WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

а) б) Рис. 3. Корреляционные функции, построенные для структуры и для отдельного домена. а) g(r), построенная для структуры на Рис. 2а. Точки – эксперимент, сплошная линия – аппроксимация. Вертикальные штрихи – g(r) идеальной гексагональной решетки. Величина = 0.32 мм. б) g6(r) для структуры (+) и для домена ().

Сплошные линии 1,2 – степенная аппроксимация, штриховая линия 3 – экспоненциальная. в) g(r) для домена, аппроксимация со степенной огибающей.

в) Нам удалось подобрать оптимальные условия (указаны в подписи к Рис. 2), которые обеспечивали более плоскую и широкую форму электрической потенциальной ловушки.

Созданный плазменный кристалл из частиц LiNbO3 показан на Рис. 2а.

Представленное горизонтальное сечение трехмерной структуры, содержит более 300 частиц, вся структура более 6000. Следуя двумерной теории плавления KTHNY [2], состояние структуры можно считать жидкостным. Согласно [3], состояние структуры характеризуется как жидкость-лед. Для наглядного представления об упорядоченности в данной работе предлагается рассматривать карту локального ориентационного параметра g6(0), рассчитанного для локальных подобластей структуры. С помощью карты Рис. 2б был обнаружен участок с большим порядком, чем вся структура в целом. Корреляционные функции для домена приведены на Рис. 3б (кривая 1) и Рис. 3в. Состояние домена согласно KTHNY является кристаллоподобным. Согласно феноменологической классификации [3], домен также является кристаллоподобным.

Таким образом, плазменные кристаллы, создаваемые в тлеющем разряде представляют собой неоднородные по упорядоченности образования, содержащие высокоупорядоченные домены.

В пункте 2.3 описан эксперимент по изменению фазового состояния структуры путем многократной вариации разрядного тока. Сразу после образования структуры центральная часть её горизонтального сечения представляла собой квадратную упорядоченную решетку.

Далее производилось плавное изменение разрядного тока от 1 до 3 мА и обратно повторно 10 раз в течение 40 минут. Как следует из Рис. 4, можно сделать вывод о неустойчивости квадратной решетки к воздействию многократной вариации разрядного тока. Структура организуется в более плотную гексагональную упаковку. Плотности частиц в квадратной и гексагональной структурах составляют 23.8 и 43.2 частиц на мм2. Механизм возникновения неустойчивой квадратной упаковки, по-видимому, связан с начальными условиями формирования структуры.

а) б) Рис. 4. Парная корреляционная функция g(r) пылевой структуры, до и после воздействия многократной вариацией разрядного тока. Условия: Р = 1.3 Торр, I = 0.9 мА, газ - смесь неона и водорода в пропорции 3:1. Приведенные для сравнения дельта-функции соответствуют идеальным 2D кристаллам с квадратной (а) и гексагональной (б) ячейками.

Врезки демонстрируют центральные фрагменты горизонтальных сечений. Состояния отличаются межчастичным расстоянием а) 0.41 мм б) 0.33 мм.

В пункте 2.4 описан эксперимент по изменению фазового состояния структуры с помощью изменения формы её границ. Пылевая структура в радиальном направлении удерживается электрическим полем в азимутально симметричной ловушке. Тепловое поле в трубке также имеет азимутальную симметрию. Таким образом, электрическое и тепловое поле страты задают круглую форму границы пылевого образования. Мы предположили, что на расположение частиц внутри структуры может оказывать влияние форма её границы. Для изменения формы границы в наших условиях можно изменить конфигурацию теплового поля в области, где находится структура. С помощью небольших холодильников – диаметром 2 см и высотой 6 см, находящихся при 0 °С, располагаемых на уровне страты со структурой, изменялась форма внешней границы структуры. Эти манипуляции с пылевой структурой изменяют расположение частиц, что позволяет создавать структуры, лишенные обычно присутствующих краевых эффектов, нарушающих ориентационный порядок, и менять тип кристаллической решетки (Рис. 5).

а) б) в) Рис. 5. Управление расположением частиц посредством изменения формы границы структуры. С помощью термофоретического воздействия созданы элементы линейных границ с углами 60° - (а), 180° - (б) и 135° - (в). На рисунках (а) и (б) гексагональный тип кристаллической решетки, на рисунке (в) наблюдается “квадратный” (в 2D случае) тип.

Условия соответствуют Рис. 2а.

В Главе 3 магнитное поле рассмотрено как параметр, влияющий на фазовое состояние пылевых структур. Наложение на тлеющий разряд продольного магнитного поля приводит к уменьшению радиальной диффузии плазменных частиц, изменению распределения энерговыделения, а также к вращательному движению, как выяснено в работах [8, 9], возникающему из-за изменения направления потоков плазменных частиц, взаимодействующих с пылевой структурой. Наблюдаемое вращение может иметь градиент угловой скорости по высоте структуры, приводящий к разрыву вертикальных цепочек, в этом случае возникает дополнительный механизм разупорядочивания структуры. Все перечисленные причины могут вызывать фазовый переход типа плавления в плазменнопылевой структуре. Исследования зависимости фазового состояния структур от магнитного поля, как следует из литературы, ранее не проводились.

Мы исследовали фазовое состояние плазменно-пылевой структуры в горизонтальных сечениях в зависимости от величины продольного магнитного поля. В экспериментальную установку были добавлены соленоиды, создающие соосное разряду постоянное магнитное поле. Эксперименты проводились при следующих условиях. Частицы - LiNbO3, рабочий газ Ne при давлении 0.7 Торр, разрядный ток 2.5 мА, диаметр разрядной трубки 2.5 см. Диапазон магнитных полей от 0 до 400 Гс. При 400 Гс форма потенциальной ловушки в страте изменялась настолько, что частицы переставали в ней удерживаться. Рассчитав g(r) и g6(r) для структур в магнитном поле различной индукции можно показать, что согласно теории KTHNY, что состояние плазменно-пылевой структуры является жидкоподобным при всех магнитных полях в диапазоне от 0 до 400 Гс. С увеличением магнитного поля состояние структуры становится более изотропным. С позиции феноменологического подхода [3] следует, что в больших магнитных полях структура находится в беспорядочном состоянии, в малых – близкое к границе фаз жидкость-лед и колебательной (Рис. 6). Таким образом, с увеличением магнитного поля от 0 до 400 Гс в условиях [8] в структуре наблюдается фазовый переход типа плавления.

Рис. 6. Локальная ориентационная функция g6(0) - а) и трансляционный параметр / - б) в зависимости от наложенного магнитного поля. На Рис. а) квадратами показана зависимость для нижнего сечения, треугольниками – для верхнего. Погрешности обусловлены разбросом в разных сечениях. Во всем диапазоне изменения магнитного поля наблюдается постепенное уменьшение трансляционного порядка:

функция / равномерно возрастает от 0.4 до 0.8.

Штриховой линией показано поле остановки структуры.

В главе 4 описано оптическое сканирование пылевых структур в тлеющем разряде.

Пылевые структуры в условиях тлеющего разряда образуются иначе, чем в высокочастотном. Как правило, частицы формируют вертикальные цепочки вдоль тока разряда, пылевые образования всегда трехмерны (для исследования их свойств не достаточно рассмотрения только одного горизонтального слоя). Систематические исследования структур, формирующихся в тлеющем разряде, с применением трехмерной диагностики до сих пор не производились, эта задача является целью работы, описанной в этой главе.

Пространственная диагностика структур заключается в корректном распознавании координат отдельных частиц. В работах [10, 11] был предложен метод сканирования путем последовательного подсвечивания лазерным ножом горизонтальных сечений структуры.

Одним из методов определения трехмерных координат частиц структуры является объемная съемка структур одновременно на несколько синхронизованных камер. Подход позволяет работать с подвижными частицами. В работе [12] авторы провели томографическую съемку структур. Съемка производилась тремя синхронизованными камерами. Авторы опробовали методику на объектах, состоящих из 50-100 частиц.

В работе [13] для съемки структур была применена схема бинокулярного зрения – две синхронизованные камеры, расположенные под небольшим углом в горизонтальной плоскости, перпендикулярной оси разряда. Применяемые алгоритмы позволили авторам проследить до 90% траекторий в структурах состоящих из 300-500 частиц.

Из последних двух работ следует, что в перспективе томография может быть применена для трехмерной диагностики структур. Однако, на настоящий момент эта методика не достаточно развита, в том числе для съемки структур с большим числом частиц.

В настоящей работе было решено использовать технику оптического сканирования [10, 11], усовершенствованную в отношении скорости.

В пункте 4.2 описан эксперимент по оптическому сканированию пылевой структуры в страте. Структуры были трехмерными, содержали несколько тысяч частиц, имели 15-межчастичных расстояний в горизонтальном сечении и 20-30 горизонтальных слоев. Для изменения свойств осуществлялась вариация условий разряда: рабочим газом был неон и его смесь с водородом в пропорции 2:1 и 3:1, давление P = 0.7 – 1.3 торр, ток I = 0.5 – 2.0 mA, диаметр разрядной трубки 3.2 см. В качестве пылевой компоненты использовался порошок ниобата лития. Дополнительно проведенный эксперимент показал, что частицы, зависающие в страте, имеют размеры 1 ± 0.2 мкм.

Пример исследуемой плазменно-пылевой структуры представлен на Рис. 7а (центральное вертикальное сечение структуры). Схема сканирования представлена на Рис.

7б. В плоскости XY горизонтальным лазерным ножом выделялось сечение, толщина которого не превышала среднее расстояние между соседними частицами в вертикальном направлении. Толщина лазерного ножа составляла 200 мкм, ширина – 1 см (подсвечивалось все сечение). Плоскость подсветки перемещалась в направлении OZ с постоянной скоростью. Применяемый длиннофокусный объектив обеспечивал глубину фокусировки, достаточную для наблюдения всей структуры. Видеозапись осуществлялась скоростной видеокамерой, скорость съемки могла выбираться из диапазона 30 – 300 кадров в секунду.

Скорость съемки и скорость сканирования подбирались так, чтобы при сканировании расстояния между двумя соседними частицами было снято не менее 10 видеокадров.

Сканирование производилось в направлении снизу вверх. Для определения координаты z, определялась интенсивность каждого из пятен в кадре, динамика этой интенсивности по направлению oz проиллюстрирована на Рис. 7в. Каждый локальный максимум на кривой указывает на частицу и её положение.

Для созданных в экспериментах пылевых структур были определены координаты частиц, анализ массива которых производился на основе построения трехмерных трансляционных парных корреляционных функций g(r), рассчитываемых аналогично двумерному случаю. Распознавание координат частиц в структуре и все вычисления производились с помощью разработанного автором программного обеспечения.

а) б) в) Рис. 7. а) Вид сбоку центрального вертикального сечения пылевой структуры.

Вертикальный размер изображения 8 мм, толщина плоскости подсветки 0.4 мм. Условия:

частицы LiNbO3 размером 1 мкм, газ – смесь неона с водородом в отношении 3:1 при давлении Р = 1 Торр, I = 2 мА. б) Схематическое изображение установки и метода сканирования. 1 – пылевая структура; 2 – подсвеченное сечение пылевой структуры; 3 – лазерный нож; 4 – система сканирования; 5 – видеокамера с длиннофокусным объективом; – интерференционный фильтр. в) Пример распознавания положений частиц в цепочке вдоль направления сканирования OZ. Ломаная линия - соответствует относительной яркости образов частиц, гладкая - аппроксимация. По горизонтальной оси отложена координата z, по вертикальной - интенсивность в произвольных единицах.

На Рис. 8. показан пример функции g(r), построенной по полученным координатам частиц в одной из типичных структур. Она имеет ряд максимумов (A-F). Первые два максимума (A,B) связаны с анизотропией структуры (пики A и B соответствуют вертикальному и горизонтальному межчастичным расстояниям).

Для определения типа упаковки в структуре использовалось сравнение с модельной упаковкой по функциям g(r). Для создания модельной упаковки необходимо учесть основные параметры структуры, такие как: среднее межчастичное расстояние, наличие анизотропии и других основных особенностей структуры. Значения межчастичных расстояний должны быть получены из массива координат частиц до построения модельной структуры. Возмущая положения частиц в модельной решетке, можно получить график g*(r) для сравнения с g(r) полученной из эксперимента. Сравнение полученной из эксперимента функции g(r) и Рис. 8. а) Пример корреляционной функции пылевой структуры. Пики A и B соответствуют продольному (oz) и поперечному (горизонтальному) межчастичным расстояниям, что демонстрирует анизотропию в расположении частиц, пики C-F показывают “дальний” порядок трехмерной структуры. Условия структуры: газ Ne, давление P = 0.Tорр, ток I = 1 мА, частицы LiNiOдиаметром 1 мкм.

а) рассчитанной для модельных решеток с разными типами упаковок g*(r) позволяет поставить в соответствие структуре тип её упаковки. Описанным способом были проведено сравнение корреляционных функций нескольких десятков структур, созданных при различных условиях разряда. В некоторых случаях пылевой структуре как целому оказалось возможным сопоставить один конкретный тип расположения частиц – гранецентрированную решетку, Рис. 9. В большинстве случаев нельзя было выявить единый для всей структуры тип упаковки. Корреляционные функции, построенные для различных областей структур, соответствовали разным модельным типам расположения частиц: простому гексагональному Рис. 9. Сравнение g(r) высокоупорядоченной структуры с функцией g*(r) модельной ромбической (модифицированной гранецентрированной fcc) решеткой, координаты которой возмущены случайной величиной, распределенной по нормальному закону со средним отклонением в 3 % от величины межчастичного расстояния.

Структура получена при условиях: газ Ne, давление Р = 0,85 Торр, ток I = 1 мА, частицы LiNbO3 1 мкм.

Рис. 10. Сравнение g(r) для фрагмента структуры с g*(r) модельной решетки, координаты которой возмущены случайной величиной 3%. Точки и сплошная линия - g(r), темная заливка – возмущенные дельта функции тетрагональной (модифицированной кубической) решетки - g*(r). Условия создания структуры: газ неон с водородом в пропорции 2:1, давление Р = 1.2 Торр, I = 0.mA, частицы LiNbO3 1 мкм.

и тетрагональному (“анизотропному кубическому”). Рис. 10. показывает сравнение g(r) для фрагмента структуры с g*(r) тетрагональной решетки.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»