Процессы самоорганизации в ультрахолодной пылевой плазме (2 этап заключительный)

В проекте экспериментально изучен синтез наночастиц и микрочастиц в плазме тлеющего разряда постоянного тока. Наблюдалось формирование и рост плазменно-пылевых структур в страте газового разряда. На основе анализа методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеновского энергодисперсионного (EDX) микроанализа синтезированных частиц показано, что они образовались из распыленного материала полимерной вставки. Уже через 600 секунд для синтезируемых частиц в EDX микроанализе их состава появляются спектры металлов (Cr, Fe, Ni), а частицы проявляют способность в результате поглощения лазерного излучения преобразовывать поступающую энергию лазерного излучения в энергию собственного движения. Обнаружены характерные фракции нано и микрочастиц частиц различной формы и размера. Проведены растровое электронное микроскопирование и рентгеновский энергодисперсионный микроанализа. Рассмотрен возможный механизм формирования конденсированной дисперсной фазы. Данный способ синтеза нано и микрочастиц, а также их инжекции в плазму и формирования плазменно-пылевых структур может быть использован для изучения эволюции плазменно-пылевых систем активных частиц и проявлении коллективных явлений Экспериментально изучена динамика активных макрочастиц при изменении температуры буферного газа с комнатной (T = 290 К) до криогенной (T = 2 К). Были получены нитевидные (цепочечные) структуры во всех экспериментах. На основе экспериментальных видеоданных были определены координаты частиц и их траектории, получены зависимости динамической энтропии первого пересечения для каждой пылевой частицы в структуре, значения фрактальной размерности и области локализации частиц. Выяснилось, что для ультранизких температур фрактальная размерность траекторий частиц ниже, чем для частиц при комнатной температуре при тех же мощностях лазерного излучения. Области локализации частиц при комнатной температуре растут с увеличением их кинетической энергии, причём для янус-частиц можно различить две ветви с различной эффективностью роста. Изучен экспорт и импорт энтропии в системах активных макрочастиц при различных значениях мощности лазерного излучения в плазме тлеющего разряда постоянного тока. Показано, что зависимость разности экспорта и импорта энтропии от интенсивности лазерного излучения отражают изменения в динамике и структуре систем активных макрочастиц. Была исследована эволюция плазменно-пылевых структур, образованных активными частицами в ультрахолодной гелиевой плазме тлеющего разряда в зависимости от интенсивности лазерного излучения, воздействующего на частицы, при температурах менее 2 К. Обнаружена немонотонная зависимость стабильности структур от интенсивности лазерного излучения, инициирующего кинетический разогрев пылевых частиц. Изучены механизмы аномального кинетического разогрева частиц при различных давлениях буферного газа и его различной температуре (вплоть до 2К). Анализ экспериментальных данных с помощью разработанной теоретической модели показал, что при «комнатной» температуре (290К) доминирующим механизмом кинетического разогрева микрочастиц в газоразрядной плазме является работа непотенциальных сил, связанных с индуцируемым микрочастицами кильватерным следом. Однако в плазме ультрахолодного газа (1.93К) доминирующим источником кинетического разогрева микрочастиц становятся воздействующие на них случайные процессы. При этом если при «комнатной» температуре интенсивность действующих на частицы случайных процессов соответствует температуре теплового источника близкой по величине к температуре буферного газа, то при понижении температуры газа на два порядка температура теплового источника возрастает на порядок. Детально рассмотрен механизм формирования нелинейных волн в криогенной плазме с дисперсной фазой из полимерных наночастиц, образованных в результате ионного распыления вставки. Анализ экспериментальных данных позволил установить важные параметры многокомпонентной плазменно-пылевой структуры которая формировалась в тлеющем разряде ультранизкой температуры. Было показано что рассмотренная пылевая плазма содержала электроны, ионы, атомы гелия, пылевые частицы микронных размеров и фракцию нанометровых полимерных частиц конденсированных в процессе эксперимента из материала полимерной вставки распыленной потоком ионов. Было установлено, что конденсированная нанометровая фракция дрейфовала вверх со сверхзвуковой скоростью. В этих условиях основным механизмом развития пыле-акустической неустойчивости является потоковый механизм, проявляющийся в условиях взаимного трения нейтрального газа и пылевой фракции при наличии их относительного движения. Для рассматриваемого случая построено дисперсионное соотношение и показано, в условиях близких к экспериментальным неустойчивость имеет положительный инкремент. Было обнаружено вихревое движение отдельных заряженных пылевых частиц в криогенной околоидеальной (Г<1) пылевой плазме в тлеющем разряде. Показано, что движение пылевых частиц представляет собой суперпозицию колебательного, вихревого и хаотического движений. Механизм вихревого движения индуцирован нелинейной пыле-акустической волной и силами электростатического отталкивания.