„plazmos kristalas“ ir visatos paslaptys. Eksperimentas „Plasma Crystal“ TKS buvo atliktas su nauja įranga

Akademikas V. FORTOVAS, Rusijos mokslų akademijos Ekstremalių valstybių termofizikos instituto direktorius.

2005 m. balandį akademikas Vladimiras Evgenievičius Fortovas gavo prestižinį tarptautinį apdovanojimą - Alberto Einšteino aukso medalį, jam įteiktą už išskirtinį indėlį į fizikos mokslo plėtrą ir tarptautinį mokslinį bendradarbiavimą. Akademiko Fortovo moksliniai interesai slypi ekstremalių materijos būsenų, įskaitant plazmą, fizikos srityje. Be tamsiosios materijos, plazma yra labiausiai paplitusi materijos būsena gamtoje: apskaičiuota, kad maždaug 95% įprastos materijos visatoje yra tokios būsenos. Žvaigždės yra plazmos gumulėliai, jonizuotos dujos, kurių temperatūra siekia dešimtis ir šimtus milijonų laipsnių. Plazmos savybės yra šiuolaikinių technologijų, kurių taikymo sritis yra plati, pagrindas. Plazma skleidžia šviesą elektros išlydžio lempose, sukuria spalvotą vaizdą plazminėse plokštėse. Plazminiai reaktoriai naudoja plazmos srautus mikroschemų gamybai, metalų grūdinimui ir paviršių valymui. Plazminiai augalai perdirba atliekas ir gamina energiją. Plazmos fizika yra aktyviai besivystanti mokslo sritis, kurioje iki šių dienų daromi nuostabūs atradimai, stebimi neįprasti reiškiniai, kuriuos reikia suprasti ir paaiškinti. Vienas įdomiausių pastaruoju metu žemos temperatūros plazmoje aptiktų reiškinių yra „plazmos kristalo“, tai yra, erdvėje sutvarkytos smulkių dalelių struktūros – plazmos dulkių – susidarymas.

Mokslas ir gyvenimas // Iliustracijos

Mokslas ir gyvenimas // Iliustracijos

Kosmonautai S. Krikalevas ir Y. Gidzenko TKS montuoja Plasma Crystal įrangą (2001).

KAS YRA DULKĖTA PLAZMA?

Dulkėta plazma – tai jonizuotos dujos, kuriose yra dulkių dalelių – kietųjų medžiagų dalelių. Tokia plazma dažnai aptinkama erdvėje: planetų žieduose, kometų uodegose, tarpplanetiniuose ir tarpžvaigždiniuose debesyse. Jis buvo rastas šalia dirbtinių Žemės palydovų ir termobranduolinių įrenginių su magnetiniu uždarymu šalia sienos, taip pat plazmos reaktoriuose, lankuose ir iškrovose.

Laboratorinėmis sąlygomis dulkėtą plazmą pirmą kartą gavo amerikietis Irvingas Langmuiras dar 1920-aisiais. Tačiau jis buvo pradėtas aktyviai tyrinėti tik pastarąjį dešimtmetį. Padidėjęs susidomėjimas dulkėtos plazmos savybėmis atsirado plėtojant plazmos purškimo ir ėsdinimo technologijas mikroelektronikoje, taip pat gaminant plonas plėveles ir nanodaleles. Kietųjų dalelių, kurios patenka į plazmą sunaikinus išleidimo kameros elektrodus ir sieneles, buvimas ne tik užteršia puslaidininkinių mikroschemų paviršių, bet ir trikdo plazmą, dažnai nenuspėjamai. Norint sumažinti arba užkirsti kelią šiems neigiamiems reiškiniams, būtina suprasti, kaip kondensuotų dalelių susidarymo ir augimo procesai dujų išlydžio plazmoje ir kaip plazmos dulkių grūdeliai veikia iškrovos savybes.

PLAZMA KRISTALAS

Dulkių dalelių dydžiai yra gana dideli – nuo ​​mikronų frakcijų iki kelių dešimčių, kartais šimtų mikronų. Jų krūvis gali būti itin didelis ir šimtus ir net šimtus tūkstančių kartų viršyti elektronų krūvį. Dėl to vidutinė dalelių Kulono sąveikos energija, proporcinga krūvio kvadratui, gali gerokai viršyti jų vidutinę šiluminę energiją. Rezultatas yra plazma, kuri vadinama labai neidealia, nes jos elgesys nepaklūsta idealių dujų dėsniams. (Prisiminkite, kad plazma gali būti laikoma idealiomis dujomis, jei dalelių sąveikos energija yra daug mažesnė už jų šiluminę energiją).

Dulkėtų plazmų pusiausvyros savybių teoriniai skaičiavimai rodo, kad tam tikromis sąlygomis stipri elektrostatinė sąveika „paima viršų“ mažą šiluminę energiją ir priverčia įkrautas daleles tam tikru būdu išsirikiuoti erdvėje. Susidaro tvarkinga struktūra, kuri vadinama Kulono arba plazmos kristalu. Plazmos kristalai yra tarsi erdvinės struktūros skystoje arba kietoje medžiagoje. Čia gali įvykti fazių perėjimai, tokie kaip tirpimas ir išgaravimas.

Jei dulkėtos plazmos dalelės yra pakankamai didelės, plazmos kristalą galima stebėti plika akimi. Ankstyvųjų eksperimentų metu kristalų struktūrų susidarymas buvo užfiksuotas mikrono dydžio įkrautų geležies ir aliuminio dalelių sistemoje, laikomoje kartu kintamų ir statinių elektrinių laukų. Vėlesniuose darbuose buvo stebima Kulono makrodalelių kristalizacija silpnai jonizuotoje aukšto dažnio išlydžio žemo slėgio plazmoje. Elektronų energija tokioje plazmoje yra keli elektronvoltai (eV), o jonų energija artima atomų, kurių kambario temperatūra (~ 0,03 eV), šiluminei energijai. Taip yra dėl to, kad elektronai yra judresni ir jų srautas, nukreiptas į neutralią dulkių dalelę, gerokai viršija jonų srautą. Dalelė „pagauna“ elektronus ir pradeda neigiamai įkrauti. Dėl šio besikaupiančio neigiamo krūvio elektronai atstumiami ir jonai pritraukiami. Dalelės krūvis kinta tol, kol elektronų ir jonų srautai jos paviršiuje tampa lygūs. Atliekant eksperimentus su aukšto dažnio iškrova, dulkių dalelių krūvis buvo neigiamas ir gana didelis (maždaug 10 4 - 10 5 elektronų krūvių). Įkrautų dulkių dalelių debesis sklandė šalia apatinio elektrodo paviršiaus, nes ten buvo nusistovėjusi pusiausvyra tarp gravitacinių ir elektrostatinių jėgų. Esant kelių centimetrų debesies skersmeniui vertikalia kryptimi, dalelių sluoksnių skaičius siekė kelias dešimtis, o atstumas tarp dalelių – keli šimtai mikrometrų.

UŽSAKYTOS KONSTRUKCIJOS TERMINĖJE PLAZMOJE ...

Nuo 1991 metų Rusijos mokslų akademijos Ekstremalių valstybių termofizikos institutas (ITES RAS) tiria dulkėtą plazmą ir kuria įvairius jos diagnostikos metodus. Tirtos įvairių tipų dulkėtos plazmos: šiluminė plazma, švytėjimo ir aukšto dažnio iškrovų dujų išlydžio plazma, fotoemisija ir branduolinio sužadinimo plazma.

Atmosferos slėgio dujų degiklio liepsnoje susidarančios šiluminės plazmos temperatūra yra nuo 1700 iki 2200 K, o elektronų, jonų ir neutralių dalelių temperatūros joje yra lygios. Tokios plazmos sraute buvo tiriamas cerio dioksido (CeO 2) dalelių elgesys. Šios medžiagos ypatumas tas, kad elektronai gana lengvai nuskrenda nuo jos paviršiaus – elektrono darbinė funkcija yra tik apie 2,75 eV. Todėl dulkių dalelės įkraunamos tiek elektronų ir jonų srautais iš plazmos, tiek dėl terminės emisijos – įkaitintos dalelės elektronų emisijos, kuri sukuria teigiamą krūvį.

Makrodalelių erdvinės struktūros buvo analizuojamos naudojant lazerio spinduliuotę, kuri suteikia koreliacijos funkciją g (r), kurios reikšmė tokia. Jei nustatome vienos dalelės vietą erdvėje, tai funkcija parodo tikimybę rasti bet kurią kitą dalelę per atstumą r nuo šito. Tai leidžia daryti išvadą apie dalelių erdvinį išsidėstymą – chaotišką ar tvarkingą, būdingą skystoms ir kristalinėms struktūroms.

Tipinės koreliacinės funkcijos g (r) CeO2 dalelių aerozolio srovėje kambario temperatūroje ir plazmoje parodyta Fig. 1. Esant aukštai plazmos temperatūrai (2170 K) ir mažai makrodalelių koncentracijai (b), koreliacijos funkcija yra beveik tokia pati, kaip ir paprasto aerozolio srovės kambario temperatūroje (a). Tai reiškia, kad dalelės plazmoje sąveikauja silpnai, o tvarkingų struktūrų susidarymas nevyksta. Esant žemesnei plazmos temperatūrai (1700 K) ir didesnei dalelių koncentracijai, koreliacijos funkcija įgauna skysčiui būdingą formą: yra ryškus maksimumas, rodantis, kad dalelių išdėstyme yra trumpojo nuotolio tvarka (c). . Šiame eksperimente teigiamas dalelių krūvis buvo apie 1000 elektronų krūvių. Santykinai silpną struktūros sutvarkymą galima paaiškinti trumpu plazmos gyvavimo laiku (apie 20 tūkstantųjų sekundės dalių), per kurį plazmos kristalo susidarymo procesas nespėja užbaigti.

... IR švytėjimo iškrova

Šiluminėje plazmoje visų dalelių temperatūra yra vienoda, tačiau žėrinčioje dujų išlydžio plazmoje situacija kitokia – elektronų temperatūra yra daug aukštesnė už jonų temperatūrą. Taip sukuriamos prielaidos tvarkingoms dulkėtos plazmos struktūroms – plazmos kristalams atsirasti.

Švytinčioje dujų išlydyje tam tikromis sąlygomis atsiranda stovinčios juostelės – fiksuotos netolygaus šviesumo zonos, reguliariai besikeičiančios su tamsiais tarpais. Elektronų koncentracija ir elektrinis laukas yra labai nehomogeniški per visą juostos ilgį. Todėl kiekvieno sluoksnio galvoje susidaro elektrostatinė gaudyklė, kuri, esant vertikaliai išleidimo vamzdžio padėčiai, gali išlaikyti smulkias daleles teigiamos iškrovos stulpelio srityje.

Struktūros formavimosi procesas yra toks: mikronų dalelės, supiltos iš talpyklos į iškrovą, įkraunamos plazmoje ir susidaro struktūra, kuri išlieka savavališkai ilgą laiką esant pastoviems iškrovimo parametrams. Lazerio spindulys apšviečia daleles horizontalioje arba vertikalioje plokštumoje (2 pav.). Erdvinės struktūros formavimąsi fiksuoja vaizdo kamera. Atskiros dalelės gali būti matomos plika akimi. Eksperimente naudojome kelių tipų daleles – tuščiavidures borosilikatinio stiklo mikrosferas ir melamino formaldehido daleles, kurių skersmuo nuo vieno iki šimto mikrometrų.

Sluoksnio centre susidaro iki kelių dešimčių milimetrų skersmens dulkių debesis. Dalelės išsidėsčiusios horizontaliais sluoksniais, sudarydamos šešiakampes struktūras (3a pav.). Atstumai tarp sluoksnių yra nuo 250 iki 400 µm, atstumas tarp dalelių horizontalioje plokštumoje – nuo ​​350 iki 600 µm. Dalelių pasiskirstymo funkcija g (r) turi keletą ryškių maksimumų, patvirtinančių dalelių išsidėstymo tolimosios tvarkos egzistavimą ir reiškiančios kristalinės struktūros susidarymą, nors plazmos dulkių kristalai yra aiškiai matomi plika akimi.

Keičiant iškrovos parametrus galima daryti įtaką dalelių debesies formai ir net stebėti perėjimą iš kristalinės būsenos į skystį (kristalo „lydymas“), o po to į dujas. Naudojant nesferines daleles – 200-300 mikronų ilgio nailoninius cilindrus – taip pat buvo galima išgauti struktūrą, panašią į skystąjį kristalą (4 pav.).

DULKĖTA PLAZMA ERDVĖJE

Žemėje tolesnius plazmos kristalų tyrimus trukdo gravitacija. Todėl buvo nuspręsta pradėti eksperimentus erdvėje, mikrogravitacijos sąlygomis.

Pirmąjį eksperimentą 1998 metų sausį Rusijos orbitiniame komplekse Mir atliko kosmonautai A. Ya. Soloviev ir P. V. Vinogradov. Jie turėjo ištirti tvarkingų dulkėtų plazmos struktūrų susidarymą esant nulinei gravitacijai, veikiant saulės šviesai.

Stiklinėse ampulėse, užpildytose neonu, buvo sferinių ceziu dengtų bronzos dalelių, kurių slėgis buvo 0,01 ir 40 Torr. Ampulė buvo padėta prie lango, sukratoma, o lazeriu apšviestų dalelių judėjimas užfiksuotas vaizdo kamera. Stebėjimai parodė, kad iš pradžių dalelės juda chaotiškai, o vėliau atsiranda kryptingas judėjimas, susijęs su plazmos difuzija ant ampulės sienelių.

Buvo aptiktas dar vienas įdomus faktas: praėjus kelioms sekundėms po ampulės pakratymo, dalelės pradėjo lipti kartu, sudarydamos aglomeratus. Aglomeratai suyra veikiami saulės spindulių. Aglomeracija gali atsirasti dėl to, kad pradiniais apšvietimo momentais dalelės įgauna priešingus krūvius: teigiamus – dėl fotoelektronų emisijos, neigiamus – įkraunamus iš kitų dalelių skleidžiamų plazmos elektronų srautų – ir priešingai įkrautos dalelės sulimpa.

Analizuojant makrodalelių elgseną, galima įvertinti jų krūvio vertę (apie 1000 elektronų krūvių). Daugeliu atvejų dalelės sudarė tik skystą struktūrą, nors kartais atsirasdavo kristalų.

1998 m. pradžioje buvo nuspręsta atlikti bendrą Rusijos ir Vokietijos eksperimentą „Plazmos kristalas“ Tarptautinės kosminės stoties (PC MKC) Rusijos segmente. Eksperimentą sukūrė ir parengė Rusijos mokslų akademijos Ekstremalių valstybių termofizikos instituto mokslininkai, dalyvaujant Maxo Plancko nežemiškos fizikos institutui (Vokietija) ir raketų ir kosmoso korporacijai „Energia“.

Pagrindinis aparato elementas – vakuuminė plazminė kamera (5 pav.), susidedanti iš dviejų plieninių kvadratinių plokščių ir kvadratinio skerspjūvio stiklo įdėklų. Ant kiekvienos plokštės sumontuoti diskiniai elektrodai, sukuriantys aukšto dažnio iškrovą. Į elektrodus įmontuoti prietaisai dulkių dalelėms į plazmą įpurškti. Visa optinė sistema, įskaitant dvi skaitmenines kameras ir du puslaidininkinius lazerius, skirtus dalelių debesiui apšviesti, sumontuota ant kilnojamos plokštės, kurią galima perkelti, kad būtų galima nuskaityti dulkėtą plazmos struktūrą.

Buvo sukurti ir pagaminti du įrangos komplektai: technologinė (dar žinoma kaip mokymo) ir skrydžio. 2001 m. vasario mėn. po bandymų ir priešskrydinių mokymų Baikonūre skrydžio komplektas buvo pristatytas į TKS Rusijos segmento aptarnavimo modulį.

Pirmasis eksperimentas su melamino formaldehido dalelėmis buvo atliktas 2001 m. Mokslininkų lūkesčiai pasiteisino: pirmą kartą buvo aptiktos trimatės tvarkingos labai įkrautos mikrono dydžio dalelės, turinčios didelį neidealumo parametrą – trimačiai plazmos kristalai su į veidą ir į kūną nukreiptomis gardelėmis (1 pav.). 7).

Galimybė gauti ir ištirti įvairios konfigūracijos ir ilgio plazmos darinius padidėja, jei naudojama aukšto dažnio indukcinė iškrova. Regione tarp vienalytės plazmos ir ją ribojančios sienos arba aplinkinių neutralių dujų galima tikėtis tiek atskirų įkrautų makrodalelių, tiek jų ansamblių levitacijos (svyravimo). Cilindriniuose stikliniuose vamzdeliuose, kur išlydis sužadinamas žiediniu elektrodu, virš plazmos darinio kabo daug dalelių. Priklausomai nuo slėgio ir galios, susidaro arba stabilios kristalinės struktūros, arba struktūros su vibruojančiomis dalelėmis, arba konvekciniai dalelių srautai. Naudojant plokščią elektrodą, dalelės kabo virš neonu užpildytos kolbos dugno ir sudaro tvarkingą struktūrą – plazmos kristalą. Kol kas tokie eksperimentai atliekami laboratorijose Žemėje ir parabolinio skrydžio sąlygomis, tačiau ateityje šią įrangą planuojama montuoti ir TKS.

Dėl unikalių plazmos kristalų savybių (parametrų gamybos, stebėjimo ir valdymo paprastumas, taip pat trumpas atsipalaidavimo laikas iki pusiausvyros ir atsako į išorinius trikdžius) jie yra puikus objektas tiriant labai neidealios plazmos savybes ir pagrindines kristalų savybės. Rezultatai gali būti naudojami imituojant tikrus atominius ar molekulinius kristalus ir tiriant fizikinius procesus, dalyvaujant jiems.

Makrodalelių struktūros plazmoje taip pat yra geras įrankis sprendžiant taikomas problemas, susijusias su mikroelektronika, ypač pašalinant nepageidaujamas dulkių daleles gaminant mikroschemas, projektuojant ir sintezuojant mažą kristalą - nanokristalą, nanoklasterį, su plazma. purškimas, dalelių atskyrimas pagal dydį, naujų labai efektyvių šviesos šaltinių kūrimas, elektrinių branduolinių baterijų ir lazerių, kurių darbo terpė yra radioaktyviųjų medžiagų dalelės, kūrimas.

Galiausiai gana realu sukurti technologijas, kurios leistų kontroliuoti plazmoje suspenduotų dalelių nusodinimą ant pagrindo ir tokiu būdu sukurti specialių savybių dangas, įskaitant porėtą ir kompozicinę, taip pat sudaryti daleles su daugiasluoksne danga iš medžiagų, turinčių skirtingas medžiagas. savybių.

Įdomių problemų kyla mikrobiologijoje, medicinoje, ekologijoje. Galimų dulkėtos plazmos pritaikymų sąrašas nuolat plečiasi.

Iliustracijų antraštės

Fig. 1. Koreliacijos funkcija g (r) parodo tikimybę, su kuria galima rasti kitą dalelę atstumu r nuo duotosios. CeO2 dalelėms oro srovėje esant 300 K (a) kambario temperatūrai ir plazmoje esant 2170 K (b) temperatūrai, funkcija rodo chaotišką dalelių pasiskirstymą. Plazmoje 1700 K (c) temperatūroje funkcija turi maksimumą, tai yra, atsiranda struktūra, panaši į skystį.

Fig. 2. Įrenginys dulkėtai plazmai tirti nuolatinės srovės švytėjimo išlydyje yra vertikaliai orientuotas vamzdis, užpildytas žemu slėgiu neonu, kuriame generuojamas švytėjimo išlydis. Esant tam tikroms sąlygoms, išlydžio vietose pastebimi stovintys dryžiai – stacionarios netolygaus šviesumo zonos. Dulkių dalelės yra talpykloje su tinkliniu dugnu virš išleidimo zonos. Sukratant talpyklą, dalelės nukrenta žemyn ir kabo ruoželiais, sudarydamos tvarkingas struktūras. Kad dulkės būtų matomos, ji apšviečiama plokščiu lazerio spinduliu. Išsklaidyta šviesa fiksuojama vaizdo kamera. Monitoriaus ekrane rodomas dulkėtų plazminių struktūrų vaizdo vaizdas, gautas apšviečiant dulkių daleles lazerio spinduliu žaliojoje spektro srityje.

Fig. 3. Švytėjimo išlydžio metu atsiranda tvarkinga dulkėta struktūra (a), kuri atitinka koreliacijos funkciją g (r) su keliais ryškiais kristalui būdingais maksimumais (b).

Fig. 4. Pailgos dulkių dalelės (cilindro formos) yra lygiagrečios kokiai nors bendrai ašiai. Ši būsena vadinama plazmos skystaisiais kristalais pagal analogiją su molekuliniais skystaisiais kristalais, kur yra pageidaujama ilgų molekulių orientacijos kryptis.

Fig. 5. Vakuuminė plazmos kamera, skirta tirti dulkėtą plazmą Tarptautinėje kosminėje stotyje (TKS).

Fig. 6. Rusijos mokslų akademijos Ekstremalių valstybių termofizikos institute sukurta speciali instaliacija plazmos kristalams tirti žemo slėgio aukšto dažnio išlydyje. Kristalų struktūra aiškiai matoma, kai dulkių dalelės apšviečiamos lazerio spinduliais žalios ir raudonos spektro srityse.

Fig. 7. Dulkių dalelių struktūros trijuose horizontaliuose plazmos-dulkių darinio sluoksniuose: su korpuso centre (viršuje), į veidą nukreipta gardele (centre) ir su šešiakampiu tankiu sandarikliu (apačioje).

1

Sacharova T.A. (gyvenvietė N-Kisliai, MKOU Nižnekislių vidurinė mokykla, pavadinta Poliakovo vardu)

1. Artsimovich L.A. „Elementarioji plazmos fizika“.

2.http: //www.nkj.ru/archive/articles/1318/ (Mokslas ir gyvenimas, KRISTALAI DULKĖJOJE PLAZMOJE).

3. Robertas L. Merlino. Eksperimentiniai dulkėtų plazmų tyrimai (anglų k.) (PDF). Ajovos universiteto Fizikos ir astronomijos katedra (2005 m. birželio 17 d.). - Dulkės plazmos tyrimų istorinė apžvalga. Gauta 2009 m. liepos 18 d. Suarchyvuota nuo originalo 2012 m. balandžio 2 d.

4. Fortovas V.E., A.G. Khrapak, S.A. Khrapakas, V.I. Molotkovas, O.F. Petrovas. Dulkėta plazma (rus.) // Fiz. - 2004. - T. 174. - S. 495–544.

5. Citovičius V.N. Plazmos-dulkių kristalai, lašai ir debesys (rus.) // Fizik. - 1997. - T. 167. - S. 57–99.

6. Dusty plasma // Žemos temperatūros plazmos enciklopedija. - M .: Janus-K, 2006 .-- T. 1.

7. Fortovas V.E. Plazmos-dulkių kristalai ir skysčiai Žemėje ir kosmose (rusų k.) // Rusijos mokslų akademijos biuletenis. - 2005. - T. 75, Nr. 11. - S. 1012-1027.

8. Klumovas B.A. Dėl sudėtingos plazmos lydymosi kriterijų (rus.) // Fizik. - 2010. - T. 180. - S. 1095–1108.

9. Vaizdo įrašas iš YouTube "Lauko kristalų tyrimas erdvėje".

Plazma yra labiausiai paplitusi materijos būsena gamtoje: apskaičiuota, kad maždaug 95% įprastos materijos visatoje yra tokios būsenos. Žvaigždės yra plazmos gumulėliai, jonizuotos dujos, kurių temperatūra siekia dešimtis ir šimtus milijonų laipsnių. Plazmos savybės yra šiuolaikinių technologijų, kurių taikymo sritis yra plati, pagrindas.

Šio tiriamojo darbo ėmiausi, nes domėjausi ketvirtąja, šiuolaikiniame pasaulyje dar menkai ištirta materijos būsena – plazma. Mane nunešė neseniai žemos temperatūros plazmoje atrastas reiškinys – „plazmos kristalo“ susidarymas, tai yra, erdvėje sutvarkyta smulkių dalelių struktūra – plazmos dulkės.

Tikslas mano tyrimas: žemos temperatūros plazmos gavimas eksperimentiniu būdu, pažintis su plazmos lauko kristalais.

Tyrimo tikslai:

1. Išplėskite žinias apie „plazmą“.

2. Įsigykite žemos temperatūros plazmos namuose.

3. Išmokti plazmos taikymo sritis.

4. Atlikti iš įvairių šaltinių gautos informacijos ir eksperimentinių duomenų analizę.

Šio darbo aktualumas yra tas, kad pastaruoju metu plazmos fizika yra aktyviai besivystanti mokslo sritis, kurioje iki šių dienų daromi nuostabūs atradimai, stebimi neįprasti reiškiniai, kuriuos reikia suprasti ir paaiškinti. Atradimai šioje srityje pagerins žmogaus gyvenimo kokybę: organizuoti atliekų perdirbimą; alternatyvios energijos gamyba; mikroschemų gamyba; padidinti metalų stiprumą; naujų plazminių variklių išradimas; nugalėti kenksmingus mikrobus; pagerinti spalvotų vaizdų kokybę plazminėse plokštėse; paaiškinti visatos evoliuciją ir kt.

Darbas su informacijos šaltiniais

Plazmos atradimų istorija

Ketvirtąją materijos būseną W. Crookesas (1 pav.) atrado 1879 m., o 1928 m. I. Langmuiras pavadino „plazma“ (2 pav.), galbūt dėl ​​asociacijų su ketvirtąja materijos būsena (plazma) su krauju. plazma.

Ryžiai. 1. W. Krugsonas

Ryžiai. 2. I. Langmuiras

I. Langmuiras rašė: „Neskaitant erdvės prie elektrodų, kur randamas nedidelis elektronų skaičius, jonizuotose dujose elektronų ir jonų yra praktiškai vienodais kiekiais, dėl to bendras sistemos krūvis yra labai mažas. Mes naudojame terminą „plazma“, kad apibūdintume šią paprastai elektriškai neutralią jonų ir elektronų sritį. ...

Plazmos koncepcija

Plazma yra iš dalies arba visiškai jonizuotos dujos, susidarančios iš neutralių atomų (arba molekulių) ir įkrautų dalelių (jonų ir elektronų). Svarbiausias plazmos bruožas yra jos kvazineutralumas, o tai reiškia, kad teigiamo ir neigiamo krūvio dalelių, iš kurių ji susidaro, tūrinis tankis yra beveik vienodas.

Dujos virsta plazmine būsena, jei kai kurie jas sudarantys atomai (molekulės) dėl kokių nors priežasčių prarado vieną ar daugiau elektronų, t.y. virto teigiamais jonais. Kai kuriais atvejais neigiami jonai taip pat gali atsirasti plazmoje dėl elektronų „prisijungimo“ prie neutralių atomų.

Jei dujose nelieka neutralių dalelių, plazma vadinama visiškai jonizuota. Plazma paklūsta dujų dėsniams ir daugeliu atžvilgių elgiasi kaip dujos. Tuo pačiu metu plazmos elgsena daugeliu atvejų, ypač veikiant elektriniams ir magnetiniams laukams, yra tokia neįprasta, kad dažnai kalbama kaip apie naują ketvirtąją materijos būseną (3 pav.).

Ryžiai. 3. Ketvirtoji materijos būsena

Kas yra dulkėta plazma?

Dulkėta plazma – tai jonizuotos dujos, kuriose yra dulkių dalelių – kietųjų medžiagų dalelių. Tokia plazma dažnai aptinkama erdvėje: planetų žieduose, kometų uodegose, tarpplanetiniuose ir tarpžvaigždiniuose debesyse (4 pav.). Jis buvo rastas šalia dirbtinių Žemės palydovų ir termobranduolinių įrenginių su magnetiniu uždarymu šalia sienos, taip pat plazmos reaktoriuose, lankuose ir iškrovose.

Ryžiai. 4. Plazminės kometos uodega

Laboratorinėmis sąlygomis dulkėtą plazmą pirmą kartą gavo amerikietis Irvingas Langmuiras dar 1920-aisiais. Tačiau jis buvo pradėtas aktyviai tyrinėti tik pastarąjį dešimtmetį. Didesnis susidomėjimas dulkėtos plazmos savybėmis atsirado plėtojant plazmos purškimo (5 pav.) ir ėsdinimo technologijas mikroelektronikoje (6 pav.), taip pat gaminant plonas plėveles (7 pav.) ir nanodaleles (8 pav.). ).

Ryžiai. 5. Plazminis purškimas

6 pav. Platinos ėsdinimas vandenilyje

Ryžiai. 7. Plona puslaidininkinė plėvelė

8 pav. Nanodalelės

Plazminis kristalas

Dulkių dalelių dydžiai yra gana dideli – nuo ​​mikronų frakcijų iki kelių dešimčių, kartais šimtų mikronų (9 pav.). Jų krūvis gali būti itin didelis ir šimtus ir net šimtus tūkstančių kartų viršyti elektronų krūvį. Dėl to vidutinė dalelių Kulono sąveikos energija, proporcinga krūvio kvadratui, gali gerokai viršyti jų vidutinę šiluminę energiją (10 pav.). Rezultatas yra plazma, kuri vadinama labai netobula, nes jos elgsena nepaklūsta idealių dujų dėsniams. (Prisiminkite, kad plazma gali būti laikoma idealiomis dujomis, jei dalelių sąveikos energija yra daug mažesnė už jų šiluminę energiją).

Ryžiai. 9. Plazminis kristalas

Ryžiai. 10. Kulono sąveika

Dulkės plazmos pusiausvyros savybių teoriniai skaičiavimai rodo, kad esant tam tikroms sąlygoms stipri elektrostatinė sąveika „paima viršų“ mažą šiluminę energiją ir priverčia įkrautas daleles tam tikru būdu išsirikiuoti erdvėje. Susidaro tvarkinga struktūra, kuri vadinama Kulono arba plazmos kristalu. Plazminiai kristalai yra panašūs į erdvines struktūras skystame arba kietame kūne (11 pav.). Čia gali įvykti fazių perėjimai, tokie kaip tirpimas ir išgaravimas.

Ryžiai. 11. Plazminis kristalas

Jei dulkėtos plazmos dalelės yra pakankamai didelės, plazmos kristalą galima stebėti plika akimi.

Žemos temperatūros plazmos gavimas namuose

Atlikęs kai kuriuos plazmos savybių ir charakteristikų tyrimus, man pavyko atlikti eksperimentą, kaip gauti žemos temperatūros plazmą namuose (Vaizdo įrašas „Plazmos gavimas“). Tam man reikėjo šios įrangos: mikrobangų krosnelės, vandeniui atsparaus vėjui atsparaus degtuko, stiklinio indo.

Ryžiai. 12. Parengiamasis etapas

Eksperimento eiga:

1.Nuo pat pradžių iš mikrobangų krosnelės išėmiau stiklinį indą, ant kurio kaitinant sukasi maistas. Paruošė degtuką (12 pav.).

2. Tada įkišau degtuką į mikrobangų krosnelės centrą ir jį uždegiau.

3. Po to degtuką uždengiau stikliniu indeliu, tada uždariau mikrobangų krosnelę, įjungiau, nustatydamas maisto kaitinimo funkciją (13 pav.).

4. Po tam tikro laiko matosi, kaip stikliniame indelyje su uždegtu degtuku formuojasi plazma (14 pav.).

Ryžiai. 13. Suderinkite po stikliniu indeliu mikrobangų krosnelėje

Ryžiai. 14. Žemos temperatūros plazma

Per šį paprastą eksperimentą galima pamatyti, kaip dujos jonizuojamos temperatūros ir taip gaunama iš dalies jonizuota plazma. Jei man pavyko taip lengvai gauti žemos temperatūros plazmą, tai jos galima gauti gamyklose, o įsigijimo kaina yra minimali.

Išvados.

Namuose pavyko gauti žemos temperatūros plazmos. Praplėčiau savo žinias šiuo klausimu, sužinojau daug naujo ir įdomaus. Mane ši tema labai domino ir esu tikra, kad pasirinkus profesiją šis tiriamasis darbas paliks savo pėdsaką.

„Chaotiška“ plazma yra 5-oji materijos būsena. Kristalinė plazma yra „sutvarkytos“ plazmos būsena, kai jos nereikia laikyti magnetiniu lauku. Plazmos savybės yra šiuolaikinių technologijų, kurių taikymo sritis yra plati, pagrindas.

Manau, kad plazma yra ateities simbolis, svarbiausia industrija, be kurios neįsivaizduojama tolesnė civilizacijos raida. Plazma, mano nuomone, yra alternatyvus energijos šaltinis ir ekologijos daktaras.

Bibliografinė nuoroda

Skoblikovas A.A. ŽEMOS TEMPERATŪROS PLAZMOS GAVIMAS, ĮVADAS Į PLAZMOS LAUKO KRISTALUS // Pradėti moksle. - 2016. - Nr. 2. - P. 133-136;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=51 (prisijungimo data: 2019-03-28).

Legendinis eksperimentas, prasidėjęs sovietinėje orbitinėje stotyje Mir, buvo tęsiamas TKS su nauja įranga. Unikalus įrenginys, kuris neseniai buvo atvežtas į kosminę stotį, yra papildomas dujų srauto reguliatorius. Tai leis tikslesnius plazmos eksperimento rezultatus ir padidins jo grynumą. Duomenys apie tai, kas yra dulkėta plazma, leis gauti anksčiau nežinomos informacijos apie Visatą, sukurti kompaktiškas energijos baterijas ir lazerius, sukurti naują deimantų auginimo technologiją, taip pat bus pagrindas plazmos medicinos kūrimui.

Bet kuri medžiaga gali būti keturių fazių – kietos, skystos, dujinės ir plazminės. Plazma sudaro daugiau nei 99% matomos Visatos masės, nuo žvaigždžių iki tarpžvaigždinių dujų. Plazma, kurioje yra dulkių dalelių, labai paplitusi erdvėje – tai planetų žiedai, kometų uodegos, tarpžvaigždiniai debesys.

Plazmos tyrimas su kelių mikronų dydžio mikrodalelėmis (dulkių dalelėmis) ir jos elgsenos stebėjimas mikrogravitacijos sąlygomis, kai vyksta beveik visiškas mikrodalelių svorio kompensavimas, vyksta jau daugiau nei du dešimtmečius. 1998 m. sausį Rusijos orbitiniame komplekse „Mir“ kosmonautai Anatolijus Solovjovas ir Pavelas Vinogradovas atliko pirmąjį eksperimentą, siekdami ištirti plazmos-dulkių struktūrų, įskaitant plazmos kristalus ir skysčius, fiziką, naudodami „Plasma Crystal-1“ (PC-1). įrenginiu. Tų pačių metų rugpjūtį „Mir“ pradėjo vykdyti PK-2 įrangos tyrimus, kuriuos sudarė dujų išlydžio vamzdis ir eksperimento vaizdo įrašymo įrenginys. 2001 m. kovo mėn. Sergejus Krikalevas ir Jurijus Gidzenko atliko pirmąjį eksperimento TKS PK-3 objekte, kurį kartu sukūrė Rusijos ir Vokietijos specialistai. Pirmieji eksperimentai su naujuoju „Plasma Crystal-4“ įrenginiu, kurį taip pat kartu sukūrė Rusijos mokslų akademijos Jungtinio aukštų temperatūrų instituto (JIHT) ir Vokietijos kosmoso agentūros (DLR) mokslininkai, prasidėjo 2015 m. birželio mėn. Atliekant tyrimus buvo nustatytas poreikis tobulinti šį įrenginį. Šių metų liepą į TKS buvo pristatyta papildoma įranga, skirta Plasma Crystal-4 eksperimento kokybei pagerinti.

Mokslininkų tikslas – gauti ir ištirti dulkėtus plazmos kristalus ir kitas tvarkingas struktūras plazmoje. Visų pirma, tai leidžia ištirti protožvaigždėse, protoplanetiniuose žieduose ir kituose dangaus kūnuose vykstančių procesų dėsnius. Eksperimentų metu į neoninę arba argono plazmą dujų išlydžio vamzdyje suleidžiamos tam tikro dydžio (kelių mikrometrų skersmens) mikroskopinės dalelės. Mikrodalelės, patekusios į plazmą, surenka elektronus ir teigiamus jonus, ko pasekoje dėl didesnio elektronų judrumo įgauna neigiamą krūvį. Mikrodalelės atstumia viena kitą ir sudaro įvairias trimates struktūras. Tokie tyrimai negali būti atliekami Žemėje, nes dulkių dalelės yra veikiamos gravitacijos ir gali sudaryti dvimates struktūras arba labai deformuotas (suspaustas) erdvines struktūras.

Nepaisant to, kad per dvidešimt metų trukusią dulkėtų plazmų tyrimo istoriją buvo pateikta daug naujų įdomių duomenų, iki šiol nepavyko sukurti pilno matematinio savaime besitvarkančių dalelių elgesio modelio. Nauja įranga, kurią sukūrė Rusijos mokslų akademijos Jungtinio aukštų temperatūrų instituto ir DLR mokslininkai, leis atlikti švaresnius eksperimentus, dešimtis kartų sumažinant dujų srautą, sudarantį plazmą. Dabar galima išplėsti dujų slėgių diapazoną ir įgyti naujų žinių apie procesus dulkėtoje plazmoje.

Kai mikrodalelės yra plazmoje, jas veikia daugybė jėgų. Vienas iš pagrindinių yra elektrinis, kuris veikia iškrovos lauke esančią dalelę. Antrasis yra jonų įtraukimo jėga. Trečia – trintis prieš dujas: jei kūnas patenka į atmosferą, jis praranda greitį būtent dėl ​​to “, – „Izvestija“ sakė JIHT RAS vyresnysis tyrėjas Andrejus Lipajevas. – Atitinkamai, kai organizuojame režimą su ortakiu, atsiranda savotiškas vėjas, kuris išneša daleles. Įrenginys, kuris iš pradžių buvo naudojamas srautui išjungti, eksploatacijos metu sudėtingomis kosminio eksperimento sąlygomis pradėjo duoti didelį dujų nuotėkį, o dalelės buvo tiesiog nuneštos srauto.

Norėdami išspręsti šią problemą, JIHT RAS ir DLR specialistai sukūrė papildomą įrenginį, kuris leidžia visiškai valdyti dujų srautą naudojant išorinį slėgio reguliatorių ir du papildomus vožtuvus. Tokiu būdu galima pasiekti stabilią dalelių padėtį. Dėl to mokslininkai turi galimybę visiškai kontroliuoti eksperimento sąlygas.

Galima teigti, kad iki šiol tiesiog negalėjome kontroliuoti dujų srauto, taigi ir kokybiškų rezultatų. Anksčiau buvo tiesiog neįmanoma dirbti su mažesnėmis nei 3 mikronų dalelėmis. Tuo tarpu maždaug 1 mikrono dydžio dalelės yra įdomios tokių procesų, kaip, pavyzdžiui, struktūrų susidarymo, tyrimo požiūriu“, – pažymėjo Andrejus Lipajevas.

Naujoji įranga jau įdiegta TKS, o vaizdas iš lentos perduodamas į Misijos valdymo centrą. JIHT RAS darbuotojai gauna eksperimento telemetriją ir vaizdo įrašą, taip pat garso ryšio kanalus su TKS lenta – galima išgirsti, kaip vyksta derybos. Neseniai buvo baigtas naujas kelių dienų eksperimentas, naudojant papildomą įrangą dulkių dalelėms plazmoje tirti ir pateisino lūkesčius. Dabar mokslininkai atliks išsamią jos rezultatų analizę.

Kaip „Izvestijai“ sakė JIHT RAS direktorius Olegas Petrovas, eksperimento metu gauti duomenys padės suprasti saviorganizacijos procesų esmę.

Sistema, kurią mes tiriame, yra atvira išsklaidymo sistema: yra nuolatinis energijos srautas ir nuolatinis jos ištekėjimas. Tokios sistemos būdingos visiems gyviems organizmams. Kas nutinka šiai sistemai, kokie joje savitvarkos reiškiniai? Visa tai galima ir reikia ištirti“, – pažymėjo Olegas Petrovas.

Duomenys apie tai, kas yra dulkėta plazma, gali būti labai praktiški: tai leis visų pirma sukurti naujas kompaktiškos galios baterijas ir lazerius bei sukurti deimantų auginimo mikrogravitacijos sąlygomis technologiją. Taip pat iš TKS gaunami duomenys svarbūs kuriant plazmos mediciną, kurios esmė ta, kad žemos temperatūros plazma gali inicijuoti, stimuliuoti ir kontroliuoti sudėtingus biocheminius procesus gyvose sistemose.

Eksperimentą PK-4 palaiko Roscosmos ir Europos kosmoso agentūra.

Lapkritį buvo paskelbta, kad eksperimentas „Plasma Crystal“ TKS buvo nutrauktas. Speciali eksperimentui skirta įranga buvo patalpinta į krovininį laivą „Albert Einstein“ ir sudeginta virš Ramiojo vandenyno. Taip baigėsi ilga bene garsiausio kosminio eksperimento istorija. Noriu jums apie tai papasakoti ir šiek tiek papasakoti apie mokslą TKS apskritai.

Kur atradimai?

Visų pirma, reikia padaryti šiek tiek demotyvuojančią įžangą. Šiuolaikinis mokslas nėra kompiuterinis žaidimas, kuriame iš esmės nėra nenaudingų tyrimų, o kiekvienas atradimas suteikia pastebimą premiją. Ir, deja, praėjo tie laikai, kai toks vienišas genijus kaip Edisonas vienas galėjo išrasti daug gyvenimą keičiančių prietaisų. Dabar mokslas – tai metodinis judėjimas aklai visais prieinamais keliais, kurį vykdo didelės organizacijos, trunka metų metus ir gali atvesti iki nulinių rezultatų. Todėl informacija apie TKS tyrimus, kuri skelbiama reguliariai, nepritaikant prie mokslo populiarinimo, atrodo, atvirai kalbant, labai nuobodi. Tuo pačiu metu kai kurie iš šių eksperimentų yra tikrai įdomūs ir, jei jie nežada mums akimirksniu nuostabių rezultatų, jie suteikia vilties geriau suprasti, kaip veikia pasaulis ir kur turėtume eiti siekdami naujų fundamentalių ir taikomųjų atradimų.

Eksperimento idėja

Yra žinoma, kad medžiaga gali būti keturių fazių – kietos, skystos, dujinės ir plazminės. Plazma sudaro 99,9% Visatos masės, nuo žvaigždžių iki tarpžvaigždinių dujų. Žemėje plazma yra žaibas, šiaurės pašvaistė ir, pavyzdžiui, dujų išlydžio lempos. Plazma, kurioje yra dulkių dalelių, taip pat labai paplitusi – tai planetų žiedai, kometų uodegos, tarpžvaigždiniai debesys. O eksperimento idėja buvo dirbtinai sukurti plazmą su dulkių mikrodalelėmis ir stebėti jos elgesį Žemės gravitacijos ir mikrogravitacijos sąlygomis.

Pirmajame eksperimento variante (paveikslėlyje) ampulė su dulkėta plazma buvo apšviesta Saulės spinduliais, plazmoje esančios dulkės – lazeriu, o apšviestas plotas filmuojamas fotoaparatu. Vėliau buvo panaudotos sudėtingesnės eksperimentinės instaliacijos. Kartu su „Albertu Einšteinu“ sudegusi „Juodoji statinė“ buvo jau trečios kartos instaliacija.

rezultatus

Eksperimentai mikrogravitacijos sąlygomis pateisino mokslininkų viltis – dulkėta plazma savo struktūra tapo kristališka arba parodė skysčių savybes. Skirtingai nuo idealių dujų, kuriose molekulės juda chaotiškai (žr. terminį judėjimą), dulkėta plazma, būdama dujos, pasižymi kietųjų ir skysčių savybėmis – galimi lydymosi ir garavimo procesai.
Kartu buvo ir netikėtų atradimų. Pavyzdžiui, kristale gali atsirasti ertmė. Kodėl vis dar nežinoma.


Tačiau netikėčiausias atradimas buvo tas, kad dulkėta plazma tam tikromis sąlygomis suformavo spiralines struktūras, panašias į DNR! Galbūt net gyvybės atsiradimas Žemėje kažkaip susijęs su dulkėta plazma.

Perspektyvos

Daugelį metų trukusių „Plazmos kristalų“ eksperimento tyrimų rezultatai rodo esminę galimybę:

• Unikalių savybių turinčių nanomedžiagų susidarymas dulkėtoje plazmoje.


• Medžiagų nusodinimas iš dulkėtos plazmos ant pagrindo ir naujų tipų dangų gavimas - daugiasluoksnės, porėtos, kompozitinės.


• Oro valymas nuo pramoninių ir radiacinių emisijų bei mikroschemų ėsdinimas plazminiu būdu.


• Negyvų daiktų ir atvirų gyvų daiktų žaizdų sterilizacija plazmoje.


Deja, visas šis grožis bus prieinamas tik po dešimties metų. Nes pagal darbo rezultatus reikia statyti eksperimentines taikomąsias instaliacijas, prototipus, atlikti bandymus ar klinikinius tyrimus, organizuoti masinę gamybą.

Aprašoma, atlikta 2001-2014 m. dalyvaujant Rusijos ir Vokietijos mokslininkams bei kosmonautams plazmos kristalų tyrimus Tarptautinėje kosminėje stotyje. Eksperimentų metu buvo atrasta nemažai naujų poveikių ir reiškinių, kurie nepastebimi žemės traukos sąlygomis ir praplečia mūsų supratimą apie materijos sandarą ir dinamiką.
Dulkėtos plazmos fizikos specialistams, taip pat visiems, kurie domisi šiuolaikinio kosminio eksperimento įrengimu, erdvės tyrimų organizavimu ir praktika.

ATSPIRTIES TAŠKAS.
Moksliniai tyrimai kosmose yra sudėtingas darbas. Nuo idėjos iki visiško įgyvendinimo projektas gali trukti daugiau nei dvidešimt metų. Tai reiškia, kad mokslininkai turi būti pakankamai jauni arba jiems gali tekti perduoti savo žinias ir įgūdžius bei deleguoti savo atsakomybę už eksperimentą jaunesniems kolegoms.

Kosmoso tyrinėjimai yra skirtingi – gali būti tyrinėjimas iš kosmoso (pavyzdžiui, nuotolinis Žemės stebėjimas ar astronomija), pačios kosmoso tyrinėjimas (pavyzdžiui, artižemės erdvės, kosminių orų, tarpplanetinės terpės tyrinėjimas, pvz. taip pat atskiros planetos, Mėnulis, asteroidai ir kometos) ir daugiau tyrimų naudojant specifines kosmoso ypatybes (tarkim, nesvarumą, tiksliau, mikrogravitaciją ir didžiulius atstumus). Vienus tyrimus patogiau atlikti nepilotuojamose kosminėse transporto priemonėse naudojant automatines mašinas ir robotiką, o kitiems reikia atlikti žmogaus atliekamus eksperimentus, panašius į žemiškosiose mokslinėse laboratorijose.

TURINYS
Iš autorių
1. Atspirties taškas
2. "Plazmos kristalas"
3. Mums reikia kosminio eksperimento
4. Rusijos ir Vokietijos bendradarbiavimo kristalizacija
5. Vokietija: parabolinio skrydžio eksperimentas
6. Vokietija: raketų eksperimentas
7. Rusija: pirmasis eksperimentas „Plazminis kristalas“ kosmose
8. Kaip gimė Tarptautinė kosminė stotis
9. Rusų-vokiečių planas
10. Atsisveikinimas su „Mir“
11. Eksperimentinės sąrankos sukūrimas
12. Kosmodromas „Baikonur“
13. Eksperimentas „PK-3“
14. Kosmonautų rengimo centras
15. Korolevas – kosminis miestas
16. Eksperimentas "PK-3 +"
17. „Plazmos kristalas“ astronautų žvaigždyne
18. Mūsų susitikimai Žemėje
19. Tyrimo rezultatai
20. Ateitis netoli
21. Baigiamosios kalbos
Bibliografija.

Nemokamai atsisiųskite elektroninę knygą patogiu formatu, žiūrėkite ir skaitykite:
Atsisiųskite knygą Plasma Crystal, Space Experiments, Fortov V.E., Baturin Yu.M., Morfill G.O., Petrov O.F., 2015 - fileskachat.com, greitai ir nemokamai.

• Gravitacija, nuo krištolinių sferų iki kirmgraužų, Petrovas A.N., 2013 m.
• Baziniai paskaitų konspektai kursui Lazerinės technologijos, Įvadas į lazerines technologijas, Veiko V.P., Petrov A.A., 2009 m.