейнелеген максимумдармен сипатталады. Сондықтан
жүйенің соңғы күйі жоғары сұйық тәрізді болып келеді.
Құрылу уақытын анықтау үшін оның құрлымын білу қажет. Корреляциялық-
кеңістік масштабына байланысты. Қос корреляциялық функция өзінің соңғы
формасына жақындаған сайын, сонша көп уақыт кетеді. Мысалы зерттеу
барысында бастапқы үш пиктердің құрылуы үшін уақыт қажет. Сондай-ақ
бірінші максимум корреляциялық функция құрылу уақытыда берілсін.
Жалпы алғанда осы уақыт жүйедегі тізбектің пайда болуына қажет уақыт болып
келеді. Есептеу көрсеткендей, қарастырлып отырған шарт үшін
Қарастырлып отырған тәжірибенің негізі болып -уақыттағы
плазманың өмір сүріуі болып табылады. Сандық есептеу нәтижесіне сәйкес
тәжірибе диагностикасы өзіндік құрылу проссесінде болып келеді.Сондықтан
тәжірибеде өлшенген қос корреляциялық функция стационарлық күйге сәйкес
келмейді. Бірақ ,плазманың өмір сүруі жүйеде жақын тізбектің пайда болуына
жеткілікті болып келеді.
Процесс құрлымының құрылу барысы келесі түрде көрсетіледі:
контейнердегі микрон бөлшектерді разрядқа тастаған соң, электродтар
арасындағы бөлшектер зарятталған плазмада тепе-теңдікті ұстап тұрады. Содан
кейін бірнеше минуттан кейін “ұшып кетеді” және құрылғыға келеді және
қанша керек болса ,сонша разряд ұстап тұра алады.
Разрядтың оң бағытына бөлшектің бірнеше түрі енгізіледі және одан
диаметірі 50-60 мкм боро симекатты әйнектен жасалған микросфера полы және
полидиспериялы бөлшек және оның размері 3 - 5 мкм және монодиспериялы
бөлшек меламинформалдегида болады. Оның диаметрі 1.87мкм.
Бөлщектер бұл түрінде страталар ортасында көрінеді. Сонымен қатар,
сол уақытта көрші страталардың ортасында бірнеше бөлшектер бұлттар
көрінеді. Бұлт диаметрі әйнек микросфера үшін 5 - 10 мм болады және ол
AL2O3 бөлшектер үшін 20 мм –ге дейін ұлғаяды.
Бөлшектердің орналасуы 10–20-нан (әйнек микросфера үшін) және
орналасы көп (AL2O3 бөлшектер үшін ) жазық қабат құрады. Тік жазықтықта
бөлшектер тізбек құрады.Олардың ара қашықтығы жазық қабат құрады. Тік
жазықтықта бөлшектер тізбек құрады.Олардың ара қашықтығы 250-400 мкм ,ал
бөлшектер арақашықтығы–350- 600мкм,бөлшектің концентрациясына nd 103-
104 см-3 –не сәйкес келеді Солғын разрядтағы стратадағы тозаңды құрлымның
колделең қимасы сурет 2.3(a) және сурет 2.3(b) тозаңды құрлым үшін қос
корреляциялық функция көрсетілген.
Суретте 2.3a - неон мен сутегі қоспасы разрядындағы (қысым 0.8 тор, ток 1.1
мА) диаметрі 1.87 мкм болатын монодиспериялы меламинформальдегид
бөлшектерінен түзілген плазмалы-тозаңды кристалы. Суретте 2.3b - g(r) қос
корреляциялық функция бөлшегінің құрлысы көрсетілген, ол реттеліп орналасқан
бөлшектерлің өмір сүруін растайды. Яғни құрлым кристалды.
Жақындауын (бірігуін) көрсетеді. Осы кезде тігінен бірккені бірнеше
ондаған сантиметрді құрайды).
Түрленген разряд параметрі (қысым мен тоқ ) бөлшек бұлтының формуласы
арқылы өлшеуге болады .Тоқ разряды мен қысымының тәуелділгі сурет 2.4a,b,c
-де көріп тұрғандай цилиндрлік құрлымды 2 жақын элипстік бұлттардың
жанасуын (бірігуін) көрсетеді, осы кезде тігінен бірккені бірнеше ондаған
сантиметрді құрайды. суретте 2.4d цилиндрлік құрлымдағы тоқ параметрнің
ұлғаюы көрсетілген. Тоқ өзгерісі кезінде кристалдық күй сұйыққа, одан ары
газға айналып ,газда–кристалға “еруі’’ауысымы байқалады.
2.5 сурет - a) 0,3 тор және 0,4 мкА, b) 3,85 тор және 0,3 мкА AL2O3
бөлшектерінен түзілген тозаңды құрылым
Сол сияқты , AL2O3 бөлшегі қысымы 0,3 тор және 0,4 мкА (сурет 2.5)
ток кезінде қос корреляциялық функциясы (сурет 2.6). Алыстан реттелген 4
айқын көрінген максимумдар байқалған ,ол бөлшектің кристалдық құрлымына
сәйкес келеді. Ток 3,9 мА (сурет 2.5 a)-ға дейін өскен кезде плазманың
кристалдық “балқуы’’ және суретте 2.6 в сұйық құрлымның түзілуі
көрсетілген. Осыдан көретіндей, бөлшектер аралғы фазалық ауысым (250 мкм)
өзгеріссіз қалады.
Сурет 2.6 -тік бағыт бойнша AL2O3 бөлшектерінен түзілген плазмалы-тозаңды
құрылымның қос корреляциялқ функциясы. a) 0,1 тор, ток 0,4 мкА b) 0,3 тор,
ток 3,85 мкА
2.2 Микрогравитация жағдайында ультракүлгінмен зарядталу кезінде
пайда болатын плазмалы тозаңды құрылым
Оң заряды бар плазма буферлі газ ағынының фотонда энергиясынан
бөлшектер сәулеленеді. Белгілі бір шартта осындай жүйеде тозаңды кристалдық
құрылым пайда болуы мүмкін. Жұмыс кезіндегі фотоэлектрондарың шығу жұмысы
бөлшек заряды үшін ≤12 эВ болып, 6эВ аспайды, буферлі газды иондатпайды,
оған гемит және аргон жатады.
Айта кететін жағдай,қанық ультракулгін ағынының шашырауы космостық
кеңістікте тозаңды бөлшекті фотоэмиссия есебінен зарядталады, ал тозаңды
бөлшектердің өлшемі бірнеше микрон болып оң зарядтарды ~102-104e
Космостық тәжірибе әйнек ампуламиде жүргізілді,ол неонмен
толтырылған,ондағы сфералық бөлшек бронзылы цезиевтік қаптамалы, қысымды
(0,01 және 40 торр) болып келеді. Экспримент алдында ампула мир станцияның
жанына орнатылады. Бөлшекті жазық лазерлі бума есебінен жарықтандырады,
оның 200ден кем болмайды және видео камера орнатылады. сурет 2.7 -де
космстық эксприменттегі эксперименттік қондырғының суретін көрсетейік.
Сурет 2.7 - космстық тәжрибегі эксперименттік қондырғының схемалық бейнесі
2.7 суретте бөлшектер ампуласының қабырғасына жабысадыда онда
эксперимент келесі түрде жүріледі: жүйеге бірінші динамикалық әсер береді,
кейін шығыс кезінде бөлшектер релаксацияға келеді, 2.8сурет. 40 тор
қысымнан ампуладағы бөлшектер жүйесінің күйі күн сәулесімен
жарықтандырылған.
Сурет 2.8 - жүйеге динамикалық әсерден кейінгі қысым 40 торр болатын
ампуладағы қола бөлшектерінің кезекті бейнесі
Бөлшектері бақылаған кезде бөлшектер қозғалысы басында хаосты ,ары
қарай қозғалыстық бағыттары көрсетіліп, белгілі бір траекториямен
қозғалатын жоғары қысымыда көрсетіледі. Кейбір эксприменттерде бөлшек
траекториясын өңдеген кездегі периодты түрде бөлшек жылдамдығы өзгеріп
отырадыда, келіп түскен қозғалыс есебінен бөлшектер тербеліс жасағаны
бақыланды.
Бөлшек жылдамдығының осылай өзгеру бөлшек зарядының флуктуациясымен
немесе космостық станциядағы микроүдеткіш айналымының динамикалық әсерлесу
есебінен болады.
Келесі қарастыратын жағдай агломераттардың пайда болуы, онда
бөлшектер 3-4-тен бінеше мыңға дейін вариацияланады. Агломераттар өте әлсіз
динамикалық әсерлесу кезінде бірнеше секунд ішінде колбының көлемінде пайда
болады пайда болады,ал күн сәулесінің әсерінен ааааааааааа шашырап кетеді.
Комбының көлеміндегі бөлшектердің агломерациясы бұл бөлшекті әр түрлі
зарядты бөлшектермен жарықтандырғанда жүреді: оң заряд-фотоэлектронар
эмиссия есебінен, теріс заряд-плазымалы электрондардың ағыны есебінен және
т.б.бөлшектің есебінен байланысты.
Тозаңды бөлшектердің динамикалық қозғалысын анализдей отырып, олардың
заряының өлшемін бағалауға болады, ондағы бірлік 104 элементар зарядты
құрайды. Бөлшек зарядының үлкен болуына және әсерлесу параметрлерін
үлкендігіне қарамастан бөлшектер арасындағы мықты корреляцияны анықтай
алмады, себебі бөлшектер сұйық құрылымды құрды.
Cөздің түйінін айтсақ эксприментіміз атмосфералық қысымдағы термиялық
плазма шартына және тұрақты тоқтағы солғын разрядтың тозаңды бөлшектерінің
мықты әрекеттесуінен жасалып, одан көретініміз қандайда бір плазма
параметрі кезінде тозаңды бөлшектің құрылуы, соның ішінде кристалдық
құрылымының пада болуы. Жалпы осы құрылымның пайда болуы электродты қабатта
емес, көлемдік плазыманың квазинейтралды жүйесінде жасалынып жатыр.
Солғын разрядтағы тұрақты тоқта тозаңды бөлшекті микрондарының
левитациялануы әр түрлі құрылымда бақыланады, ол сұйық құрылымынан
кристалдық құрылымға жақын болып,әртүрлі формада және мокробөлшектер
қозғалысының ішкі конвективінен тұруы мүмкін.
Атқарылған тәжірибелер нәтижесінде осы зерттеулердің қызықты күйін
бақылауға болады.
Плазымада тозаңды бөлшектердің құрылымы фундаментальды және
қолданбалы есептеулердің шешімінің құралы болуы мүмкін фундаментальды
есептеулердің ішінде көп компонентті және қатты идеал емес плазма (физика
плазма), теоретикалық түрде кристалл құрлымына жақындап, олардың шешімін
табу. Маңызды шектердің бірі-тор ақауының дисиокациясын анализдеу, ақауы
бар термоинамикалық тор және олардың болмауы,лазерлік сәулесі бар өзара
әсерлесу,тербеліс және құрлымдық түрдегі толқын резонанс құбылысы болып
табылады.
Осындай құбылыстары зерттеу барысында атомаралық және молеку-лалық
кристалдық моделдеуі алынады. Тозаңды бөлшектің фазалық ауысуының шашырауы
конденсация процесіне өз үлесін тигізуі мүмкін.
2.3 Радиожилікті разрядтағы плазмалы тозаңды кристал
1994 плзма–тозаңды кристалы табылғаннан кейін, оны зерттеуді фазалық
ауысулар тозаңды плазмада белсенді дами бастап, әртүрлі зертханада әр түрлі
плазма алу үшін қолданылады. Оған қатысты: жоғары жилікті сиымдылықтағы
разряд, сондай–ақ тұрақты тоқтағы солғын разряд. Термялық плазмадан
алынатын жанатын әр түрлі жағар майлар; ядролық– және фото қоздырлған
плазма. Ары қарай тәжірибеде талқыланып ондағы тозаңды жүйенің қатты идеал
еместігі, және ол фазалық ауысымға әкелгендегі күйі жарық көрінеді.
Тозаңды бөлшектердің көлемі өте үлкен емес және олар кейде электродты
катодта реттеледі, содан негізгі арасындағы тепе–теңдік пайда болады, онда
электростатикалық күш, ауырлық күші және ион ағынының бағыты болып келеді.
Белгілі бір шарттарда бөлшектер қандайда бір құрлым жасайды.
Бөлшектер саны бұндай құрлымда күйде болады, ал қабаттар саны тік
бағытта біріншіден бастап бірнеше мыңғадейін жатады.Сурет 2.9 мысал ретінде
көлделең қилысқан құрлымды бөлшектің суреті көрсетілген, диаметрі–6,9 мкм.
Бұл құрлым жақсы реттелген гексогональды тор құрлады. Сол сиясқты әртүрлі
көлделең қабаттағы бөлшек бірінің артынан бірі орналасады. Сөйтіп кубтық
тор құрады. Бұндай орналасу барысында иондар aғыны кеңістікте фокусталады.
Сурет 2.9 -тозаңдық құрлымның көлделең қима суреті
Осылайша тәжірибелік зертханада ЖЖ–разряд жергілікті жағдайда үш
өлшемді жүйені аламыз.
Плазмалы тозаңды кристал бұндай шарттарды екі өлшемді немесе нақты
2 өлшемді сипатқа ие болады.Ол ауырлық күшіне ие болады. Тозаңды
бөлшектің құрлысы үшін қатты электрлік өріс қажет. Бұндай өрістер тек
элекродты қабатқа жақындағанда алынады. Сыртқы күштер бөлшекке әсер
етеді,олар бөлшек аралық байланысқа негізделген.Бұл жағдайда термиялық
нәтижелермен сәйкестендіру арқылы үш өлшемді дебай жүйесі алынады.
Қатты идеал емес плазмалы тозаңды жүйенің құрлымдық қасиеті [4-
5]жұмсты зерттеген Онда кристалл тордың ... жалғасы
Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.
Ұқсас жұмыстар
Пәндер
- Іс жүргізу
- Автоматтандыру, Техника
- Алғашқы әскери дайындық
- Астрономия
- Ауыл шаруашылығы
- Банк ісі
- Бизнесті бағалау
- Биология
- Бухгалтерлік іс
- Валеология
- Ветеринария
- География
- Геология, Геофизика, Геодезия
- Дін
- Ет, сүт, шарап өнімдері
- Жалпы тарих
- Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
- Журналистика
- Информатика
- Кеден ісі
- Маркетинг
- Математика, Геометрия
- Медицина
- Мемлекеттік басқару
- Менеджмент
- Мұнай, Газ
- Мұрағат ісі
- Мәдениеттану
- ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
- Педагогика
- Полиграфия
- Психология
- Салық
- Саясаттану
- Сақтандыру
- Сертификаттау, стандарттау
- Социология, Демография
- Спорт
- Статистика
- Тілтану, Филология
- Тарихи тұлғалар
- Тау-кен ісі
- Транспорт
- Туризм
- Физика
- Философия
- Халықаралық қатынастар
- Химия
- Экология, Қоршаған ортаны қорғау
- Экономика
- Экономикалық география
- Электротехника
- Қазақстан тарихы
- Қаржы
- Құрылыс
- Құқық, Криминалистика
- Әдебиет
- Өнер, музыка
- Өнеркәсіп, Өндіріс
Қазақ тілінде жазылған рефераттар, курстық жұмыстар, дипломдық жұмыстар бойынша біздің қор #1 болып табылады.
Ақпарат
Қосымша
Email: info@stud.kz