Процессы самоорганизации в ультрахолодной пылевой плазме

Явления самоорганизации в природе чрезвычайно разнообразны и происходят в различных по сложности и масштабности системах: от физических систем, исследуемых в наномире и в астрономии, до социальных и экономических процессов в человеческом обществе. Явления самоорганизации характерны для открытых неравновесных систем, отличающихся нелинейностью взаимодействия составляющих их объектов. К таким системам относится и пылевая плазма, образованная заряженными частицами микронных размеров, удерживаемыми в плазме газового электрического разряда. Интенсивное рассеяние лазерного излучения частицами позволяет легко наблюдать и исследовать системы, образованные заряженными пылевыми частицами, отслеживая их координаты и скорости в реальном времени. По этой причине пылевая плазма является удобным инструментом для исследованияразнообразных явлений, например, трёхмерных и двумерных фазовых переходов, формирования нелинейных волн, в том числе с аномально большой амплитудой. По сравнению с альтернативными системами, например, кластерами микрокапель воды, левитирующих над разогретыми поверхностями, пылевая плазма предоставляет уникальную возможность варьирования в широком диапазоне (более, чем на 2 порядка величины) температуры плазмообразующего газа – газообразного гелия и исследования влияния изменения температуры газа на свойства пылевой плазмы и процессы, происходящие в ней. До недавнего времени были проведены немногочисленные сравнительные исследования пылевой плазмы при температурах 77 К и 4.2 К, результаты которых были собраны и проанализированы в работе. Выполненные эксперименты дали противоречивые результаты относительно уменьшения расстояния между частицами при понижении температуры, а также опровергли предположения об уменьшениикинетической энергии пылевых частиц по мере понижения температуры нейтрального газа, что привело бы к формированию сверхплотных упорядоченных плазменно-пылевых структур. Кроме того выяснилось, что понижение температуры нейтрального газа приводит к уменьшению величины заряда частиц, приобретаемого ими в плазме. Наряду с необходимостью получения новой информации о свойствах пылевой плазмы при криогенных температурах, оставался открытым вопрос о нижней границе температур, при которых ещё можно проводить экспериментальные исследования пылевой плазмы. С другой стороны, интерес к исследованию криогенной пылевой плазмы также вызван и относительно слабой изученностью плазмы газового разряда при температурах ниже 5 К. Основной проблемой является не столько достижение температуры жидкого гелия, 4.2 K, чтобы использовать его для охлаждения трубки, сколько ограничение на мощность, выделяемую в разряде и приводящую к разогреву газообразного гелия. В результате до сих пор нет достоверной информации об основных носителях положительных зарядов, поскольку уже при температурах ≈ 80 K в газовом разряде относительные концентрации молекулярных ионов He3+ и He4+ достигают, соответственно, 10 и 1%. Соответственно, не известен и механизм проводимости в криогенной плазме тлеющего разряда при T < 5 K, в которой может полностью отсутствовать свечение из зоны разряда. Необходимо отметить возможность участия в этоммеханизме при T ~ 1 K и метастабильных отрицательных ионов гелия He- и He2-, с временами жизни 359 мс и 135 мс, соответственно. Оба аниона гелия, He- и He2-, образуются при участии метастабильных атомов He*, концентрациякоторых уже при T ≈ 10 K может достигать величин ~ 10^13 см-3 при общей концентрации атомов гелия ~ 10^17 см-3. В ходе выполнения проекта будет получен ряд приоритетных результатов мирового уровня о пылевой плазме тлеющего разряда постоянного тока в трубке, охлаждаемой сверхтекучим гелием, а именно, будут исследованы условия существования стабильных режимов генерации тлеющего разряда в газообразном гелии при температурах ниже 4.2 К; будут определены условия существования плазменно-пылевых структур, образованных монодисперсными и полидисперсными макрочастицами; будут исследованы условия, оптимальные для формирования потока полимерных нанокластеров с поверхности специальной вставки; будут изучены процессы самоорганизации в плазменно-пылевых структурах; будут изучены нелинейные волновые процессы в облаке полимерных нанокластеров при криогенных температурах; будут определены условия формирования и роста сплошных связанных структур (полимерных волокон) в области криогенного разряда; будет исследована модификация поверхности частиц в плазменно-пылевой структуре, в результате осаждения покрытия на их поверхности; будут определены новые закономерности самоорганизации в пылевой плазме, обусловленные экстремальным состоянием буферного газа; будут исследованы неустойчивыесостояния пылевого облака, позволяющие изучить как параметры газового разряда так и параметры пылевых частиц в плазме, а также получены закономерности взаимодействия пылеакустических волн нанокластеров с макрочастицами в плазме.