Uzayda plazma. Plazma kristalleri: uzay araştırmalarından Dünya'daki tıbbi uygulamalara ve tekrar uzaya. Resimler için başlıklar

Yıldızlararası veya galaksiler arası uzayda nelerin bulunduğunu hiç düşündünüz mü? Uzayda mutlak bir fiziksel boşluk vardır ve bu nedenle hiçbir şey kapsanmaz. Ve haklısınız, çünkü yıldızlararası uzayda ortalama olarak santimetreküp başına yaklaşık 1000 atom vardır ve çok uzak mesafelerde madde yoğunluğu ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak burada her şey o kadar basit ve açık değil. Yıldızlararası ortamın uzaysal dağılımı önemsiz değildir. Galaksilerin çubukları ve sarmal kolları gibi genel galaktik yapıların yanı sıra, daha sıcak gazlarla çevrelenmiş bireysel soğuk ve sıcak bulutlar da vardır. Yıldızlararası ortamda (ISM) çok sayıda yapı vardır: dev moleküler bulutlar, yansıma bulutsuları, proto-gezegensel bulutsular, gezegenimsi bulutsular, kürecikler vb. Bu, ortamda meydana gelen çok çeşitli gözlemsel tezahürlere ve süreçlere yol açar. Aşağıdaki liste MZS'de bulunan yapıları listelemektedir:

• Koronal gaz
• Parlak HII bölgeleri
• Düşük Yoğunluklu HII Bölgeleri
• Bulutlararası ortam
• Sıcak alanlar HI
• Maser yoğunlaşmaları
• Bulutlar merhaba
• Dev moleküler bulutlar
• Moleküler bulutlar
• Kürecikler

Bu yayının konusu plazma olduğu için her bir yapının ne olduğuna dair ayrıntılara şimdi girmeyeceğiz. Plazma yapıları şunları içerir: koronal gaz, parlak HII bölgeleri, Sıcak HI bölgeleri, HI bulutları, yani. Listenin neredeyse tamamına plazma denilebilir. Ama siz itiraz ediyorsunuz, uzay fiziksel bir boşluktur ve orada bu kadar çok parçacık konsantrasyonuna sahip bir plazma nasıl olabilir?

Bu soruyu cevaplamak için bir tanım vermemiz gerekiyor: Plazma nedir ve fizikçiler hangi parametrelere göre maddenin bu halini plazma olarak değerlendiriyorlar?
Plazma hakkındaki modern fikirlere göre, bu, maddenin gaz halindeki, yüksek derecede iyonlaşmış dördüncü halidir (birinci durum katıdır, ikincisi sıvıdır ve son olarak üçüncüsü gaz halindedir). Ancak her gaz, hatta iyonize gaz bile plazma değildir.

Plazma yüklü ve nötr parçacıklardan oluşur. Pozitif yüklü parçacıklar pozitif iyonlar ve deliklerdir (katı hal plazması), negatif yüklü parçacıklar ise elektronlar ve negatif iyonlardır. Her şeyden önce belirli bir parçacık türünün konsantrasyonlarını bilmek gerekir. Eğer sözde iyonizasyon derecesi şuna eşitse, plazmanın zayıf iyonize olduğu kabul edilir.

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

$satır içi$N_e$satır içi$

Elektron konsantrasyonu,

$inline$N_n$inline$

Plazmadaki tüm nötr parçacıkların konsantrasyonu şu aralıktadır:

$inline$(r . Ve tamamen iyonize edilmiş bir plazma, $inline$r ile infty$inline$ arasında bir iyonizasyon derecesine sahiptir.

Ancak yukarıda da söylendiği gibi her iyonize gaz plazma değildir. Plazmanın bu özelliğe sahip olması gerekir yarı tarafsızlık, yani ortalama olarak, yeterince uzun süreler boyunca ve yeterince büyük mesafelerde plazma genellikle nötrdü. Peki bir gazın plazma olarak kabul edilebileceği bu zaman aralıkları ve mesafeler nelerdir?

Dolayısıyla yarı tarafsızlık şartı şu şekildedir:

$$display$$sum_(alpha)e_(alpha)N_(alpha) = 0$$display$$

Öncelikle fizikçilerin yük ayrımının zaman ölçeğini nasıl tahmin ettiklerini öğrenelim. Plazmadaki bir elektronun uzaydaki ilk denge konumundan saptığını düşünelim. Elektron harekete geçmeye başlar Coulomb kuvveti, elektronu denge durumuna döndürme eğiliminde, yani.

$inline$F yaklaşık e^2/(r^2)_(ort)$inline$

$inline$r_(ort)$inline$

Elektronlar arasındaki ortalama mesafe. Bu mesafe yaklaşık olarak aşağıdaki gibi tahmin edilmektedir. Elektron konsantrasyonunun (yani birim hacim başına elektron sayısı) olduğunu varsayalım.

$satır içi$N_e$satır içi$

Elektronlar ortalama olarak birbirlerinden belli bir uzaklıkta bulunurlar.

$inline$r_(ort)$inline$

Bu, ortalama bir hacim kapladıkları anlamına gelir

$satır içi$V = frac(4)(3)pi r_(ortalama)^3$satır içi$

Dolayısıyla bu hacimde 1 elektron varsa,

$inline$r_(ort) = (frac(3)(4pi N_e))^(1/3)$inline$

Sonuç olarak elektron denge konumu etrafında belirli bir frekansla salınmaya başlayacaktır.

$$display$$omega yaklaşık sqrt(frac(F)(mr_(ort))) yaklaşık sqrt(frac(4pi e^2 N_e)(3m))$$display$$

Daha doğru formül

$$display$$omega_(Le) = sqrt(frac(4pi e^2 N_e)(m))$$display$$

Bu frekansa denir elektronik Langmuir frekansı. Nobel Kimya Ödülü sahibi Amerikalı kimyager Irwin Langmuir tarafından "yüzey olaylarının kimyası alanındaki keşifleri ve araştırmaları nedeniyle" geliştirildi.

Bu nedenle yük ayrımının zaman ölçeği olarak Langmuir frekansının tersini almak doğaldır.

$$ekran$$tau = 2pi / omega_(Le)$$ekran$$

Uzayda, büyük ölçekte, zaman dilimleri boyunca

$satır içi$t >> tau$satır içi$

Parçacıklar denge konumu etrafında birçok salınım geçirir ve bir bütün olarak plazma yarı nötr olacaktır. zaman ölçeklerinde yıldızlararası ortam plazma ile karıştırılabilir.

Ancak uzayın plazma olduğunu doğru bir şekilde gösterebilmek için uzaysal ölçekleri de değerlendirmek gerekir. Fiziksel değerlendirmelerden, bu uzaysal ölçeğin, yüklü parçacıkların yoğunluğundaki bir bozukluğun, plazma salınımlarının periyoduna eşit bir sürede termal hareketlerinden dolayı değişebileceği uzunluk tarafından belirlendiği açıktır. Böylece mekansal ölçek şuna eşittir:

$$display$$r_(De) yaklaşık frac(upsilon_(Te))(omega_(Le)) = sqrt(frac(kT_e)(4pi e^2 N_e))$$display$$

$inline$upsilon_(Te) = sqrt(frac(kT_e)(m))$inline$

Bu harika formülün nereden geldiğini soruyorsunuz. Şöyle düşünelim. Termostatın denge sıcaklığındaki plazmadaki elektronlar kinetik enerjiyle sürekli hareket eder.

$inline$E_k = frac(m upsilon^2)(2)$inline$

Öte yandan istatistiksel termodinamikten düzgün enerji dağılımı yasası bilinmektedir ve ortalama olarak her parçacık için

$inline$E = frac(1)(2) kT_e$inline$

Bu iki enerjiyi karşılaştırırsak yukarıda sunulan hız formülünü elde ederiz.

Böylece, fizikte adı verilen uzunluğu elde ettik. elektron Debye yarıçapı veya uzunluğu.

Şimdi Debye denkleminin daha kesin bir şekilde türetilmesini göstereceğim. Yine bir elektrik alanının etkisi altında belirli bir miktarda yer değiştiren N elektronu hayal edelim. Bu durumda yoğunluğu eşit olan bir uzay yükü tabakası oluşur.

$inline$sum e_j n_j$inline$

$inline$e_j$inline$

Elektron yükü,

$inline$n_j$inline$

Elektron konsantrasyonu. Poisson formülü elektrostatikten iyi bilinmektedir.

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

$inline$epsilon$inline$

Ortamın dielektrik sabiti. Öte yandan elektronlar termal hareket nedeniyle hareket eder ve elektronlar dağılıma göre dağıtılır. Boltzmann

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

Boltzmann denklemini Poisson denkleminde değiştirerek şunu elde ederiz:

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

Bu Poisson-Boltzmann denklemidir. Bu denklemdeki üstel sayıyı Taylor serisine genişletelim ve ikinci dereceden ve daha yüksek miktarları atalım.

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

Bu genişlemeyi Poisson-Boltzmann denkleminde yerine koyalım ve şunu elde edelim:

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

Bu Debye denklemidir. Daha kesin bir isim Debye-Hückel denklemidir. Yukarıda öğrendiğimiz gibi, yarı nötr bir ortamda olduğu gibi plazmada da bu denklemin ikinci terimi sıfıra eşittir. İlk dönemde esasen elimizde Debye uzunluğu.

Yıldızlararası ortamda Debye uzunluğu yaklaşık 10 metre, galaksiler arası ortamda ise yaklaşık 10 metredir.

$satır içi$10^5$satır içi$

metre. Bunların örneğin dielektriklerle karşılaştırıldığında oldukça büyük değerler olduğunu görüyoruz. Bu, elektrik alanının bu mesafeler boyunca zayıflama olmadan yayıldığı, yükleri hacimsel yüklü katmanlara dağıttığı, parçacıkların Langmuir'e eşit bir frekansla denge konumları etrafında salındığı anlamına gelir.

Bu makaleden, bu ortamın yoğunluğunun son derece küçük olmasına ve uzayın bir bütün olarak makroskobik ölçekte fiziksel bir boşluk olmasına rağmen, uzay ortamının plazma olup olmadığını belirleyen iki temel niceliği öğrendik. Yerel ölçekte hem gaz, hem toz, hem de plazma

Kasım ayında ISS'deki Plazma Kristal deneyinin sonlandırılacağı duyuruldu. Deney için özel ekipman, Albert Einstein kargo gemisine yerleştirildi ve onunla birlikte Pasifik Okyanusu üzerinde yakıldı. Muhtemelen en ünlü uzay deneyinin uzun hikayesi böylece sona erdi. Bunun hakkında konuşmak ve genel olarak ISS'deki bilim hakkında biraz konuşmak istiyorum.

Keşifler nerede?

Deney fikri

Deneyin ilk versiyonunda (resimde) tozlu plazma içeren bir ampul Güneş ışınlarıyla aydınlatılmış, plazmadaki toz lazerle aydınlatılmış ve aydınlatılan alan kamerayla filme alınmıştır. Daha sonra daha karmaşık deney düzenekleri kullanıldı. “Albert Einstein” ile birlikte yanan “kara varil” zaten üçüncü nesil bir enstalasyondu.

Sonuçlar

Beklentiler

• Tozlu plazmada benzersiz özelliklere sahip nanomateryallerin oluşumu.
• Malzemelerin tozlu plazmadan bir alt tabakaya biriktirilmesi ve yeni tür kaplamaların elde edilmesi - çok katmanlı, gözenekli, kompozit.
• Endüstriyel ve radyasyon emisyonlarından ve mikro devrelerin plazma aşındırması sırasında havanın arıtılması.
• Canlı olmayan nesnelerin ve canlılardaki açık yaraların plazma sterilizasyonu.

Akademisyen V. FORTOV, Rusya Bilimler Akademisi Ekstrem Durumların Termofiziği Enstitüsü Direktörü.

Nisan 2005'te Akademisyen Vladimir Evgenievich Fortov prestijli bir uluslararası ödül aldı - Albert Einstein Altın Madalyası, kendisine fizik biliminin ve uluslararası bilimsel işbirliğinin gelişimine yaptığı olağanüstü katkılardan dolayı verildi. Akademisyen Fortov'un bilimsel ilgi alanı, plazma da dahil olmak üzere maddenin aşırı durumlarının fiziği alanında yatmaktadır. Karanlık madde dışında plazma, maddenin doğadaki en yaygın halidir ve Evrendeki sıradan maddenin tahminen %95'i bu durumdadır. Yıldızlar onlarca ve yüz milyonlarca derece sıcaklıktaki iyonize gazlardan oluşan plazma kümeleridir. Plazmanın özellikleri, kapsamı geniş olan modern teknolojilerin temelini oluşturur. Plazma, elektrik deşarjlı lambalarda ışık yayar ve plazma panellerde renkli bir görüntü oluşturur. Plazma reaktörleri mikroçipler üretmek, metalleri sertleştirmek ve yüzeyleri temizlemek için plazma akışlarını kullanır. Plazma tesisleri atıkları işler ve enerji üretir. Plazma fiziği, bugüne kadar şaşırtıcı keşiflerin yapıldığı, anlayış ve açıklama gerektiren olağandışı olayların gözlemlendiği, aktif olarak gelişen bir bilim alanıdır. Düşük sıcaklıktaki plazmada yakın zamanda keşfedilen en ilginç olgulardan biri, bir "plazma kristali"nin, yani ince parçacıkların (plazma tozu) uzaysal olarak düzenli bir yapısının oluşmasıdır.

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

Bilim ve yaşam // İllüstrasyonlar

Kozmonotlar S. Krikalev ve Yu. Gidzenko, Plazma Kristal ekipmanını ISS'ye kuruyor (2001).

TOZLU PLAZMA NEDİR?

Tozlu plazma, toz tanecikleri (katı madde parçacıkları) içeren iyonize bir gazdır. Bu tür plazma genellikle uzayda bulunur: gezegen halkalarında, kuyruklu yıldız kuyruklarında, gezegenler arası ve yıldızlararası bulutlarda. Yapay Dünya uydularının yakınında ve manyetik sınırlamalı termonükleer tesislerin duvarına yakın bölgesinde, ayrıca plazma reaktörlerinde, arklarda ve deşarjlarda keşfedildi.

Toz plazması ilk olarak geçen yüzyılın 20'li yıllarında Amerikalı Irving Langmuir tarafından laboratuvar koşullarında elde edildi. Ancak, yalnızca son on yılda aktif olarak incelenmeye başlandı. Tozlu plazmanın özelliklerine olan ilginin artması, mikroelektronikte plazma püskürtme ve aşındırma teknolojilerinin gelişmesinin yanı sıra ince filmlerin ve nanopartiküllerin üretimiyle ortaya çıktı. Boşaltma odasının elektrotlarının ve duvarlarının tahrip olması sonucu plazmaya giren katı parçacıkların varlığı, yalnızca yarı iletken çiplerin yüzeyinin kirlenmesine yol açmakla kalmaz, aynı zamanda plazmayı genellikle öngörülemeyen şekillerde bozar. Bu olumsuz olayları azaltmak veya önlemek için, gaz deşarjlı plazmada yoğunlaşmış parçacıkların oluşumu ve büyümesi süreçlerinin nasıl gerçekleştiğini ve plazma tozu parçacıklarının deşarjın özelliklerini nasıl etkilediğini anlamak gerekir.

PLAZMA KRISTAL

Toz parçacıklarının boyutları nispeten büyüktür - bir mikronun kesirlerinden birkaç on, bazen yüzlerce mikrona kadar. Yükleri son derece büyük olabilir ve bir elektronun yükünü yüzlerce, hatta yüz binlerce kez aşabilir. Sonuç olarak, parçacıkların yükün karesiyle orantılı ortalama Coulomb etkileşim enerjisi, ortalama termal enerjilerini büyük ölçüde aşabilir. Sonuç, davranışı ideal gaz yasalarına uymadığı için son derece ideal olmayan olarak adlandırılan bir plazmadır. (Parçacıkların etkileşim enerjisi termal enerjisinden çok daha azsa plazmanın ideal bir gaz olarak kabul edilebileceğini hatırlayın).

Tozlu plazmanın denge özelliklerine ilişkin teorik hesaplamalar, belirli koşullar altında güçlü elektrostatik etkileşimin düşük termal enerjiyi "ele geçirdiğini" ve yüklü parçacıkları uzayda belirli bir şekilde sıraya girmeye zorladığını göstermektedir. Coulomb veya plazma kristali adı verilen düzenli bir yapı oluşur. Plazma kristalleri, sıvı veya katı bir maddedeki uzaysal yapılara benzer. Burada erime, buharlaşma gibi faz geçişleri meydana gelebilir.

Toz plazma parçacıkları yeterince büyükse, plazma kristali çıplak gözle gözlemlenebilir. İlk deneylerde, kristal yapıların oluşumu, alternatif ve statik elektrik alanları tarafından tutulan mikrometre boyutunda yüklü demir ve alüminyum parçacıklarından oluşan bir sistemde kaydedildi. Daha sonraki çalışmalarda, düşük basınçta yüksek frekanslı bir deşarjın zayıf iyonize plazmasındaki makropartiküllerin Coulomb kristalleşmesinin gözlemleri yapıldı. Böyle bir plazmadaki elektronların enerjisi birkaç elektronvolttur (eV) ve iyonların enerjisi, oda sıcaklığındaki (~ 0,03 eV) atomların termal enerjisine yakındır. Bunun nedeni elektronların daha hareketli olması ve nötr toz parçacığına yönelik akılarının iyon akısını önemli ölçüde aşmasıdır. Parçacık elektronları “yakalar” ve negatif olarak yüklenmeye başlar. Bu biriken negatif yük, elektronların itmesine ve iyonların çekmesine neden olur. Parçacığın yükü, yüzeyindeki elektron ve iyon akışları eşit oluncaya kadar değişir. Yüksek frekanslı deşarjlarla yapılan deneylerde, toz parçacıklarının yükü negatifti ve oldukça büyüktü (10 4 - 10 5 elektron yükü düzeyinde). Yerçekimi ve elektrostatik kuvvetler arasında bir denge kurulduğundan, alt elektrotun yüzeyinin yakınında yüklü toz parçacıklarından oluşan bir bulut havada asılı kaldı. Dikey yönde birkaç santimetrelik bir bulut çapıyla, parçacık katmanlarının sayısı birkaç on ve parçacıklar arasındaki mesafe birkaç yüz mikrometreydi.

TERMAL PLAZMADA DÜZENLİ YAPILAR...

1991 yılından bu yana, Rusya Bilimler Akademisi Ekstrem Durumların Termofiziği Enstitüsü (ITES RAS) tozlu plazma üzerinde çalışıyor ve teşhisi için çeşitli yöntemler yaratıyor. Farklı türlerdeki toz plazması incelenmiştir: termal plazma, parıltılı gaz deşarjlı plazma ve yüksek frekanslı deşarjlar, fotoemisyon ve nükleer uyarılı plazma.

Atmosfer basıncında bir gaz yakıcının alevinde oluşan termal plazma 1700 ila 2200 K arasında bir sıcaklığa sahiptir ve içindeki elektronların, iyonların ve nötr parçacıkların sıcaklıkları eşittir. Seryum dioksit (CeO2) parçacıklarının davranışı bu tür bir plazma akışında incelenmiştir. Bu maddenin özelliği, elektronların yüzeyinden oldukça kolay bir şekilde uçup gitmesidir - elektron iş fonksiyonu yalnızca 2,75 eV civarındadır. Bu nedenle, toz parçacıkları hem plazmadan elektron ve iyon akışıyla hem de termiyonik emisyon nedeniyle - pozitif bir yük oluşturan ısıtılmış bir parçacık tarafından elektronların emisyonu - yüklenir.

Makropartiküllerin uzaysal yapıları, bir korelasyon fonksiyonu veren lazer radyasyonu kullanılarak analiz edildi. g(r), anlamı aşağıdaki gibidir. Parçacıklardan birinin uzaydaki konumunu sabitlerseniz, fonksiyon belli bir mesafede başka bir parçacık bulma olasılığını gösterir. R bundan. Ve bu, sıvı ve kristal yapıların özelliği olan kaotik veya düzenli parçacıkların mekansal düzeni hakkında bir sonuç çıkarmamızı sağlar.

Tipik korelasyon fonksiyonları g(r) oda sıcaklığında ve plazmada bir aerosol jetindeki CeO2 parçacıkları Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. Yüksek plazma sıcaklığında (2170 K) ve düşük makropartikül konsantrasyonunda (b), korelasyon fonksiyonu, oda sıcaklığında (a) sıradan bir aerosol jeti ile hemen hemen aynı forma sahiptir. Bu, plazmadaki parçacıkların zayıf bir şekilde etkileşime girdiği ve düzenli yapıların oluşmadığı anlamına gelir. Daha düşük bir plazma sıcaklığında (1700 K) ve daha yüksek bir parçacık konsantrasyonunda, korelasyon fonksiyonu bir sıvının karakteristik formunu alır: parçacıkların düzeninde kısa aralıklı düzenin varlığını gösteren belirgin bir maksimum vardır (c) . Bu deneyde parçacıkların pozitif yükü, bir elektronun yükünün yaklaşık 1000 katıydı. Yapının nispeten zayıf düzeni, plazmanın kısa ömrü (saniyenin yaklaşık 20 binde biri) ile açıklanabilir; bu süre zarfında plazma kristalinin oluşum sürecinin tamamlanması için zaman yoktur.

...VE PARLAK BOŞALTMA

Termal plazmada tüm parçacıkların sıcaklığı aynıdır, ancak parlayan gaz deşarjının plazmasında durum farklıdır - elektron sıcaklığı iyon sıcaklığından çok daha yüksektir. Bu, tozlu plazma - plazma kristallerinin düzenli yapılarının ortaya çıkması için ön koşulları yaratır.

Parlayan bir gaz deşarjında, belirli koşullar altında, düzenli olarak karanlık aralıklarla değişen, eşit olmayan parlaklığa sahip sabit bölgeler olan sabit katmanlar belirir. Elektron konsantrasyonu ve elektrik alanı tabakanın uzunluğu boyunca oldukça homojen değildir. Bu nedenle, her tabakanın başında, boşaltma tüpü dikey konumdayken, pozitif boşaltma kolonu bölgesinde ince parçacıkları tutabilen bir elektrostatik tuzak oluşturulur.

Yapının oluşma süreci şu şekildedir: Bir kaptan boşaltıma dökülen mikron parçacıklar, plazmada şarj edilir ve sabit boşaltım parametrelerinde süresiz olarak varlığını sürdüren bir yapı halinde sıralanır. Lazer ışını parçacıkları yatay veya dikey bir düzlemde aydınlatır (Şekil 2).

Mekansal bir yapının oluşumu bir video kamera ile kaydedilir. Bireysel parçacıklar çıplak gözle görülebilir. Deneyde çeşitli parçacık türleri kullanıldı: içi boş borosilikat cam mikroküreler ve çapı bir ila yüz mikrometre olan melamin formaldehit parçacıkları. g(r) Tabakanın merkezinde birkaç on milimetreye kadar çapa sahip bir toz bulutu oluşur. Parçacıklar, altıgen yapılar oluşturan yatay katmanlarda bulunur (Şekil 3a). Katmanlar arasındaki mesafeler 250 ila 400 mikron arasında, yatay düzlemdeki parçacıklar arasındaki mesafeler ise 350 ila 600 mikron arasında değişmektedir. Parçacık dağıtım fonksiyonu

Plazma tozu kristalleri çıplak gözle açıkça görülse de, parçacıkların düzenlenmesinde uzun menzilli düzenin varlığını doğrulayan ve kristal bir yapının oluşumu anlamına gelen birkaç belirgin maksimuma sahiptir.

Deşarj parametrelerini değiştirerek parçacık bulutunun şeklini etkileyebilir ve hatta kristal durumdan sıvıya (kristalin erimesi) ve ardından gaza geçişi gözlemleyebilirsiniz. Küresel olmayan parçacıklar (200-300 mikron uzunluğunda naylon silindirler) kullanılarak sıvı kristale benzer bir yapı elde etmek de mümkün oldu (Şekil 4).

UZAYDA TOZLU PLAZMA

Dünya'da plazma kristallerinin daha fazla incelenmesi yerçekimi nedeniyle engelleniyor. Bu nedenle uzayda mikro yerçekimi koşullarında deneylere başlanmasına karar verildi.

Neonla doldurulmuş cam ampuller, 0,01 ve 40 Torr basınçlarda sezyumla kaplanmış küresel bronz parçacıklar içeriyordu. Ampul lombarın yakınına yerleştirildi, çalkalandı ve lazerle aydınlatılan parçacıkların hareketi bir video kamera kullanılarak kaydedildi. Gözlemler, ilk önce parçacıkların düzensiz bir şekilde hareket ettiğini ve ardından plazmanın ampulün duvarlarına yayılmasıyla ilişkili yönlendirilmiş hareketin ortaya çıktığını göstermiştir.

Bir başka ilginç gerçek daha keşfedildi: Ampulü çalkaladıktan birkaç saniye sonra parçacıklar birbirine yapışmaya başladı ve topaklar oluşturdu. Güneş ışığının etkisi altında aglomeralar parçalandı. Topaklanma, aydınlanmanın ilk anlarında parçacıkların zıt yükler kazanması nedeniyle olabilir: pozitif - fotoelektronların emisyonu nedeniyle, negatif - diğer parçacıklardan yayılan plazma elektronlarının akışıyla yükleniyor - ve zıt yüklü parçacıklar birbirine yapışıyor birbirleriyle.

Makropartiküllerin davranışlarını analiz ederek yüklerinin büyüklüğünü (yaklaşık 1000 elektron yükü) tahmin etmek mümkündür. Çoğu durumda parçacıklar yalnızca sıvı bir yapı oluşturuyordu, ancak bazen kristaller de ortaya çıkıyordu.

1998'in başlarında, Uluslararası Uzay İstasyonunun (PC MKC) Rusya bölümünde ortak bir Rus-Alman Plazma Kristali deneyi yapılmasına karar verildi. Deney, Max Planck Dünya Dışı Fizik Enstitüsü (Almanya) ve Energia Roket ve Uzay Şirketi'nin katılımıyla Rusya Bilimler Akademisi Ekstrem Durumlarda Termofizik Enstitüsü'nden bilim adamları tarafından kuruldu ve hazırlandı.

Ekipmanın ana elemanı, iki kare çelik plaka ve kare cam parçalardan oluşan bir vakum plazma odasıdır (Şekil 5). Yüksek frekanslı bir deşarj oluşturmak için plakaların her birine disk elektrotları monte edilir. Elektrotlar, toz parçacıklarını plazmaya enjekte etmek için yerleşik cihazlara sahiptir. Parçacık bulutunu aydınlatmak için iki dijital kamera ve iki yarı iletken lazer dahil tüm optik sistem, plazma tozu yapısını taramak için hareket ettirilebilen hareketli bir plaka üzerine monte edilmiştir.

İki ekipman seti geliştirildi ve üretildi: teknolojik (eğitim olarak da bilinir) ve uçuş. Şubat 2001'de Baykonur'da yapılan test ve uçuş öncesi hazırlıkların ardından uçuş kiti, ISS'nin Rusya bölümünün servis modülüne teslim edildi.

Melamin formaldehit parçacıklarıyla ilk deney 2001 yılında gerçekleştirildi. Bilim adamlarının beklentileri haklı çıktı: ilk kez, ideal olmayan büyük bir parametreye sahip üç boyutlu düzenli, yüksek yüklü mikron boyutlu parçacıkların oluşumu keşfedildi - yüz merkezli ve vücut merkezli kafeslere sahip üç boyutlu plazma kristalleri ( Şekil 7).

Yüksek frekanslı bir indüksiyon deşarjı kullanıldığında, çeşitli konfigürasyonlarda ve uzunluklarda plazma oluşumlarını elde etme ve inceleme yeteneği artar. Homojen bir plazma ile onu çevreleyen duvar veya onu çevreleyen nötr gaz arasındaki bölgede, hem bireysel yüklü makropartiküllerin hem de bunların topluluklarının havaya kalkması (havada kalması) beklenebilir. Deşarjın bir halka elektrot tarafından uyarıldığı silindirik cam tüplerde, çok sayıda parçacık plazma oluşumunun üzerinde asılı kalır. Basınca ve güce bağlı olarak, ya kararlı kristal yapılar ya da salınan parçacıklara sahip yapılar ya da konvektif parçacık akışları ortaya çıkar. Düz bir elektrot kullanıldığında, parçacıklar neon dolu bir ampulün tabanının üzerinde asılı kalır ve düzenli bir yapı (bir plazma kristali) oluşturur. Şu ana kadar bu tür deneyler Dünya'daki laboratuvarlarda ve parabolik uçuş koşullarında yapılıyor ancak gelecekte bu ekipmanın ISS'ye kurulması planlanıyor.

Plazma kristallerinin benzersiz özellikleri (üretim kolaylığı, parametrelerin gözlemlenmesi ve kontrolü, ayrıca dengeye ulaşmak için kısa gevşeme süreleri ve dış etkenlere tepki), onları hem yüksek derecede ideal olmayan plazmanın özelliklerini hem de plazmanın temel özelliklerini incelemek için mükemmel bir nesne haline getirir. kristaller. Sonuçlar, gerçek atomik veya moleküler kristalleri simüle etmek ve bunları içeren fiziksel süreçleri incelemek için kullanılabilir.

Plazmadaki makropartiküllerin yapıları aynı zamanda mikroelektronikle ilgili uygulamalı problemler için, özellikle de küçük bir kristalin (bir nanokristal, bir nanoküme) tasarımı ve sentezi ile mikro devrelerin üretiminde istenmeyen toz parçacıklarının uzaklaştırılmasıyla ilgili iyi bir araçtır. parçacıkların boyutlarına göre ayrılması ve yeni yüksek verimli ışık kaynaklarının geliştirilmesi, çalışma sıvısı radyoaktif madde parçacıkları olan elektrikli nükleer pillerin ve lazerlerin oluşturulmasıyla plazma püskürtme.

Son olarak, plazmada asılı parçacıkların bir alt tabaka üzerine kontrollü bir şekilde birikmesine izin verecek ve böylece gözenekli ve kompozit olanlar dahil olmak üzere özel özelliklere sahip kaplamalar oluşturmanın yanı sıra farklı özelliklere sahip malzemelerden çok katmanlı kaplamalara sahip parçacıklar oluşturacak teknolojiler oluşturmak oldukça mümkündür.

Mikrobiyoloji, tıp ve ekolojide ilginç sorunlar ortaya çıkıyor. Tozlu plazmanın olası uygulamalarının listesi sürekli genişlemektedir.

Resimler için başlıklar

Hasta. 1. Korelasyon fonksiyonu g(r), bundan r kadar uzakta başka bir parçacığın bulunma olasılığını gösterir. 300 K (a) oda sıcaklığındaki bir hava akışındaki ve 2170 K (b) sıcaklıktaki plazmadaki CeO2 parçacıkları için fonksiyon, parçacıkların kaotik bir dağılımını gösterir. 1700 K (c) sıcaklıktaki plazmada, fonksiyon maksimuma sahiptir, yani sıvıya benzer bir yapı ortaya çıkar.

Hasta. 2. DC ışıltılı deşarjda tozlu plazmanın incelenmesine yönelik kurulum, içinde bir ışıltılı deşarjın oluşturulduğu, düşük basınçta neonla doldurulmuş dikey olarak yönlendirilmiş bir tüptür. Belirli koşullar altında, eşit olmayan parlaklığa sahip deşarj - durağan bölgelerde duran tabakalar gözlenir. Toz parçacıkları, boşaltma alanının üzerinde ağ tabanlı bir tabana sahip bir kapta tutulur. Kap çalkalandığında parçacıklar aşağıya düşer ve katmanlara asılarak düzenli yapılar oluşturur. Tozu görünür hale getirmek için düz bir lazer ışınıyla aydınlatılır. Dağınık ışık bir video kamera tarafından kaydedilir. Monitör ekranında, toz parçacıklarının spektrumun yeşil bölgesindeki bir lazer ışınıyla aydınlatılmasıyla elde edilen plazma toz yapılarının video görüntüsü bulunmaktadır.

Hasta. 3. Bir ışıltılı deşarjda, kristalin (b) birkaç belirgin maksimum karakteristiği ile bir korelasyon fonksiyonu g(r)'ye karşılık gelen düzenli bir toz yapısı (a) ortaya çıkar.

Hasta. 4. Uzun toz parçacıkları (silindir şeklinde) belirli bir ortak eksene paralel olarak sıralanır. Uzun moleküllerin yöneliminde tercih edilen bir yönün bulunduğu bu duruma, moleküler sıvı kristallere benzetilerek plazma sıvı kristali adı verilir.

Hasta. 5. Uluslararası Uzay İstasyonundaki (ISS) toz plazmasını incelemek için vakumlu plazma odası.

Hasta. 6. Rusya Bilimler Akademisi Ekstrem Durumların Termofiziği Enstitüsü, yüksek frekanslı, düşük basınçlı bir deşarjda plazma kristallerini incelemek için özel bir tesis inşa etti. Spektrumun yeşil ve kırmızı bölgelerindeki toz parçacıkları lazer ışınlarıyla aydınlatıldığında kristal yapı açıkça görülebilmektedir.

Hasta. 7. Plazma tozu oluşumunun üç yatay katmanındaki toz parçacıklarının yapıları: gövde merkezli bir kafes (üstte), yüz merkezli bir kafes (ortada) ve altıgen sıkı bir paket (altta) ile.

Yıldızlararası veya galaksiler arası uzayda nelerin bulunduğunu hiç düşündünüz mü? Uzayda teknik bir boşluk vardır ve bu nedenle hiçbir şey kapsanmaz (hiçbir şeyin kapsanmadığı anlamında değil, göreceli anlamda). Ve haklısınız, çünkü yıldızlararası uzayda ortalama olarak santimetreküp başına yaklaşık 1000 atom vardır ve çok uzak mesafelerde madde yoğunluğu ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak burada her şey o kadar basit ve açık değil. Yıldızlararası ortamın uzaysal dağılımı önemsiz değildir. Galaksilerin çubukları ve sarmal kolları gibi genel galaktik yapıların yanı sıra, daha sıcak gazlarla çevrelenmiş bireysel soğuk ve sıcak bulutlar da vardır. Yıldızlararası ortamda (ISM) çok sayıda yapı vardır: dev moleküler bulutlar, yansıma bulutsuları, proto-gezegensel bulutsular, gezegenimsi bulutsular, kürecikler vb. Bu, ortamda meydana gelen çok çeşitli gözlemsel tezahürlere ve süreçlere yol açar. Aşağıdaki liste MZS'de bulunan yapıları listelemektedir:

• Koronal gaz
• Parlak HII bölgeleri
• Düşük Yoğunluklu HII Bölgeleri
• Bulutlararası ortam
• Sıcak alanlar HI
• Maser yoğunlaşmaları
• Bulutlar merhaba
• Dev moleküler bulutlar
• Moleküler bulutlar
• Kürecikler

Plazma yüklü ve nötr parçacıklardan oluşur. Pozitif yüklü parçacıklar pozitif iyonlar ve deliklerdir (katı hal plazması), negatif yüklü parçacıklar ise elektronlar ve negatif iyonlardır. Her şeyden önce belirli bir parçacık türünün konsantrasyonlarını bilmek gerekir. Eğer sözde iyonizasyon derecesi şuna eşitse, plazmanın zayıf iyonize olduğu kabul edilir.

Elektron konsantrasyonu nerede, plazmadaki tüm nötr parçacıkların konsantrasyonu, aralıkta yatıyor. Ve tamamen iyonize edilmiş bir plazmanın belirli bir iyonizasyon derecesi vardır.

Ancak yukarıda da söylendiği gibi her iyonize gaz plazma değildir. Plazmanın bu özelliğe sahip olması gerekir yarı tarafsızlık, yani ortalama olarak, yeterince uzun süreler boyunca ve yeterince büyük mesafelerde plazma genellikle nötrdü. Peki bir gazın plazma olarak kabul edilebileceği bu zaman aralıkları ve mesafeler nelerdir?

Dolayısıyla yarı tarafsızlık şartı şu şekildedir:

Bu nedenle yük ayrımının zaman ölçeği olarak Langmuir frekansının tersini almak doğaldır.

Ancak uzayın plazma olduğunu doğru bir şekilde gösterebilmek için uzaysal ölçekleri de değerlendirmek gerekir. Fiziksel değerlendirmelerden, bu uzaysal ölçeğin, yüklü parçacıkların yoğunluğundaki bir bozukluğun, plazma salınımlarının periyoduna eşit bir sürede termal hareketlerinden dolayı değişebileceği uzunluk tarafından belirlendiği açıktır. Böylece mekansal ölçek şuna eşittir:

Böylece, fizikte adı verilen uzunluğu elde ettik. elektron Debye yarıçapı veya uzunluğu.

Şimdi Debye denkleminin daha kesin bir şekilde türetilmesini göstereceğim. Yine bir elektrik alanının etkisi altında belirli bir miktarda yer değiştiren N elektronu hayal edelim. Bu durumda, yoğunluğu eşit olan bir uzay yükü tabakası oluşur; burada elektron yükü ve elektron konsantrasyonudur. Poisson formülü elektrostatikten iyi bilinmektedir.

Yıldızlararası ortamda Debye uzunluğu yaklaşık 10 metre, galaksiler arası ortamda ise yaklaşık metredir. Bunların örneğin dielektriklerle karşılaştırıldığında oldukça büyük değerler olduğunu görüyoruz. Bu, elektrik alanının bu mesafeler boyunca zayıflama olmadan yayıldığı, yükleri hacimsel yüklü katmanlara dağıttığı, parçacıkların Langmuir frekansına eşit bir frekansla denge konumları etrafında salındığı anlamına gelir.

Bu makaleden, bu ortamın yoğunluğunun son derece küçük olmasına ve uzayın bir bütün olarak makroskobik ölçekte fiziksel bir boşluk olmasına rağmen, uzay ortamının plazma olup olmadığını belirleyen iki temel niceliği öğrendik. Yerel ölçekte hem gaz, hem toz, hem de plazma

Etiketler: Etiket ekleyin