Статья: ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В УСЛОВИЯХ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ ДО 2.5 ТЛ (2023)

Исследованы плазменно-пылевые образования с жидкими частицами (микрокаплями). В ходе исследования были проанализированы способы получения микрокапель жидкости в вакууме, а также изготовлен лабораторный стенд для изучения жидкостных плазменно-пылевых образований. Произведено наблюдение и фотофиксация данного явления.

Приведен краткий обзор исследований по пылевой плазме над поверхностью Луны, выполненных за последнее время в Институте космических исследований РАН. Исследования связаны с будущими миссиями “Луна-25” и “Луна-27”, в рамках которых будут исследоваться свойства пыли и пылевой плазмы над лунной поверхностью. Рассмотрены проблемы формирования пылевой плазмы над освещенной частью Луны, в области лунного терминатора, влияния магнитных полей на окололунную пылевую плазму, влияния на результаты измерений посадочного модуля космического аппарата. Сформулированы нерешенные проблемы, касающиеся изучения окололунной пылевой плазмы.

Предложен и реализован метод управления размером пылевых частиц при вариации электронной температуры посредством добавления в разряд малой доли примеси газа с низким потенциалом ионизации. Показано, что при использовании максимально разнящихся по массе инертных газов Не и Хе, размер отобранных пылевых частиц отличается вдвое. Выполнены численные оценки среднего размера отобранной частицы на основе баланса сил, действующих на пылевую частицу, с учетом влияния примеси на заряд частиц и скорость потока ионов. Метод настройки пылевой ловушки на размер удерживаемых частиц, работает в интервале порядка 1–10 мкм.

Представлены результаты экспериментального определения размера пылевых частиц меламин-формальдегида при длительном нахождении в плазменно-пылевой ловушке в тлеющем разряде в аргоне. Показано, что диаметр частиц с исходным размером 7.3 мкм за время 30 мин сокращается до 3.5 мкм, соответственно частицы теряют почти 90% массы. Обнаружены три стадии деградации частиц во времени. В стадии максимальной скорости уменьшения размера частицы теряют 20 пг/ мин. Проведено сравнение полученных данных с имеющимися измерениями для разряда в неоне. Установлено, что скорость уменьшения размера частиц зависит от массы плазмоформирующего газа. В аргоне и криптоне деградация частиц одинаковых исходных размеров при идентичных параметрах разряда происходит быстрее, чем в неоне. При этом время начала интенсивной потери массы сильнее зависит от размера частиц, чем от сорта газа. Проведено сопоставление данных с имеющейся физической моделью деградации частиц, предложены рекомендации для длительных экспериментов с частицами меламин-формальдегида.

Экспериментально исследована пыле-акустическая неустойчивость в криогенной пылевой плазме тлеющего разряда при температуре буферного газа 83 К. Представлены оценки для основных плазменных параметров. Показано, что пылевая плазма близка к идеальной (Γ≪1). Проведено исследование взаимодействия волна–частица, показано, что волна является сильно нелинейной. Выполнена оценка электрического поля волны, которая также указывает на ее сильную нелинейность. Важная особенность описываемого эксперимента: при сильной нелинейности волна слабо возмущала пылевую концентрацию, что по-видимому, связано с высокой кинетической температурой пылевой фракции и газообразным фазовым состоянием пылевого облака.

Представлены экспериментальные результаты по осаждению заряженных частиц, имитирующих левитирующую пыль реголита (пылевую плазму) на Луне, на металлические пластины. Эксперимент основан на аналогии физико-химических процессов, развивающихся в реголите при микроволновом разряде, возбуждаемом излучением мощного гиротрона, в лабораторном эксперименте в порошке реголита (лунной пыли) с процессами, которые происходят на Луне при бомбардировке ее поверхности микрометеоритами. Исследуется воздействие левитирующего облака пыли на пластины из молибдена и тантала. Результаты сравниваются с экспериментом по воздействию пыли на пластины из нержавеющей стали. Показано, что на пластины металлов (размер которых составляет 10 мм × 40 мм) осаждаются частицы пыли в виде сфероидов различной величины. Распределение этих частиц по размерам и химический состав покрытия соответствовал лунному реголиту. Установлено, что на равномерность осаждения пыли возможно повлиять, произведя предварительную обработку пластин металлов с помощью низкотемпературной плазмы прямого пьезоразряда. Продемонстрировано, что полученная в лабораторных условиях левитирующая пыль (ансамбли заряженных частиц реголита) может быть использована для имитационных экспериментов для изучения модификации поверхности разных материалов и разработки способов очистки космической техники в условиях лунных экспедиций.

Представлены результаты исследования спектральных плотностей случайных процессов в слабо демпфированной системе частиц в ловушке с эффективным нарушением симметрии межчастичного взаимодействия. Такие стационарные системы могут реализовываться, например, для пылевых микрочастиц в газовых разрядах. Предложены аналитические соотношения для спектральной плотности колебаний как идентичных частиц, так и частиц разного сорта в рассматриваемых системах. Полученные соотношения проверены с помощью численного моделирования динамики частиц.

Представлена теоретическая модель, описывающая возможный механизм формирования и эволюции плазменно-пылевых облаков, зафиксированных в марсианской ионосфере аппаратом Mars Science Laboratory Curiosity в марте 2021 г. Модель описывает, в частности, седиментацию пылевых частиц в пересыщенных парах углекислого газа, рост пылевых зародышей за счет нуклеации углекислого газа, процессы зарядки пылевых частиц, а также временные изменения электронной и ионной концентраций ионосферной плазмы. Показано, что в рамках данной модели оказывается возможным проиллюстрировать образование слоистой структуры пылевого облака, характерное время седиментации которого составляет несколько минут. Рассчитаны характерные размеры пылевых частиц, соответствующие результатам измерений. Кроме того, рассчитаны характерные заряды пылевых частиц в случаях наличия и отсутствия фотоэффекта. Показано, что при отсутствии фотоэффекта пылевые частицы приобретают отрицательный заряд и, кроме того, наблюдается понижение концентраций ионов и электронов плазмы. В случае наличия фотоэффекта частицы с металлическими примесями несут на себе положительный заряд, концентрация электронов плазмы при этом повышается при сохранении понижения ионной концентрации.

Приведен краткий обзор исследований по пылевой плазме, в которых важное место занимает аномальная диссипация, связанная с процессами зарядки пылевых частиц. Отмечается, что аномальная диссипация является одной из основных особенностей, отличающих пылевую плазму от обычной (не содержащей заряженных пылевых частиц) плазмы. Особое внимание уделяется проявлениям аномальной диссипации в плазменно-пылевой системе у Луны и нелинейным волнам, распространяющимся в пылевой плазме. В случае пылевой плазмы у Луны, аномальную диссипацию связывают исключительно с процессами зарядки пылевых частиц. Учет аномальной диссипации позволяет определить, возможно ли использование приближения левитирующих пылевых частиц для описания окололунной пылевой плазмы, т. е. частиц, для которых можно считать, что имеет место баланс между действующими на частицу электростатической и гравитационной силами, или же проявления динамических эффектов (например, осцилляций тракторий пылевых частиц) существенны. При рассмотрении нелинейных волн процессы зарядки пылевых частиц воздействуют на форму нелинейной волны и приводят к ее деформации в смысле нарушения, например, осесимметричной структуры. В результате нелинейная волна приобретает характерные черты ударно-волновой структуры. Процессы поглощения ионов пылевыми частицами и кулоновских столкновений между ионами и пылевыми частицами приводят к уменьшению амплитуды нелинейного возмущения. Получено условие существования “слабодиссипативных” солитонов. Оказывается, что “слабодиссипативные” солитоны могут существовать до тех пор, пока они еще не очень сильно деформировались (в смысле нарушения осесимметричной структуры). При этом их амплитуда уменьшается. Проявления аномальной диссипации важны в пылевой плазме в лаборатории и природе, например, в окрестностях Луны, безатмосферных тел Солнечной системы, комет и т. д.

Описан механизм модуляционного взаимодействия различных волновых мод в хвостах метеороидов. Модуляционная неустойчивость различных мод колебаний может приводить к возникновению ряда наблюдательных эффектов в метеороидных хвостах таких, как электрофонные шумы. В частности, это может быть модуляционная неустойчивость электромагнитных волн от ударной волны метеороида, связанная с пылевой звуковой модой, а также модуляционая неустойчивость нижнегибридных и ленгмюровских волн. В первом случае могут рождаться волны, которые потом преобразуются в звуковые, когда дойдут до поверхности Земли. В двух последних случаях могут возникать магнитные поля, величины которых сравнимы с наблюдаемыми магнитными полями во время экспериментов с магнитометрами, а также распространяться поперечные электромагнитные колебания, которые, достигая поверхности Земли, могут восприниматься как электрофонные шумы, слышимые одновременно с пролетом метеороидов. Рассматривается влияние вспышек метеоров на параметры пылевой плазмы хвостов метеороидов в зависимости от высоты пролета метеорных тел. Оценены характерные концентрации пылевых частиц в хвостах метеороидов во время вспышек от высоты. Показано на примере модуляционной неустойчивости электромагнитных волн, связанной с пылевой звуковой модой, как концентрация пылевых частиц, увеличенная во время вспышек, будет влиять на величину инкрементов неустойчивости и условия ее развития.

Проанализированы экспериментально полученные данные о движении одиночной коллоидной частицы в ловушке в приэлектродном слое плазмы ВЧ-разряда. Эксперимент проводился с коллоидами трех типов: непокрытые меламин-формальдегидные частицы, меламин-формальдегидные частицы с тонким медным покрытием и янус-частицы, частично покрытые железом. На коллоиды воздействовал плоский широкий лазерный пучок, позволяя визуализировать их и изменять их кинетическую энергию. Для анализа движения частиц были построены функции их динамической энтропии первого пересечения, найдена область локализации частиц и фрактальная размерность их траекторий. Полученные результаты свидетельствуют о значительном различии между коллоидами разных типов, а также об эволюции их движения с изменением кинетической энергии. Показано, что фрактальная размерность траекторий частиц всех типов является дробной и уменьшается с увеличением их кинетической энергии.

На основе интегральных уравнений Орнштейна–Цернике для многокомпонентной жидкости проведено исследование термодинамической устойчивости многокомпонентной плазмы. В условиях применимости дебаевского приближения для прямых корреляционных функций для всех компонент плазмы, кроме самой неидеальной подсистемы, для плазмы с любым числом компонент выполнен переход к однокомпонентному уравнению Орнштейна–Цернике для самой неидеальной подсистемы. Показано, что все парные корреляционные функции, структурные факторы заряд-заряд и частица-частица остаются положительными при всех значениях аргумента во всем исследованном диапазоне параметра неидеальности самой неидеальной подсистемы. Исследованы условия нарушения термодинамической устойчивости трехкомпонентной пылевой плазмы при разных знаках заряда пылевых частиц и разных их концентрациях.

Краткое описание истории проведения Международных конференций по физике пылевой плазмы. Особое внимание уделяется 9-й Международной конференции по физике пылевой плазмы, которая проводилась в г. Москве.