Структурные и динамические свойства пылевой плазмы в условиях микрогравитации

Проект, являющийся продолжением Проекта РНФ 14-12-01235, направлен на фундаментальное исследование физики пылевой плазмы, в которой существенную роль играют заряженные макрочастицы, как в наземной лаборатории, так и в условиях микрогравитации. При проведении экспериментов с пылевой плазмой в условиях микрогравитации при орбитальном космическом полете устраняется влияние гравитации, значительно ограничивающей возможности лабораторных исследований в наземных условиях. Будут продолжены экспериментальные исследования физики пылевой плазмы в условиях микрогравитации с помощью установки «Плазменный кристалл-4» (ПК-4) на Международной космической станции. Эта установка дает уникальную возможность исследовать комплексную плазму с управляемой анизотропией. Эксперименты с электрическим полем переменной полярности позволят изучать электрореологические системы в жидкой и твердой фазе, и продемонстрируют междисциплинарный характер предлагаемых исследований, в частности, связь между пылевой плазмой, коллоидами и мягкой материей. Будет проведено экспериментальное исследование явления анизотропного упорядочивания протяженных пылевых структур в виде цепочек в однородном положительном столбе разряда постоянного тока с переменной полярностью. Такая анизотропия является следствием негамильтонова взаимодействия заряженных пылевых частиц, находящихся во внешнем электрическом поле. Впервые в плазме разряда постоянного тока в условиях микрогравитации будут проводиться поисковые эксперименты по физике бинарной пылевой плазмы. Исследование разделения фаз в многокомпонентных смесях по-прежнему привлекает внимание как в теоретическом, так и экспериментальном плане, в частности, известны исследования в коллоидах. Типичные размеры частиц в пылевой плазме в 100 - 1000 раз больше, чем в коллоидно-полимерных смесях, и, следовательно, бинарная комплексная плазма имеет то преимущество, что эта система создает условия для изучения разделения фаз на уровне отдельных частиц. Это позволит на уровне элементарной кинетики наблюдать, например, переход от начального диффузионного к вязкому режиму роста зародышей новой фазы и другие эффекты. Большой интерес для физики разрядов постоянного тока представляет исследование параметров и условий возбуждения бегущих страт в разряде постоянного тока в неоне в режимах, соответствующих разряду на установке ПК-4 на борту МКС. Будут измерены амплитуды осцилляций свечения плазмы, периоды и фазовые скорости страт при разных давлениях и токах, а также при различных параметрах цепей питания разряда и концентрациях примесей в неоне. Будет выполнено экспериментальное исследование самоорганизации протяженных плазменно-пылевых структур в разряде постоянного тока в условиях микрогравитации на установке ПК-4 и теоретическая интерпретация результатов экспериментов. Важным является экспериментальное исследование влияния пылевых частиц на интенсивности различных спектральных линий неона в положительном столбе разряда постоянного тока. Известно, что основным параметром, влияющим на изменение относительных интенсивностей спектральных линий, является температура электронов. Предполагается получить данные об изменении электронной температуры в протяженном плазменно-пылевом облаке на основе измеренных спектров с использованием модели разряда с пылевыми частицами, созданной ранее в рамках Проекта 2014. Как известно, открытые нелинейные системы обладают свойством самоорганизации, которое заключается в самопроизвольном появлении устойчивых структур, являющихся проявлением неравновесных фазовых переходов. Пример такого перехода — образование проходов в системе двух видов частиц, приводимых в движение друг против друга. В пылевой плазме с частицами двух размеров было экспериментально обнаружено образование проходов, аналогичных формирующимся в коллоидах. Сила, действующая на отдельную частицу, находящуюся в облаке покоящихся частиц (движущая сила) складывается из силы действия электрического поля и противоположно направленной силы ионного увлечения. Вычисление движущей силы для конкретной системы является фундаментальной задачей, без решения которой невозможно описание неравновесного фазового перехода. Планируется решить задачу о вычислении этой силы, используя в качестве основы ранее разработанную нами в рамках Проекта 2014 модель пылевой плазмы со свойством подобия с учетом зависимости локальной длины свободного пробега ионов от концентрации пылевых частиц, после чего провести экспериментальное и теоретическое исследование особенностей неравновесного фазового перехода в комплексной плазме — образования проходов. Впервые будут выполнены эксперименты по исследованию неравновесного фазового перехода (формирование отдельными заряженными пылевыми частицами так называемых "полос движения") в разряде постоянного тока. Будет предложена теория взаимодействия заряженных пылевых частиц в анизотропной плазме в диффузионно-дрейфовом пределе. Будет рассчитано распределение потенциалов вокруг заряженной частицы в столкновительной плазме при наличии внешнего однородного поля с учетом рекомбинации плазмы на частице и зависимости подвижности ионов от напряженности электрического поля. Исследования кристаллических структур в пылевой плазме проводились различными научными группами в течение длительного времени. Однако кинетика плавления и кристаллизации, которые являются фазовыми переходами первого рода, остается малоисследованной. Предполагается провести детальный анализ экспериментальных данных и описать теоретически кинетику кристаллизации. Анализ данных эксперимента будет проведен на основе разработанного ранее в Проекте 2014 метода определения трехмерных координат отдельных частиц в экспериментах с объемным сканированием пылевого облака. Предполагается исследовать нелинейное экранирование в пылевой плазме в условиях сильной неидеальности в условиях температур низких в сравнении с глубиной притяжения макро- и микроионов. Кроме того, предполагается изучить малоисследованные фазовые переходы 1-го рода с значительным разрывом (скачком) плотности и теплотой перехода – изоструктурные, типа газ – жидкость, и неизоструктурные, типа кристалл – газ (сублимация), а также планируется изучение неисследованного ранее свойства неконгруэнтности фазовых переходов в вариантах рассматриваемых систем комплексной плазмы при наличии двух сортов макроионов.