"Kryształ plazmowy" i tajemnice wszechświata. Eksperyment "kryształ plazmowy" na ISS odbył się z nowym sprzętem

Akademik V. Fortov, dyrektor Instytutu Fizyki Termicznej Ekstremalnych Stanów Rosyjskiej Akademii Nauk.

W kwietniu 2005 r. Akademic Vladimir EvgeNievich Fortov otrzymał prestiżową nagrodę międzynarodową - Złoty Medal o imieniu Albert Einstein, przyznawany mu za wybitny wkład w rozwój nauki fizycznej i międzynarodowej współpracy naukowej. Naukowe interesy akademika Fortov leżą w dziedzinie fizyki ekstremalnych substancji, w tym osocza. Jeśli nie liczysz ciemnej materii, osocze jest najczęstszym stanem substancji w charakterze: Według szacunków w tym państwie jest około 95% zwykłej materii we wszechświecie. Gwiazdy to pęczki plazmowe, jonizowany gaz z temperaturami w dziesiątkach i setkach milionów stopni. Właściwości osocza stanowią podstawę nowoczesnych technologii, których zakres jest obszerny. Plasma emituje światło w lampach elektrycznych, tworzy kolorowy obraz w panelach plazmowych. Reaktory plazmowe przepływy plazmowe są wykorzystywane do produkcji mikrokiriuchów, metali hartowanych i powierzchni czyszczących. Ustawienia plazmowe recykling odpadów i wytwarzają energię. Fizyka w osoczu jest aktywnie rozwijającym się dziedziną nauki, która do tego dnia wykonywana jest niesamowite odkrycia, obserwuje się niezwykłe zjawiska, wymagające zrozumienia i wyjaśnienia. Jednym z najciekawszych zjawisk odkrytych w osoczu niskiej temperaturze jest tworzenie "kryształu plazmowego", czyli strukturę przestrzenną z drobnych cząstek - pyłu plazmowego.

Nauka i życie // ilustracja

Nauka i życie // ilustracja

Cosmonauts S. Krikalev i Y. Gyzenko zainstalują sprzęt "Crystal Plasma Crystal" dla ISS (2001).

Co to jest plazma kurzu?

Pył osocza jest zjonizowanym pyłem zawierającym gaz - cząstki ciała stałego. Taka plazma jest często występują w przestrzeni: w planety pierścieni, domki comet, międzyplanetarne i międzygwiezdne chmury. Znajduje się w pobliżu sztucznych satelitów Ziemi i w obszarze przycinanym roślin termonuklearnych z retencją magnetyczną, a także w reaktorach w osoczu, łukach, zrzutach.

W warunkach laboratoryjnych Amerykański Irving Langmür Irving Langmür otrzymał plazmę pyłu po raz pierwszy w XIX wieku w XX wieku. Jednak aktywnie studiował go tylko w ostatniej dekadzie. Zwiększone zainteresowanie właściwościami osocza pyłu pojawiło się wraz z rozwojem technologii rozpylania osocza i trawienia w mikroelektronice, a także produkcji cienkich folii i nanocząstek. Obecność cząstek stałych, które należą do osocza w wyniku zniszczenia elektrod i ścian komory wylotowej, prowadzą nie tylko do skażenia powierzchni żetonów półprzewodnikowych, ale także zaburza osocza, często nieprzewidywalny sposób. Aby zmniejszyć lub zapobiegać tym negatywnym zjawiskom, konieczne jest określenie sposobu, w jaki procesy tworzenia i wzrostu skróconych cząstek w osoczu gazowo-wylotowej są nadchodzące i jako pył w osoczu wpływa na właściwości rozładowania.

Kryształ plazmowy

Wymiary cząstek pyłu są stosunkowo duże - od udziałów mikronów do kilku dziesiątek, czasami setki mikronów. Ich ładunek może mieć niezwykle dużą ilość i przekroczyć ładunek elektronów w setkach, a nawet setkach tysięcy razy. W rezultacie średnia energia kulombowa interakcji cząstek, proporcjonalna do kwadratu opłaty, może być znacznie zasłonniona przez ich średnia energia termiczna. Okazuje się osocze, która nazywa się Sylnoneal, ponieważ jego zachowanie nie podlega prawem idealnego gazu. (Przypomnijmy, że osocze można uznać za doskonały gaz, jeśli energia interakcji cząstek jest znacznie mniejsza niż ich energia termiczna).

Teoretyczne obliczenia równowagi właściwości pyłu osocza pokazują, że w pewnych warunkach silna interakcja elektrostatyczna "przyjmuje górę" powyżej niskiej energii cieplnej i powoduje, że naładowane cząstki łączą się w przestrzeni w określony sposób. Utworzona jest struktura usprawniona, która otrzymała nazwę Kryształu Coulomb lub Plasmy. Kryształy plazmowe są podobne do struktur przestrzennych w cieczy lub stałej. Tutaj mogą wystąpić przejścia fazowe, takie jak topnienie i odparowanie.

Jeśli cząsteczki pyłu w osoczu są wystarczająco duże, kryształ plazmowy można zaobserwować gołym okiem. We wczesnych eksperymentach, tworzenie struktur krystalicznych odnotowano w systemie naładowanych cząstek żelaznych i aluminiowych mikronów rozmiarów posiadanych przez zmienne i statyczne pola elektryczne. W późniejszych dziełach wykonano krystalizację kulombów w słabo zachęconej osoczu wyładowania o wysokiej częstotliwości przy niskim ciśnieniu. Energia elektronowa w tak osoczu jest nieco electronolt (EV), a energia jonów jest zbliżona do energii cieplnej atomów, które mają temperaturę pokojową (~ 0,03 EV). Wynika to z faktu, że elektrony są bardziej mobilne, a ich strumień skierowany do neutralnej cząstki pyłu znacznie przekracza przepływ jonów. Elektrony cząstek "łapie" i zaczyna naliczać negatywnie. To akumulowanie negatywnego ładunku z kolei powoduje odpychanie elektronów i przyciągania jonów. Poszukiwanie cząstek zmienia się aż strumienie elektronów i jonów na jego powierzchni są równe. W eksperymentach z rozładowaniem wysokiej częstotliwości ładunek cząstek kurzu był ujemny i raczej duży (około 10 4 - 10 5 ładunków elektronicznych). Chmura naładowanych cząstek pyłu zależała w pobliżu powierzchni niższej elektrody, ponieważ była równowaga między siłami grawitacyjnymi i elektrostatycznymi. Dzięki średnicy chmury w kilku centymetrach w kierunku pionowym, liczba warstw cząstek wynosiła kilka dziesiątek, a odległość między cząstkami wynosi kilkaset mikrometrów.

Zamówione struktury w osoczu termicznej ...

W Instytucie Fizyki Termicznej Ekstremalnych Stanów Rosyjskiej Akademii Nauk (ITP RAS) od 1991 r. Studiuje osocze pyłu i stworzyć różne metody jego diagnozy. Badany jest pył w osoczu różnych typów: osocze termiczne, osocze gazowo-rozładowywania tlącego się i wysokiej częstotliwości wyładowań, fotorephotos i plazma podekscytowana jądrowa.

Okładzę termiczną utworzoną w płomieniu palnika gazowego przy ciśnieniu atmosferycznym ma temperaturę od 1700 do 2200 K, a temperatura elektronów, jonów i neutralnych cząstek jest równa. W przepływie takiego osocza badano zachowanie cząstek dwutlenku Cer (CEO 2). Specyfika tej substancji jest to, że elektrony są dość łatwe do latania z jego powierzchni - działanie wyjścia elektronowego wynosi tylko około 2,75 EV. Dlatego cząstki pyłu są ładowane zarówno przez przepływy elektronów, jak i jonów plazmowych, a ze względu na emisję termoelektroniczną - emisją elektronów z podgrzewaną cząstką, która tworzy ładunek dodatni.

Konstrukcje przestrzenne cząstek analizowano przez promieniowanie laserowe, które daje funkcję korelacji g (r), o czym jest następujące. Jeśli naprawisz lokalizację w przestrzeni jednej z cząstek, funkcja pokazuje prawdopodobieństwo znalezienia innej cząstki na odległość r. od tego. I pozwala nam stwierdzić o rozstrzygnięciu przestrzennego układu cząstek - chaotyczne lub uporządkowane, charakterystyczne dla struktur cieczy i krystalicznych.

Typowe funkcje korelacji. g (r) W przypadku cząstek dyrektorów 2 w strumieniu aerozolowym w temperaturze pokojowej i osocza są reprezentowane na chorych. 1. W wysokiej temperaturze w osoczu (2170 K) i niski stężenie makro-mas (b) funkcja korelacji ma prawie taką samą formę jak w przypadku strumienia konwencjonalnego aerozolu w temperaturze pokojowej (A). Oznacza to, że cząstki w osoczu współdziałają słabo i tworzenie zamówionych struktur nie występuje. W mniejszej temperaturze w osoczu (1700 K) i wyższe stężenie cząstek, funkcja korelacji przyjmuje formę charakterystyczną dla cieczy: istnieje wyraźna maksimum, co wskazuje na obecność niskiego zamówienia w lokalizacji cząstek (b) . W tym eksperymencie dodatni ładunek cząstek wynosił około 1000 ładunków elektronów. Stosunkowo słaby porządek struktury można wyjaśnić małym czasem egzystencji w osoczu (około 20 tysięcznych sekundy), dla których proces tworzenia kryształu plazmowego nie ma czasu do zakończenia.

... i tlące się wyładowanie

W osoczu termicznej temperatura wszystkich cząstek jest taka sama, aw osoczu rozjarzonego odprowadzania gazu, sytuacja jest inna - temperatura elektroniczna jest znacznie więcej jonów. Stwarza to warunki wstępne w przypadku wystąpienia uporządkowanych struktur pyłu plazmatycznych - kryształów plazmowych.

W rozjarzonym rozładowaniu gazu w pewnych warunkach stoją stojące stagnety - stałe strefy nierównomiernej jasności, regularnie przemian z ciemnymi odstępami. Stężenie elektronów i pole elektryczne są silnie niejednoznaczne wzdłuż długości warstw. Dlatego w głowie każdego klacy powstaje pułapka elektrostatyczna, która, z pionową położeniem rury wylotowej, może pomieścić drobne cząstki w obszarze pozytywnego postu wyładowania.

Proces tworzenia struktury jest następujący: Cząstki mikronowe wylane z pojemnika w wyładowaniu są ładowane w osoczu i są wbudowane w strukturę, która utrzymuje się, jak długo z niezmienionymi parametrami wyładowania. Wiązka laserowa podkreśla cząstki w płaszczyźnie poziomej lub pionowej (chory. 2). Tworzenie struktury przestrzennej naprawia kamerę. Oddzielne cząstki widać gołym okiem. W doświadczeniu stosowano cząstki kilku typów - wydrążone mikrosfery z szkła borokrzemianowego i cząstek melamimaldehydu o średnicy od jednego do stu mikrometrów.

W środku Strati powstaje chmura pyłu o średnicy do kilku dziesiątek milimetrów. Cząsteczki znajdują się w warstwach poziomych, tworząc struktury sześciokątne (Ill. 3a). Odległości między warstwami wynoszą od 250 do 400 μm, odległość między cząstkami w płaszczyźnie poziomej wynosi od 350 do 600 μm. Funkcja dystrybucji cząstek g (r) Ma kilka wyraźnych maxima, co potwierdza istnienie kolejności dalekiego zasięgu w miejscu cząstek i oznacza tworzenie struktury krystalicznej, chociaż kryształy pyłu plazmowego są wyraźnie widoczne i nagie oko.

Zmieniając parametry wyładowania, możliwe jest wpływanie na formę chmury cząstek, a nawet obserwować przejście od stanu krystalicznego do cieczy (topnienia "kryształu), a następnie do gazu. Korzystanie z niewinnych cząstek - cylindry nylonowe o długości 200-300 μm, możliwe było również uzyskanie struktury podobnej do ciekłego kryształu (chory. 4).

Osocze pyłu w przestrzeni

Na ziemi zapobiega się siła grawitacji na Ziemi do dalszego badania kryształów plazmowych. Dlatego zdecydowano się rozpocząć eksperymenty w przestrzeni, w warunkach mikrograwitacji.

Pierwszy eksperyment prowadził astronautów A. Ya. Solovyov i P. V. Vinogradov w rosyjskim kompleksie orbitalnym "Mir" w styczniu 1998 roku. Musieli studiować tworzenie uporządkowanych struktur pyłu plazmowych w nieprzeliczliwości pod działaniem światła słonecznego.

W szklanych ampułkach wypełnionych neonami, stwierdzono sferyczne cząstki z brązu z powłoką cezu na ciśnieniu 0,01 i 40 Torr. Ampułka została zainstalowana w pobliżu iluminatora, wstrząśnięta i nagrana z ruchem kamery wideo cząstek podświetlona przez laser. Obserwacje wykazały, że cząstki początkowo poruszają się chaotyczne, a następnie pojawia się ruch kierunkowy, który jest związany z dyfuzją osocza na ścianach ampułki.

Znaleziono inny interesujący fakt: Po kilku sekundach, po potrząsaniu ampułki, cząstki zaczęły trzymać się razem, tworząc aglomeraty. Zgodnie z działaniem światła słonecznego, aglomeraty rozkładały się. Aglomeracja może być związana z faktem, że początkowe chwile oświetlenia cząstek nabywają opłaty wielowymiarowe: pozytywne - ze względu na emisję fotoelektronów, negatywne przez przepływy elektronów plazmowych emitowanych z innych cząstek - i beztrosko naładowane cząstki razem ze sobą.

Analizując zachowanie cząstek, można oszacować ilość ich ładunku (około 1000 ładunków elektronów). W większości przypadków cząstki utworzyły tylko strukturę płynną, chociaż czasami wystąpiły kryształy.

Na początku 1998 r. Postanowiono przeprowadzić wspólny eksperyment rosyjsko-niemiecki "Crystal Plasma" na pokładzie rosyjskiego segmentu międzynarodowej stacji kosmicznej (PC MKC). Preparat i przygotowanie eksperymentu przeprowadzono przez naukowców Instytutu Fizyki Termicznej Ekstremalnych Stanów Rosyjskiej Akademii Nauk z udziałem Instytutu Fizyki Pozaziemskiej MAX Planck (Niemcy) i Rakieta Energy i Space Corporation.

Głównym elementem sprzętu jest komora plazmy próżniowej (choroba 5), \u200b\u200bskładająca się z dwóch stalowych płyt kwadratowych i szklanych wkładek kwadratowej. Na każdym z płyt, elektrody dyskowe są zamontowane w celu utworzenia wyładowania o wysokiej częstotliwości. Elektrody są wbudowane w wstrzyknięcie cząstek pyłu w osoczu. Wszystkie systemy optyczne, w tym dwie komórki cyfrowe i dwa lasery półprzewodnikowe, aby oświetlić chmurę cząstek, jest zainstalowany na płytce ruchomej, którą można przesuwać, skanując strukturę pyłu plazmowego.

Dwa zestawy wyposażenia opracowano i wyprodukowano: Technologiczne (także szkolenie) i lot. W lutym 2001 r. Po badaniu i szkoleniu przed lotem na Baikonur, zestaw lotniczy został dostarczony do modułu serwisowego rosyjskiego segmentu ISS.

Pierwszy eksperyment z cząstkami z formaldehydu melaminowego przeprowadzono w 2001 roku. Oczekiwania naukowców były uzasadnione: Po raz pierwszy powstanie trójwymiarowych uporządkowanych wysoce zmierzonych cząstek wielkości mikronów o dużym parametrze niewinności - znaleziono trójwymiarowych kryształów plazmowych z centralizowanymi wąwozami i kratami ze środkami objętościowymi.

Możliwość otrzymania i zbadania formacji w osoczu różnych konfiguracji i rozszerzeń wzrasta, jeśli używasz wyładowania indukcyjnego o wysokiej częstotliwości. W obszarze pomiędzy jednorodną plazmą a jego ograniczającą ścianą lub otaczającym gazem neutralnym, można oczekiwać, że lewitacja (zawieszenia) obu indywidualnych macale i ich zespołu. W cylindrycznych rurach szklanych, gdzie wyładowanie jest podekscytowany elektrodą pierścieniową, duża liczba cząstek powiesić na formacji plazmowej. W zależności od ciśnienia i mocy pojawiają się albo stabilne struktury krystaliczne lub struktura z cząstkami oscylacyjnymi lub przepływami cząstek konwekcyjnej. W przypadku stosowania płaskiej elektrody cząstki zawieszają nad dolną kolbą neonową i tworzą zamówioną strukturę - kryształ plazmowy. Do tej pory takie eksperymenty są prowadzone w laboratoriach na Ziemi i w warunkach lotu parabolicznego, ale w przyszłości planuje się ustanowić ten sprzęt do instalacji na ISS.

Unikalne właściwości kryształów plazmatycznych (prostota uzyskiwania, obserwacji i kontrolowania parametrów, a także małych czasów relaksacyjnych do równowagi i odpowiedzi na zewnętrzne zaburzenia) sprawiają, że jest doskonałym obiektem w badaniu zarówno właściwości silnie niedoskonałych osocza, jak i podstawowych właściwości i fundamentalnych właściwości kryształów. Wyniki mogą być stosowane do symulacji rzeczywistych kryształów atomowych lub molekularnych oraz studiowania procesów fizycznych z ich udziałem.

Struktury makrostrycznych w osoczu są dobrym narzędziem i do zastosowanych problemów związanych z mikroelektroniką, w szczególności z usunięciem niepożądanych cząstek pyłu w produkcji żetonów, z projektem i syntezą małego kryształu - nanokllastal, nanokluster, z Osadzanie plazmowe, z oddzieleniem wielkości cząstek, rozwijając nowe wysoce wydajne źródła światła, tworzenie elektrycznych baterii jądrowych i laserów, płynu roboczego, w którym są partiami substancji radioaktywnej.

Wreszcie, jest dość realistyczne, aby stworzyć technologie, które pozwolą na kontrolowane osadzanie cząstek ważone w osoczu do podłoża, a tym samym tworzyć powłoki ze specjalnymi właściwościami, w tym porowatym i kompozytowym, a także cząsteczkami z wielowarstwową powłoką Materiały o różnych właściwościach.

Ciekawe zadania pojawiają się w mikrobiologii, medycynie, ekologii. Lista możliwych stosowania plazmy pyłu jest stale rozszerzająca się.

Podpisy do ilustracji

Chory. 1. Funkcja korelacji G (R) pokazuje, jak prawdopodobne jest znalezienie innej cząstki w pewnej odległości od tego. W przypadku cząstek dyrektorów 2 w strumieniu powietrza w temperaturze pokojowej 300 K (A) i w osoczu w temperaturze 2170 K (b), funkcja wskazuje chaotyczną dystrybucję cząstek. W osoczu w temperaturze 1700 K (b), funkcja ma maksimum, czyli struktura powstaje podobna do cieczy.

Chory. 2. Instalacja do badania osocza pyłu w rozładowaniu wyładowania DC jest rurka zorientowana pionowo wypełniona neonem przy niskim ciśnieniu, w którym powstaje rozjarzający wyładowanie. W pewnych warunkach stoją stojące stagnety - stałe strefy nierównomiernej jasności. Cząstki pyłu zawarte są w pojemniku z dnem siatki nad obszarem wylotowym. Podczas potrząsania pojemnika cząstek cząstki spadają i zawieszają w stratach, tworząc zamówione struktury. Aby pył był widoczny, podświetlany jest płaską wiązką laserową. Rozproszone światło jest rejestrowane przez kamerę. Na ekranie monitora obraz wideo struktur pyłu plazmowego, otrzymanego przez oświetlenie cząstek pyłu z wiązką laserową w zielonym regionie widma.

Chory. 3. W rozświeźliwym wyładowaniu, powstaje zamawiana struktura pyłu (A), która odpowiada funkcji korelacji G (R) z kilkoma wyraźną charakterystyką maxima kryształu (b).

Chory. 4. Wydłużone cząstki pyłu (mającą formę cylindra) są zbudowane równolegle do jakiejś wspólnej osi. Warunek ten nazywa się ciekłym kryształem plazmowy przez analogię z cząsteczkowym ciekłym kryształami, gdzie występuje wybrany kierunek w orientacji długich cząsteczek.

Chory. 5. Próżniowa komora plazmy do badania plazmy pyłu na międzynarodowej stacji kosmicznej (ISS).

Chory. 6. Specjalna instalacja do badania kryształów osocza w wyładowaniu wysokiej częstotliwości niskiego ciśnienia została zaprojektowana w Instytucie Termofizyki Ekstremalnych Stanów Rosyjskiej Akademii Nauk. Struktura krystalicznie jest wyraźnie widoczna, gdy cząstki pyłu są oświetlone wiązkami laserowymi w obszarach zielonych i czerwonych widmów.

Chory. 7. Struktury cząstek pyłu w trzech poziomach warstw edukacji patentowej plazmatycznej: z łazienką objętościowo-centrinową z kratą (na górze), krata babci (w centrum) oraz z sześciokątnym gęstym opakowaniem (na dole).

1

Sacharow ta. (R.P.N N-Kryviy, MkoU Nizhnekislyayskaya Sosh. Polyakova)

1. Artsimovich La. "Elementary fizyka osocza".

2. http://www.nkj.ru/archive/articles/1318/ (nauka i życie, kryształy w osoczu pyłu).

3. Robert L. Merlino. Dochodzenia eksperymentalne Dusty Plasmas (angielski) (PDF). Departament Fizyki i Astronomii University of Iowa (17 czerwca 2005 r.). - Historyczny przegląd Dusty Plasma Research. Zaznaczone 18 lipca 2009 r. Archiwizowane z oryginalnego 2 kwietnia 2012 roku.

4. Fortov V.e., A.g. Sailored, S.a. SailoD, V.I. Molotkov, O.f. Petrov. Osocze pyłu (Rus.) // UFN. - 2004. - T. 174. - P. 495-544.

5. Tsytovich V.n. Kryształy pyłu plazmowego, krople i chmury (Rus.) // UFN. - 1997. - T. 167. - P. 57-99.

6. Dusty plazma // niskotemperaturowa encyklopedia osocza. - M.: Janus-K, 2006. - T. 1.

7. Fortov v.e. Kryształy pyłu plazmowego i ciecze na Ziemi oraz w kosmosie (Rus) // Biuletyn Rosyjskiej Akademii Nauk. - 2005. - T. 75, Nr 11. - P. 1012-1027.

8. Klammowski B.a. W przypadku kryteriów topnienia złożonego osocza (Rus.) // UFN. - 2010. - T. 180. - P. 1095-1108.

9. Wideo z YouTube "Studiowanie kryształów polowych w przestrzeni".

Plasma jest najczęstszym stanem substancji w charakterze: oszacowała, że \u200b\u200bw tym państwie jest około 95% zwykłej materii we wszechświecie. Gwiazdy to pęczki plazmowe, jonizowany gaz z temperaturami w dziesiątkach i setkach milionów stopni. Właściwości osocza stanowią podstawę nowoczesnych technologii, których zakres jest obszerny.

Zrobiłem tę pracę badawczą, ponieważ interesowałem się czwartym stanem substancji - osocza we współczesnym świecie. Zjawisko odkryte ostatnio w osoczu niskiej temperatury był zafascynowany - tworzenie "kryształu plazmowego", czyli struktury przestrzennej z drobnych cząstek - pyłu plazmowego.

cel, powód Moje badania: Uzyskanie osocza o niskiej temperaturze przez eksperyment, znajomy z kryształami pola plazmowego.

Zadania badawcze:

1. Rozwiń znajomość "plazmy".

2. Uzyskaj osocze o niskiej temperaturze w domu.

3. Dowiedz się zakresu osocza.

4. Przeanalizuj informacje otrzymane z różnych źródeł i danych eksperymentalnych.

Znaczenie tej pracy jest to, że niedawno fizyka w osoczu jest aktywnie rozwijającym się obszarem nauki, co do tego dnia wykonywane są niesamowite odkrycia, obserwuje się niezwykłe zjawiska, wymagające zrozumienia i wyjaśnienia. Odkrycie w tej dziedzinie poprawi jakość życia ludzkiego: organizowanie recyklingu odpadów; produkcja energii alternatywnej; produkcja mikroukoliiczna; wzrost siły metali; wynalazek nowych silników plazmowych; pokonać szkodliwe mikroby; Popraw jakość kolorowych obrazów w panelach plazmowych; Wyjaśnij ewolucję wszechświata itp.

Praca z źródłami informacji

Historia otwierania osocza

Czwarty stan materii został otwarty przez W. Crox (rys. 1) w 1879 r. I zwany "osocze" I. Langmur (Fig. 2) w 1928 r., Ze względu na stowarzyszenia z czwartym stanem substancji (osocza) z plazmą krwi .

Figa. 1. W. KROVONZ.

Figa. 2. I. Lengmür.

I. Langmür napisał: "Wykluczając przestrzeń w pobliżu elektrod, gdzie znajduje się niewielka ilość elektronów, zjonizowany gaz zawiera elektrony i jony w prawie takich samych ilościach, w wyniku którego System całkowita opłata jest bardzo mała. Używamy terminu "plazma", aby opisać ten całkowicie obszar neutralny elektrycznie składający się z jonów i elektronów. " .

Koncepcja plazmy

Plasma - częściowo lub całkowicie zjonizowany gaz utworzony z neutralnych atomów (lub cząsteczek) i naładowanych cząstek (jonów i elektronów). Najważniejszą cechą osocza jest jego neutralność quasi, co oznacza, że \u200b\u200bgęstości nośne pozytywnych i ujemnych cząstek naładowanych, z których jest tworzony, są prawie takie same.

Gaz przechodzi do stanu osocza, jeśli niektóre elementy jego atomów (cząsteczek) straciły jeden lub więcej elektronów z jakiegokolwiek powodu, tj. zamienił się w jony dodatnie. W niektórych przypadkach można powstać ujemne jony w osoczu w wyniku "przyklejania" elektronów do neutralnych atomów.

Jeśli w gazie pozostaną neutralne cząstki, osocze nazywane jest całkowicie zjonizowane. Układy gazowe w osoczu i pod wieloma względami zachowuje się jak gaz. Jednocześnie zachowanie w osoczu w niektórych przypadkach, zwłaszcza gdy na nim wystawiony na nią pola elektryczne i magnetyczne, okazuje się tak niezwykłe, że często mówi o nowym czwartym stanie substancji (rys. 3).

Figa. 3. Czwarty stan materii

Co to jest plazma kurzu?

Pył osocza jest zjonizowanym pyłem zawierającym gaz - cząstki ciała stałego. Takie osocze często występują w przestrzeni: w planety pierścieni, ogony komet, międzyplanetarnych i międzygwiezdnych chmur (rys. 4). Znajduje się w pobliżu sztucznych satelitów Ziemi i w obszarze przycinanym roślin termonuklearnych z retencją magnetyczną, a także w reaktorach w osoczu, łukach, zrzutach.

Figa. 4. Kometa ogona plazmowego

W warunkach laboratoryjnych Amerykański Irving Langmür Irving Langmür otrzymał plazmę pyłu po raz pierwszy w XIX wieku w XX wieku. Jednak aktywnie studiował go tylko w ostatniej dekadzie. Zwiększone zainteresowanie właściwościami osocza pyłu powstały z rozwojem technologii rozpylania osocza (rys. 5) i trawienie w mikroelektronice (fig. 6), a także wytwarzanie cienkich folii (rys. 7) i nanocząstek (FIG. 8).

Figa. 5. Opryskiwanie plazmy.

Rys.6. Trawiący Platinum w wodorze

Figa. 7. Cienka folia półprzewodnikowa

Rys.8. Nanocząstki

Kryształ plazmowy

Wymiary cząstek pyłu są stosunkowo duże - od udziałów mikronów do kilku dziesiątek, czasami setki mikronów (rys. 9). Ich ładunek może mieć niezwykle dużą ilość i przekroczyć ładunek elektronów w setkach, a nawet setkach tysięcy razy. W rezultacie średnia energia kulombowa interakcji cząstek, proporcjonalna do kwadratu ładunku, może być znacznie wspaniała w środkowej energii cieplnej (rys. 10). Okazuje się osocza, która nazywana jest bardzo niedoskonała, ponieważ jego zachowanie nie podlega prawomodawstwie gazu. (Przypomnijmy, że osocze można uznać za doskonały gaz, jeśli energia interakcji cząstek jest znacznie mniejsza niż ich energia termiczna).

Figa. 9. Kryształ plazmowy

Figa. 10. Probre Coulomb

Teoretyczne obliczenia równowagi właściwości pyłu osocza pokazują, że w pewnych warunkach silna interakcja elektrostatyczna "przyjmuje górę" powyżej niskiej energii cieplnej i powoduje, że naładowane cząstki łączą się w przestrzeni w określony sposób. Utworzona jest struktura usprawniona, która otrzymała nazwę Kryształu Coulomb lub Plasmy. Kryształy plazmowe są podobne do struktur przestrzennych w cieczy lub stałej (rys. 11). Tutaj mogą wystąpić przejścia fazowe, takie jak topnienie i odparowanie.

Figa. 11. Kryształ plazmowy

Jeśli cząsteczki pyłu w osoczu są wystarczająco duże, kryształ plazmowy można zaobserwować gołym okiem.

Uzyskiwanie osocza o niskiej temperaturze w domu

Po niektórych badaniach, właściwościach i właściwościach osocza byłem w stanie zdobyć doświadczenie w domu w osoczu niskiej temperatury (wideo "uzyskanie plazmy"). Aby to zrobić, potrzebuję następującego sprzętu: kuchenka mikrofalowa, wody odporne na wiatr, szklany słoik.

Figa. 12. Etap przygotowawczy

Doświadczenie:

1. Od samego początku wyjąłem szklane naczynie z kuchenki mikrofalowej, na której produkty są obracane po podgrzaniu. Przygotował mecz (rys. 12).

2. Następnie, w centrum mikrofalowym, umieściłem mecz i oświetliłem ją.

3. Następnie zakryłem dopasowanie ze szklanym słoikiem, a następnie zamknął kuchenkę mikrofalową, włączył ją, ustawiając funkcję ogrzewania produktu (rys. 13).

4. Po pewnym czasie można go postrzegać jako osocze utworzone w szklanym słoju z płonącym meczem (rys. 14).

Figa. 13. Dopasuj pod szklanym słoikiem w kuchence mikrofalowej

Figa. 14. Niski temperatura plazma

Dzięki temu prostym doświadczeniu widać, w jaki sposób gaz jest zjonizowany w ramach działania temperatury, a tym samym uzyskując częściowo zjonizowane osocze. Jeśli udało mi się więc uzyskać osocze o niskiej temperaturze, można go uzyskać w przedsiębiorstwach, podczas gdy koszt uzyskania jest minimalny.

Wnioski

Udało mi się uzyskać osocze o niskiej temperaturze w domu. Rozszerzyłem swoją wiedzę na ten temat, dowiedziałem się wielu nowych i interesujących. Byłem bardzo zainteresowany ten temat i jestem pewien, że kiedy wybierzeję zawód, ta praca badawcza zostawi twój znak.

"Chaotyczne" osocze jest piątym stanem substancji. Krystaliczny osocze jest stanem "zorganizowanego" osocza, gdzie nie jest konieczne przechowywanie pola magnetycznego. Właściwości osocza stanowią podstawę nowoczesnych technologii, których zakres jest obszerny.

Wierzę, że plazma jest symbolem przyszłości, najważniejszej branży, bez której dalszy rozwój cywilizacji jest nie do pomyślenia. Plasma, moim zdaniem alternatywnym źródłem energii i lekarza ekologii.

Odniesienie bibliograficzne

SKOBLIKOV A.A. Uzyskiwanie niskotemperaturowej plazmy, znajomość z kryształami pola plazmowego // początek w nauce. - 2016. - № 2. - P. 133-136;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id\u003d51 (data obsługi: 03/28/2019).

Legendarny eksperyment, który rozpoczął się na radzieckiej stacji orbitalnej "Pokój", kontynuował na ISS z nowym sprzętem. Unikalne urządzenie, które ostatnio zostało wykonane na pokładzie stacji kosmicznej, jest urządzeniem dodatkowego regulatora przepływu gazu. Daje możliwość uzyskania dokładniejszych wyników podczas eksperymentu na badaniu osocza i zwiększy jego czystość. Dane o tym, co jest zakurzone plazma otrzyma wcześniej nieznane informacje o wszechświecie, tworzą kompaktowe baterie energetyczne i lasery, rozwijać nową technologię rosnącej diamentów i służą jako podstawa do rozwoju leku w osoczu.

Każda substancja może być w stadach czterech fazowych - stałej, cieczy, gazu i osoczu. Plazma jest ponad 99% widocznej masy wszechświata, począwszy od gwiazd i kończących gazem międzygwiezdnym. Cząsteczki pyłu zawierającego osocza są bardzo powszechne w przestrzeni - są to pierścienie planetarne, ogony komet, chmury międzygwiezdne.

Badanie osocza z mikrocząstkami o wielkości kilku mikronów (cząstek pyłu) i monitorowanie jego zachowania w warunkach mikrograwitacji, w którym występuje niemal całkowita kompensacja masy mikrocząstek, istnieje już więcej niż dwie dekady. W styczniu 1998 r. Przeprowadzono kosmonautę Anatoliy Soloviev i Pavel Vinogradowa w instalacji "Plasma Crystal-1" (PC-1), pierwszym eksperymentem do badania fizyki struktur pyłu plazmowego, w tym kryształów i cieczy w osoczu i cieczy . W sierpniu tego samego roku badania na sprzęcie PC-2, składające się z rury wylotowej i urządzenia do nagrywania wideo, zaczął prowadzić badania na sprzęcie PC-2. W marcu 2001 r. Siergiej Krikalev i Yuri Gyzenko przeprowadził pierwszą sesję eksperymentu na ISS w instalacji PC-3, stworzonego wspólnie przez rosyjskich i niemieckich specjalistów. Pierwsze eksperymenty w nowej instalacji "Plasma Crystal-4", stworzone wspólnie przez naukowców ze wspólnego Instytutu Wysokiego Temperatury (RAS i Niemieckiej Agencji Space (DLR), rozpoczęto w czerwcu 2015 roku. W procesie badań ujawniono potrzebę poprawy tej instalacji. W lipcu tego roku dostarczono dodatkowe sprzęt do ISS poprawić jakość eksperymentu "Crystal Plasma Crystal-4".

Celem naukowców jest uzyskanie i zbadanie kryształów pyłu plazmowego i innych uporządkowanych struktur w osoczu. W szczególności pozwala nam zbadać prawa procesów występujących w protrozach, pierścieniach protopetnary i innych ciał niebieskich. W trakcie eksperymentów, cząstki mikroskopowe określonej wielkości (średnica kilku mikrometrów) wprowadza się do neona lub osocza argonu w probówce gazowo-wylotowej. Gdy mikrocząstki spadają do osocza, zbierają elektrony i jony dodatnie, powodując negatywny ładunek z powodu większej mobilności elektronów. Mikrocząstki są odpychane od siebie i tworzą różne struktury trójwymiarowe. Takie badania nie mogą być wykonywane na Ziemi, ponieważ cząsteczki pyłu podlegają grawitacji i mogą tworzyć konstrukcje dwuwymiarowe lub mocno zdeformowane (skompresowane) trójwymiarowy.

Pomimo faktu, że dla dwudziestej historii badania pyłu plazmą otrzymał wiele nowych interesujących danych, nadal nie udało się stworzyć kompletnego modelu matematycznego zachowania cząstek samoorganizujących. Nowy sprzęt opracowany przez naukowców z AII RAS i DLR pozwoli czystym eksperymentom poprzez zmniejszenie przepływu gazu, co stanowi osocze do dziesiątek razy. Teraz możesz rozszerzyć zakres ciśnienia gazu i otrzymać nową wiedzę na temat procesów w osoczu pyłu.

Gdy mikrocząstki znajdują się w osoczu, mają wiele sił. Jeden z głównych elektrycznych, wpływających na cząstkę w polu wyładowcze. Druga jest moc hobby jonowego. Trzecim jest tarcie gazu: Jeśli ciało wchodzi do atmosfery, traci prędkość dokładnie z tego powodu, "powiedział starszy badacz, starszy badacz, OVT RAN, Andrei Lipaev. - W związku z tym, kiedy organizujemy tryb protokołu, występuje rodzaj wiatru, który prowadzi cząstki. Urządzenie, które zostało użyte początkowo do nakładania się przepływu podczas pracy w złożonych warunkach eksperymentu kosmicznego zaczął dać znaczny wyciek gazu, a cząstki po prostu przeprowadziły przepływ.

Aby rozwiązać ten problem, specjaliści SBR RAS i DLR opracowali dodatkowe urządzenie, które umożliwiają w pełni kontrolę przepływu gazu za pomocą zewnętrznego regulatora ciśnienia i dwóch dodatkowych zaworów. Można więc osiągnąć stabilną pozycję cząstek. W rezultacie naukowcy mają możliwość w pełni kontrolowania warunków eksperymentalnych.

Możemy powiedzieć, że do tej pory po prostu nie mogliśmy uzyskać niezbędnej kontroli nad przepływem gazu, a zatem, wysokiej jakości wyników. Wcześniej praca z cząstkami mniej niż 3 mikronów była po prostu niemożliwa. Tymczasem cząstki około 1 mikrona są interesujące z punktu widzenia studiowania takich procesów, takich jak tworzenie struktur, powiedział Andrei Lipaev.

Nowy sprzęt został już zainstalowany na ISS, z boku zdjęcie jest przesyłane do centrum zarządzania lotem. Pracownicy ASTF RAS otrzymują telemetrię i wideo z eksperymentem, działają również kanały dźwiękowe komunikacji z zarządem ISS, możesz usłyszeć, w jaki sposób odbywają się negocjacje. Nowy wielorodzinny eksperyment przy użyciu dodatkowego sprzętu do badania cząstek pyłu w osoczu został niedawno zakończony i uzasadnione oczekiwania. Teraz naukowcy przeprowadzią szczegółową analizę swoich wyników.

Według Izvestii dyrektor OVT RAS, Oleg Petrov, uzyskany podczas eksperymentu, dane pomogą zrozumieć istotę procesów samoorganizacji.

System badaniem jest otwarty system rozpraszający: istnieje stały napływ energii i jego stały odpływ. Takie systemy są charakterystyczne dla wszystkich żywych organizmów. Co dzieje się z tym systemem, jakiego rodzaju zjawiska samoorganizującego w nim? Wszystko to może być zbadane "- powiedział Oleg Petrov.

Dane dotyczące tego, co jest zakurzonym plazmą może przynieść większe praktyczne korzyści: pozwolą w szczególności stworzyć nowe kompaktowe baterie energetyczne i lasery i rozwijać technologię rosnącą diamentową w warunkach mikrograwitacji. Również dane z ISS jest ważne dla rozwoju leku w osoczu, którego istotą jest to, że osocze o niskiej temperaturze może inicjować, stymulować i monitorować złożone procesy biochemiczne w systemach żywych.

Eksperyment PK-4 prowadzony jest przy wsparciu Roskosmos i Europejskiej Agencji Kosmicznej.

W listopadzie ogłoszono zaprzestanie na eksperymencie ISS "kryształ plazmowy". Specjalny sprzęt do eksperymentu został umieszczony w statku towarowym "Albert Einstein" i spalił z nim nad Oceanem Spokojnym. Więc długa historia się skończyła, prawdopodobnie najbardziej znany eksperyment kosmiczny. Chcę o nim opowiedzieć i trochę o naukę na ISS jako całości.

A gdzie są odkrycia?

Przede wszystkim musisz zrobić nieco zdegradowany wpis. Nowoczesna nauka nie jest grą komputerową, w której zasadniczo nie ma bezużytecznych badań, a każde odkrycie daje zauważalny bonus. I, niestety, czasy minęły, gdy pojedynczy pojedynczy geniusz mógł znaleźć wiele urządzeń radykalnie zmieniających życie. Teraz nauka jest ruchem metodycznym ślepo na wszystkich dostępnych ścieżkach, które są prowadzone przez duże organizacje, trwa przez lata i może prowadzić do zerowych wyników. Dlatego informacje o badaniach dotyczących ISS, który jest regularnie publikowany, bez dostosowywania do widoku naukowego i popularnego, aby być uczciwym, bardzo nudnym. Jednocześnie niektóre z tych eksperymentów są naprawdę interesujące, a jeśli nie obiecują natychmiastowych fantastycznych rezultatów, dają nadzieję na poprawę zrozumienia, jak zorganizowany jest świat i gdzie poruszamy się na nowe podstawowe i stosowane odkrycia.

Idea eksperymentu

Wiadomo, że substancja może być w czterech fazach - stałej, cieczy, gazowej i plazmie. Osłona plazma wynosi 99,9% masy wszechświata, od gwiazd i kończąca się gazem międzygwiezdnym. Na krainie osocza jest błyskawiczne, północne światła i, na przykład lampy wyładowcze. Cząsteczki z pyłu zawierającego osocza są również bardzo powszechne - są to pierścienie planetarne, komiczne ogony, chmury międzygwiezdne. A idea eksperymentu polegała na sztucznej stworzeniu osocza z mikrocząstkami pyłu i obserwacją jego zachowania w warunkach ziemskiej grawitacji i mikrograwitacji.

W pierwszej wersji eksperymentu (na zdjęciu) ampułka z osocze pyłu została podkreślona przez promienie słońca, kurz w osoczu podkreślał laser, a podświetlony obszar został sfilmowany na aparacie. W przyszłości zastosowano bardziej złożone instalacje eksperymentalne. "Czarna lufa" spalona razem z Albert Einstein była instalacja trzeciej generacji.

Wyniki

Eksperymenty w mikrogrografiach uzasadniały nadzieje na naukowców - pył osocza w swojej strukturze stał się krystaliczny lub wykazywał właściwości płynów. W przeciwieństwie do idealnego gazu, w którym cząsteczki poruszają się chaotyczne (patrz ruch ciepła), zakurzone osocze, jest gazem, pokazuje właściwości ciała stałego i ciekłego - procesy topnienia i odparowania są możliwe.
W tym samym czasie były nieoczekiwane odkrycia. Na przykład, wnęka może wystąpić w krysztale. Dlaczego - wciąż jest nieznany.


Ale najbardziej nieoczekiwane odkrycie było to, że pył osocza powstał w pewnych warunkach struktur spiralnych, podobnych do DNA! Być może nawet pochodzenie życia na ziemi jest w jakiś sposób z powodu osocza pyłu.

Perspektywy

Wyniki badań wieloletnich na temat eksperymentu "kryształ plazma" pokazują podstawową okazję:

• Tworzące w osoczu pyłu nanomateriałów z unikalnymi właściwościami.


• Odkładanie materiałów z osocza pyłu na podłożu i uzyskanie nowych rodzajów powłok - wielowarstwowy, porowaty, kompozytowy.


• Oczyszczanie powietrza z emisji przemysłowych i promieniowania i żetonów trawienia plazmowego.


• Sterylizacja plazmy nie żywych przedmiotów i otwarte rany na żywych istotach.


Niestety, wszystkie te piękno będą dostępne nie wcześniej niż dziesięć lat. Ponieważ zgodnie z wynikami pracy trzeba budować eksperymentalne zastosowane instalacje, prototypy, badania testowe lub kliniczne, organizują masową produkcję.

Opisuje przeprowadzone w latach 2001-2014. Z udziałem naukowców rosyjskich i niemieckich i astronautów, badania kryształów plazmatycznych na międzynarodowej stacji kosmicznej. Podczas eksperymentów stwierdzono szereg nowych efektów i zjawisk nie obserwowanych w warunkach ziemskiej grawitacji i rozszerzono nasze pomysły na temat struktury i dynamiki materii.
Dla specjalistów w fizyce osocza pyłu, a także wszystkich, którzy są zainteresowani kwestiami produkującym eksperyment, organizację i praktykę badań kosmicznych.

Punkt wyjścia.
Badania naukowe w kosmosie - przedsiębiorstwo jest wieloetapowym. Z planu do pełnej wcielenia projekt może trwać dłużej niż dwadzieścia lat. Oznacza to, że naukowcy muszą być wystarczająco młode lub że mogą one musieli przekazać swoją wiedzę i umiejętności i przedstawić swoje obowiązki na temat eksperymentu młodszych kolegów.

Badania kosmiczne są różne - mogą występować badania z przestrzeni (na przykład zdalnego wykrywania ziemi lub astronomii), badanie samego kosmosu (na przykład badania przestrzeni zbliżonej ziemi, przestrzeni, badania interplanu Środowisko, a także indywidualne planety, księżyc, asteroidy i komety) badania przy użyciu określonych cech powierzchni (powiedzmy, nieważkość, bardziej precyzyjnie mówiąc, mikroprawność i ogromne odległości). Niektóre badania są wygodniejsze w produkcji bezzałogowego statku kosmicznego przy użyciu karabinów maszynowych i robotyki, a inne wymagają eksperymentów wytwarzanych przez ludzi, takich jak te są produkowane w ziemskich laboratoriach naukowych.

ZAWARTOŚĆ
Od autorów
1. punkt odniesienia
2. "kryształ plazmowy"
3. Potrzebny jest eksperyment kosmiczny.
4. Krystalizacja współpracy rosyjsko-niemieckiej
5. Niemcy: Eksperyment w locie parabolicznym
6. Niemcy: Eksperyment rakietowy
7. Rosja: Pierwszy eksperyment "kryształ plazmowy" w przestrzeni
8. Jak urodził się międzynarodowa stacja kosmiczna
9. Plan rosyjsko-niemiecki
10. Pożegnanie z "światem"
11. Tworzenie instalacji eksperymentalnej
12. Splash "Baikonur"
13. Eksperyment "PC-3"
14. Cosmonaut Center
15. Korolev - City City
16. Eksperyment "PC-3 +"
17. "kryształ plazmowy" w konstelacji astronautów
18. Nasze spotkania na ziemi
19. Wyniki badań
20. Przyszłość jest już blisko
21. Ostateczne słowo
Bibliografia.

Bezpłatne pobieranie e-book w wygodnym formacie, zobacz i czytaj:
Pobierz książki kryształ plazmowy, eksperymenty kosmiczne, Fordov V.e., Baturin Yu.m., Morphive G.O., Petrov O.f., 2015 - filesKachat.com, szybkie i bezpłatne pobieranie.

• Grawitacja, od kryształowych kulek do Mole ani, Petrov A.N., 2013
• Wsparcie wykładów w tempie technologii laserowych, wprowadzenie do technologii laserowych, Veiko V.P., Petrov A.a., 2009