Плазма в космосе. Плазменные кристаллы: от космических исследований до медицинских применений на Земле и вновь обратно в космос. Подписи к иллюстрациям

Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе абсолютный физический вакуум, а стало быть ничего не содержится. И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:

• Корональный газ
• Яркие области HII
• Зоны HII низкой плотности
• Межоблачная среда
• Тёплые области HI
• Мазерные конденсации
• Облака HI
• Гигантские молекулярные облака
• Молекулярные облака
• Глобулы

Мы не будем сейчас вдаваться в подробности что есть каждая структура, так как тема данной публикации - плазма. К плазматическим структрам можно отнести: корональный газ, яркие области HII, Тёплые области HI, Облака HI, т.е. практически весь список можно назвать плазмой. Но, возразите Вы, космос физический вакуум, и как же там может быть плазма с такой концентрацией частиц?

Чтобы ответить на данный вопрос, надо дать определение: что же такое плазма и по каким параметрам физики считают данное состояние вещества плазмой?
Согласно современным представлениям о плазме, это четвёртое состояние вещества, которое находится в газообразном состоянии, сильно ионизированное (первое состояние - твёрдое тело, второе - жидкое состояние и наконец третье - газообразное). Но не каждый газ, даже ионизированный, является плазмой.

Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная

$$display$$r = N_e/N_n$$display$$

$inline$N_e$inline$

Концентрация электронов,

$inline$N_n$inline$

Концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне

$inline$(r . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации $inline$r to infty$inline$

Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?

Итак, требование квазинейтральности следующее:

$$display$$sum_{alpha}e_{alpha}N_{alpha} = 0$$display$$

Давайте сначала выясним, как физики оценивают временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что некоторый электрон в плазме отклонился от своего первоначального равновесного положения в пространстве. На электрон начинает действовать кулоновская сила , стремящаяся вернуть электрон в равновесное состояние, т.е.

$inline$F approx e^2/{r^2}_{ср}$inline$

$inline$r_{ср}$inline$

Среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть

$inline$N_e$inline$

Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга

$inline$r_{ср}$inline$

Значит занимают объём в среднем

$inline$V = frac{4}{3}pi r_{ср}^3$inline$

Отсюда, если в этом объёме 1 электрон,

$inline$r_{ср} = (frac{3}{4pi N_e})^{1/3}$inline$

В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой

$$display$$omega approx sqrt{frac{F}{mr_{ср}}} approx sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{3m}}$$display$$

Более точная формула

$$display$$omega_{Le} = sqrt{frac{4pi e^2 N_e}{m}}$$display$$

Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой . Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».

Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте

$$display$$tau = 2pi / omega_{Le}$$display$$

В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени

$inline$t >> tau$inline$

частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.

Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен

$$display$$r_{De} approx frac{upsilon_{Te}}{omega_{Le}} = sqrt{frac{kT_e}{4pi e^2 N_e}}$$display$$

$inline$upsilon_{Te} = sqrt{frac{kT_e}{m}}$inline$

Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией

$inline$E_k = frac{m upsilon^2}{2}$inline$

С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится

$inline$E = frac{1}{2} kT_e$inline$

Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.

Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .

Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной

$inline$sum e_j n_j$inline$

$inline$e_j$inline$

Заряд электрона,

$inline$n_j$inline$

Концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_j$$display$$

$inline$epsilon$inline$

Диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана

$$display$$n_j ({r}) = n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$$display$$

Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим

$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum e_j n_0 exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e})$$display$$

Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.

$$display$$exp(- frac{e_j phi({r})}{kT_e}) = 1 – frac{e_j phi({r})}{kT_e}$$display$$

Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим

$$display$$bigtriangledown^2 phi({r}) = (sum frac{n_{0j} e_{j}^2}{epsilon epsilon_0 kT_e}) phi({r}) – frac{1}{epsilon epsilon_0} sum n_{0j} e_{j}$$display$$

Это и есть уравнение Дебая. Более точное название - уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая .

В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около

$inline$10^5$inline$

метров. Мы видим что это достаточно большие величины, по сравнению например с диэлектриками. Это означает что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия, с частотой равной ленгмюровской.

Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму

В ноябре было объявлено о прекращении на МКС эксперимента «Плазменный кристалл». Специальное оборудование для эксперимента было помещено в грузовой корабль «Альберт Эйнштейн» и сгорело вместе с ним над Тихим океаном. Так закончилась длинная история, наверное, самого известного космического эксперимента. Я хочу рассказать о нём и чуть-чуть рассказать о науке на МКС в целом.

А где открытия?

Идея эксперимента

В первом варианте эксперимента (на картинке) ампула с пылевой плазмой подсвечивалась лучами Солнца, пыль в плазме подсвечивал лазер, и подсвеченный участок снимался на камеру. В дальнейшем применялись более сложные экспериментальные установки. «Черная бочка», сгоревшая вместе с «Альбертом Эйнштейном» была установкой уже третьего поколения.

Результаты

Перспективы

• Формирования в пылевой плазме наноматериалов с уникальными свойствами.
• Осаждения материалов из пылевой плазмы на подложку и получения новых типов покрытий - многослойных, пористых, композитных.
• Очистки воздуха от промышленных и радиационных выбросов и при плазменном травлении микросхем.
• Плазменной стерилизация неживых предметов и открытых ран на живых существах.

Академик В. ФОРТОВ, директор Института теплофизики экстремальных состояний Российской академии наук.

В апреле 2005 года академик Владимир Евгеньевич Фортов получил престижную международную награду - золотую медаль имени Альберта Эйнштейна, присужденную ему за выдающийся вклад в развитие физической науки и международного научного сотрудничества. Научные интересы академика Фортова лежат в области физики экстремальных состояний вещества, включая плазму. Если не считать темную материю, плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95% обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна. Плазма излучает свет в электроразрядных лампах, создает цветное изображение в плазменных панелях. В плазменных реакторах потоки плазмы используют для производства микросхем, упрочнения металлов и очистки поверхностей. Плазменные установки перерабатывают отходы и производят энергию. Физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Одно из интереснейших явлений, обнаруженных недавно в низкотемпературной плазме, - образование "плазменного кристалла", то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

Космонавты С. Крикалев и Ю. Гидзенко устанавливают аппаратуру "Плазменный кристалл" на МКС (2001 г.).

ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА?

Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.

В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие твердых частиц, которые попадают в плазму в результате разрушения электродов и стенок разрядной камеры, не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Чтобы уменьшить или предотвратить эти негативные явления, необходимо разобраться в том, как идут процессы образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме и как плазменные пылинки влияют на свойства разряда.

ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ

Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон. Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильнонеидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие "берет верх" над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом. В ранних экспериментах образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. В более поздних работах произведены наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица "ловит" электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на ее поверхности не сравняются. В экспериментах с высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 10 4 - 10 5 электронных зарядов). Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоев частиц составляло несколько десятков, а расстояние между частицами - несколько сотен микрометров.

УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ...

В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН (ИТЭС РАН) с 1991 года изучают пылевую плазму и создают разнообразные методы ее диагностики. Исследована пылевая плазма разных видов: термическая плазма, газоразрядная плазма тлеющего и высокочастот ного разрядов, фотоэмиссионная и ядерно-возбуждаемая плазма.

Термическая плазма, образующаяся в пламени газовой горелки при атмосферном давлении, имеет температуру от 1700 до 2200 К, причем температуры электронов, ионов и нейтральных частиц в ней равны. В потоке такой плазмы изучали поведение частиц диоксида церия (CeO 2). Особенность этого вещества в том, что электроны довольно легко улетают с его поверхности - работа выхода электрона составляет всего около 2,75 эВ. Поэтому пылевые частицы заряжаются как потоками электронов и ионов из плазмы, так и за счет термоэлектронной эмиссии - испусканием электронов нагретой частицей, что создает положительный заряд.

Пространственные структуры макрочастиц анализировали при помощи лазерного излучения, дающего корреляционную функцию g(r) , смысл которой состоит в следующем. Если зафиксировать расположение в пространстве одной из частиц, то функция показывает вероятность нахождения любой другой частицы на расстоянии r от данной. А это позволяет сделать вывод о пространственном расположении частиц - хаотическом или упорядоченном, характерном для жидкостных и кристаллических структур.

Типичные корреляционные функции g(r) для частиц CeO 2 в аэрозольной струе при комнатной температуре и в плазме представлены на илл. 1. При высокой температуре плазмы (2170 K) и невысокой концентрации макрочастиц (б) корреляционная функция имеет почти такой же вид, как для струи обычного аэрозоля при комнатной температуре (а). Это означает, что частицы в плазме взаимодействуют слабо и образования упорядоченных структур не происходит. При меньшей температуре плазмы (1700 К) и более высокой концентрации частиц корреляционная функция принимает вид, характерный для жидкости: есть ярко выраженный максимум, что свидетельствует о наличии ближнего порядка в расположении частиц (в). В этом эксперименте положительный заряд частиц составлял величину около 1000 зарядов электрона. Относительно слабую упорядоченность структуры можно объяснить малым временем существования плазмы (около 20 тысячных долей секунды), за которое процесс формирования плазменного кристалла не успевает завершиться.

... И ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

В термической плазме температура всех частиц одинакова, а в плазме тлеющего газового разряда ситуация иная - электронная температура много больше ионной. Это создает предпосылки для возникновения упорядоченных структур пылевой плазмы - плазменных кристаллов.

В тлеющем газовом разряде при определенных условиях возникают стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости, регулярно чередующиеся с темными промежутками. Концентрация электронов и электрическое поле сильно неоднородны по длине страты. Поэтому в голове каждой страты образуется электростатическая ловушка, которая при вертикальном положении разрядной трубки способна удержать мелкодисперсные частицы в области положительного столба разряда.

Процесс формирования структуры выглядит следующим образом: высыпанные из контейнера в разряд микронные частицы заряжаются в плазме и выстраиваются в структуру, сохраняющуюся сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда. Лазерный луч подсвечивает частицы в горизонтальной или вертикальной плоскости (илл. 2). Образование пространственной структуры фиксирует видеокамера. Отдельные частицы можно видеть невооруженным глазом. В эксперименте использовали частицы нескольких типов - полые микросферы из боросиликатного стекла и частицы меламинформальдегида диаметром от одного до ста микрометров.

В центре страты образуется пылевое облако диаметром до нескольких десятков миллиметров. Частицы располагаются в горизонтальных слоях, образуя гексагональные структуры (илл. 3а). Расстояния между слоями составляют от 250 до 400 мкм, расстояния между частицами в горизонтальной плоскости - от 350 до 600 мкм. Функция распределения частиц g(r) имеет несколько ярко выраженных максимумов, что подтверждает существование дальнего порядка в расположении частиц и означает формирование кристаллической структуры, хотя плазменные пылевые кристаллы хорошо видны и невооруженным глазом.

Изменяя параметры разряда, можно влиять на форму облака частиц и даже наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость ("плавление" кристалла) и затем в газ. Используя несферические частицы - нейлоновые цилиндры длиной 200-300 мкм, - удалось получить также структуру, подобную жидкому кристаллу (илл. 4).

ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В КОСМОСЕ

На Земле дальнейшему изучению плазменных кристаллов мешает сила тяжести. Поэтому было решено начать эксперименты в космосе, в условиях микрогравитации.

Первый эксперимент провели космонавты А. Я. Соловьев и П. В. Виноградов на российском орбитальном комплексе "Мир" в январе 1998 года. Им предстояло изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в невесомости под действием солнечного света.

В стеклянных ампулах, заполненных неоном, находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при давлениях 0,01 и 40 Торр. Ампулу устанавливали возле иллюминатора, встряхивали и регистрировали с помощью видеокамеры движение частиц, подсвеченных лазером. Наблюдения показали, что вначале частицы движутся хаотически, а затем появляется направленное движение, которое связано с диффузией плазмы на стенки ампулы.

Обнаружился еще один интересный факт: через несколько секунд после встряхивания ампулы частицы начинали слипаться, образуя агломераты. Под действием солнечного света агломераты распадались. Агломерация может быть связана с тем, что в начальные моменты освещения частицы приобретают разноименные заряды: положительные - за счет эмиссии фотоэлектронов, отрицательные - заряжаясь потоками плазменных электронов, эмитированных с других частиц, - и разноименно заряженные частицы слипаются друг с другом.

Анализируя поведение макрочастиц, можно оценить величину их заряда (около 1000 зарядов электрона). В большинстве случаев частицы образовывали только жидкостную структуру, хотя иногда и возникали кристаллы.

В начале 1998 года было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента "Плазменный кристалл" на борту российского сегмента Международной космической станции (PC MKC). Постановку и подготовку эксперимента осуществляли ученые Института теплофизики экстремальных состояний РАН с участием Института внеземной физики Макса Планка (Германия) и Ракетно-космической корпорации "Энергия".

Основным элементом аппаратуры служит вакуумная плазменная камера (илл. 5), состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянных вставок квадратного сечения. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного разряда. В электроды встроены устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. Вся оптическая система, включая две цифровые камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, установлена на подвижной плите, которую можно перемещать, сканируя плазменно-пылевую структуру.

Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировоч ный) и полетный. В феврале 2001 года, после испытаний и предполетной подготовки на Байконуре, летный комплект доставили на служебный модуль российского сегмента МКС.

Первый эксперимент с частицами из меламинформальдегида выполнен в 2001 году. Ожидания ученых оправдались: впервые было обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности - трехмерных плазменных кристаллов с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками (илл. 7).

Возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности возрастает, если использовать высокочастотный индукционный разряд. В области между однородной плазмой и ограничивающей ее стенкой или окружающим нейтральным газом можно ожидать левитации (зависания) как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей. В цилиндрических стеклянных трубках, где разряд возбуждается кольцевым электродом, над плазменным образованием зависает большое число частиц. В зависимости от давления и мощности возникают либо устойчивые кристаллические структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо конвективные потоки частиц. При использовании плоского электрода частицы зависают над дном наполненной неоном колбы и образуют упорядоченную структуру - плазменный кристалл. Пока что такие эксперименты проводятся в лабораториях на Земле и в условиях параболического полета, но в перспективе и эту аппаратуру планирует ся установить на МКС.

Уникальные свойства плазменных кристаллов (простота получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения) делают их прекрасным объектом при исследовании как свойств сильно неидеальной плазмы, так и фундаментальных свойств кристаллов. Результаты могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов и изучения физических процессов с их участием.

Структуры макрочастиц в плазме - хороший инструмент и для прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением нежелательных частиц пыли при производстве микросхем, с конструированием и синтезом малого кристалла - нанокристалла, нанокластера, при плазменном напылении, с сепарацией частиц по размерам, разработкой новых высокоэффективных источников света, созданием электрических ядерных батарей и лазеров, рабочим телом в которых являются частицы радиоактивного вещества.

Наконец, вполне реально создание технологий, которые позволят осуществлять контролируемое осаждение взвешенных в плазме частиц на подложку и тем самым создавать покрытия с особыми свойствами, в том числе пористые и композитные, а также формировать частицы с многослойным покрытием из материалов с различными свойствами.

Возникают интересные задачи в микробиологии, медицине, экологии. Список возможного применения пылевой плазмы непрерывно расширяется.

Подписи к иллюстрациям

Илл. 1. Корреляционная функция g(r) показывает, с какой вероятностью можно найти другую частицу на расстоянии r от данной. Для частиц CeO 2 в воздушной струе при комнатной температуре 300 К (а) и в плазме при температуре 2170 К (б) функция указывает на хаотичное распределение частиц. В плазме при температуре 1700 К (в) функция имеет максимум, то есть возникает структура, подобная жидкости.

Илл. 2. Установка для исследования пылевой плазмы в тлеющем разряде постоянного тока представляет собой вертикально ориентированную трубку, заполненную неоном при низком давлении, в которой создается тлеющий разряд. При определенных условиях в разряде наблюдаются стоячие страты - неподвижные зоны неравномерной светимости. Пылевые частицы содержатся в контейнере с сетчатым дном над областью разряда. При встряхивании контейнера частицы падают вниз и зависают в стратах, образуя упорядоченные структуры. Чтобы пыль была видна, ее подсвечивают плоским лазерным лучом. Рассеянный свет регистрируется видеокамерой. На экране монитора - видеоизображение плазменно-пылевых структур, полученное при освещении пылевых частиц лазерным пучком в зеленой области спектра.

Илл. 3. В тлеющем разряде возникает упорядоченная пылевая структура (а), которой соответствует корреляционная функция g(r) с несколькими выраженными максимума ми, характерными для кристалла (б).

Илл. 4. Удлиненные пылевые частицы (имеющие форму цилиндра) выстраиваются параллельно некоторой общей оси. Такое состояние называют плазменным жидким кристаллом по аналогии с молекулярными жидкими кристаллами, где имеется выделенное направление в ориентации длинных молекул.

Илл. 5. Вакуумная плазменная камера для изучения пылевой плазмы на Международной космической станции (МКС).

Илл. 6. В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН сконструирована специальная установка для изучения плазменных кристаллов в высокочастотном разряде низкого давления. Кристаллическая структура хорошо видна при освещении пылевых частиц лазерными пучками в зеленой и красной областях спектра.

Илл. 7. Структуры пылевых частиц в трех горизонтальных слоях плазменно -пылевого образования: с объемно-центриро ванной решеткой (вверху), гранецентрированной решеткой (в центре) и с гексагональной плотной упаковкой (внизу).

Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:

• Корональный газ
• Яркие области HII
• Зоны HII низкой плотности
• Межоблачная среда
• Тёплые области HI
• Мазерные конденсации
• Облака HI
• Гигантские молекулярные облака
• Молекулярные облака
• Глобулы

Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная

Где - концентрация электронов, - концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации

Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?

Итак, требование квазинейтральности следующее:

Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте

Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен

Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .

Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной , где - заряд электрона, - концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона

В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около метров. Мы видим, что это достаточно большие величины, по сравнению, например, с диэлектриками. Это означает, что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия с частотой, равной ленгмюровской.

Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму

Теги: Добавить метки