Экспериментальные и теоретические исследования сильнонеравновесных процессов, в том числе неравновесных фазовых переходов, в активных кулоновских, в том числе плазменно-пылевых, системах

Проведены экспериментальные исследования структурных и динамических свойств активных кулоновских систем в двух- и трехмерной геометрии. Экспериментально и теоретически исследованы структурные и динамические фазовые переходы в плазменно-пылевых структурах из поглощающих макрочастиц, обладающих анизотропией свойств, левитирующих в плазме емкостного высокочастотного разряда и тлеющего разряда постоянного тока. Установлено, что при изменении свойств материалов пылевых частиц (увеличении коэффициента поглощения и плотности) их активность растет с увеличением мощности воздействующего лазерного излучения. Сделан вывод, что с ростом анизотропии поверхности и формы пылевых частиц изменяется характер движения частиц от броуновского до орбитального, и становится возможным динамический фазовый переход в плазменно-пылевой структуре таких частиц при увеличении мощности лазерного излучения. В результате анализа среднеквадратичного смещения частиц и динамической энтропии в двух- и трехмерной геометрии установлено, что динамика движения макрочастиц изменяется и соответствует трем режимам (удержание ловушкой, броуновское движение и комбинированное направленно-хаотическое движение). В результате анализа линейного смещения выявлено, что макрочастицы из поглощающих материалов с анизотропией по форме и поверхности являются активными броуновскими частицами, и их активность растет с увеличением мощности лазерного излучения, приводя к структурным и динамическим фазовым переходам. Проведено экспериментальное исследование движения полидисперсных капель эмульсий, содержащих углеродные частицы, при воздействии лазерного излучения. Эксперименты проводили в эмульсионных системах прямого типа, представляющих собой полидисперсные капли вазелинового масла с добавлением углеродных субмикронных частиц, помещенные в водный раствор стабилизатора. Углеродные частицы могут эффективно поглощать лазерное излучение, в результате чего возникающая фотофоретическая сила может вызывать движение этих частиц внутри капли эмульсии, что приводит к движению самих капель эмульсии. В результате анализа зависимости среднего квадратичного смещения капель эмульсии от времени охарактеризован вид движения: в течение первых 20 с капли двигались в переходном диффузионном режиме, впоследствии для большинства капель наблюдали выход на плато, что может быть схоже с поведением частиц в ловушке, а для некоторых - переход к нормальной диффузии. Экспериментально установлено, что при воздействии лазерного излучения на капли эмульсии величина линейного смещения вдоль направления движения отлична от 0, в то время как величина линейного смещения поперек направления движения остается постоянной и в пределах погрешности равна 0. Сделан вывод, что движение капель эмульсии, содержащих субмикронные углеродные частицы, является активным броуновским, а их траектории движения состояли из прямолинейных участков различного направления в плоскости движения. На основе МГД-модели пылевой плазмы с самосогласованным зарядом пылевого компонента разработан новый подход к анализу пылеакустических солитонов. Задача сведена к решению одного обычного дифференциального уравнения 2-го порядка для самосогласованного заряда пылевых частиц. Главным преимуществом новой методики является использование только элементарных функций, что облегчает ее практическое применение. Получены аналитические выражения для псевдопотенциала Сагдеева в явном виде с использованием функции Ламберта. Оба метода решения дают полностью совместимые результаты, однако численные расчеты с использованием только элементарных функций примерно на порядок быстрее. С использованием метода Рунге - Кутты проведен анализ численных решений полученных уравнений. Расчеты выполнены в широком диапазоне плазменных параметров, охватывающем большинство практически важных случаев. Показано, что учет самосогласованного заряд пыли сильно влияет на свойства солитонов при δ >> 1. Найдено значение δ = δcrit, выше которого солитонные решения существовать не могут. Показано, что скорость солитонов может быть существенно дозвуковой, вплоть до нуля при δ → δcrit. При этом возмущения концентрации пыли в солитонах остаются большими, достаточными для надежной регистрации солитонов в эксперименте. Показано, что при δ → δcrit заряд пылевых частиц внутри солитонов уменьшается до нуля. Другими словами, солитоны могут существенно разряжать пылевые частицы при δ >> 1. Эта разрядка является динамической, т.е. заряд частиц уменьшается только тогда, когда частица находится внутри солитона. Учет разрядки пылевых частиц необходимо учитывать при построении нелинейных моделей, учитывающих давление. Разрядка пылевых частиц пылеакустическими солитонами и нелинейными волнами может привести к «взрывному» распаду волны. Расчеты выполнены для водородной, гелиевой и аргоновой плазмы.