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

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

Наука и жизнь // Иллюстрации

Наука и жизнь // Иллюстрации

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

ЧТО ТАКОЕ ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА?

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

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

ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ

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

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

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

УПОРЯДОЧЕННЫЕ СТРУКТУРЫ В ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЕ...

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

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

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

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

... И ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ

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

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

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

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

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

ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА В КОСМОСЕ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Подписи к иллюстрациям

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

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

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

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

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

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

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

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

А где открытия?

Прежде всего, необходимо сделать несколько демотивирующее вступление. Современная наука - это не компьютерная игра, где, в принципе, нет бесполезных исследований, и каждое открытие дает заметный бонус. И, увы, прошли времена, когда гений-одиночка типа Эдисона мог один наизобретать много кардинально меняющих жизнь устройств. Сейчас наука - это методичное движение вслепую по всем доступным путям, которое осуществляется большими организациями, длится годами и может привести к нулевым результатам. Поэтому информация об исследованиях на МКС, которая публикуется регулярно , без адаптации в научно-популярный вид выглядит, если честно, весьма скучно. В то же время, некоторые из этих экспериментов являются действительно интересными, и, если и не обещают нам мгновенных сказочных результатов, то дают надежду на улучшение понимания того, как устроен мир, и куда нам двигаться за новыми фундаментальными и прикладными открытиями.

Идея эксперимента

Известно, что вещество может пребывать в четырёх фазовых состояниях - твердом, жидком, газообразном и плазменном. Плазма - это 99,9% массы Вселенной, начиная от звезд и заканчивая межзвездным газом. На Земле плазма - это молнии, северное сияние и, например, газоразрядные лампы. Плазма, содержащая частицы пыли также весьма распространена - это планетарные кольца, кометные хвосты, межзвездные облака. И идея эксперимента состояла в искусственном создании плазмы с микрочастицами пыли и наблюдением за её поведением в условиях земной тяжести и микрогравитации.

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

Результаты

Эксперименты в условиях микрогравитации оправдали надежды ученых - пылевая плазма по своей структуре становилась кристаллической или проявляла свойства жидкостей. В отличие от идеального газа, в котором молекулы движутся хаотично (см. тепловое движение), пылевая плазма, будучи газом, проявляет свойства твердых и жидких тел - возможны процессы плавления и испарения.
В то же время, были и неожиданные открытия. Например, в кристалле могла возникнуть полость. Почему - пока неизвестно.


Но самым неожиданным открытием явилось то, что пылевая плазма при некоторых условиях формировала спиральные структуры, похожие на ДНК! Возможно, даже происхождение жизни на Земле каким-то образом связано с пылевой плазмой.

Перспективы

Результаты многолетних исследований по эксперименту «Плазменный кристалл» показывают принципиальную возможность:

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

К сожалению, вся эта красота станет доступной не раньше, чем лет через десять. Потому что по результатам работы нужно построить экспериментальные прикладные установки, опытные образцы, провести испытания или клинические исследования, организовать серийное производство.

Введение

Пылевая плазма представляет собой ионизированный газ, содержащий частицы конденсированного вещества. Другими терминами, употребляемыми для обозначения таких систем являются «комплексная плазма», «коллоидальная плазма», а также «плазма с конденсированной дисперсной фазой». Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они присутствуют в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Пылевая плазма обнаружена вблизи искусственных спутниках земли и космических аппаратов, в термоядерных установках с магнитным удержанием. Наконец очень активно исследуется пылевая плазма в лабораторных условиях. Пылевые частицы могут не только преднамеренно вводиться в плазму, но и образовываться самопроизвольно в результате различных процессов. Широкая распространенность плазменно-пылевых систем, а также целый ряд уникальных свойств, делают пылевую плазму чрезвычайно привлекательным и интересным объектом исследования.

Пылевые частицы, находящиеся в плазме, приобретают электрический заряд и представляют собой дополнительный заряженный компонент плазмы. Однако свойства пылевой плазмы значительно богаче свойств многокомпонентной плазмы электронов и ионов различного сорта. Пылевые частицы являются центрами рекомбинации плазменных электронов и ионов и, иногда, источником электронов. Тем самым пылевой компонент может существенно влиять на ионизационное равновесие. Заряд пылевых частиц не является фиксированной величиной, а определяется параметрами окружающей плазмы и может изменяться как во времени, так и в пространстве. Кроме того, заряд флуктуирует даже при постоянных параметрах окружающей плазмы, поскольку зарядка является стохастическим процессом.

Плазменный кристалл

Частицы пылевой плазмы могут выстраиваться в пространстве определённым образом и образовывать так называемый плазменный кристалл. Плазменный кристалл может плавиться и испаряться. Если частицы пылевой плазмы достаточно велики то кристалл можно будет увидеть невооружённым глазом.

Строительным материалом для пылевых кристаллов служат макрочастицы, размер которых может варьироваться вплоть до десятков микрон в зависимости от условий конкретного эксперимента. Величина постоянной решетки в таких кристаллах обычно значительно превосходит дебаевский радиус экранирования и может достигать сотен микрон. Помимо образования в плазме кристаллических пылевых структур во многих случаях, были обнаружены плазменно-пылевые капли, и наблюдались фазовые переходы газ-жидкость в таких системах .

Заряд пылевых частиц может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку её поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твёрдом теле. Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооружённым глазом. Образование кристаллических структур регистрировали в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. Кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного разряда при низком давлении. Энергия электронов в такой плазме составляет несколько электронвольт (эВ), а энергия ионов близка к тепловой энергии атомов, которые имеют комнатную температуру (~ 0,03 эВ). Это связано с тем, что электроны более подвижны и их поток, направленный на нейтральную пылевую частицу, значительно превышает поток ионов. Частица „ловит“ электроны и начинает заряжаться отрицательно. Этот накапливающийся отрицательный заряд в свою очередь вызывает отталкивание электронов и притяжение ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока потоки электронов и ионов на её поверхности не сравняются. С высокочастотным разрядом заряд пылевых частиц увеличится и будет отрицательным. Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи поверхности нижнего электрода, поскольку там устанавливалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами. При диаметре облака в несколько сантиметров в вертикальном направлении число слоёв частиц составляло несколько десятков микрометров.

Дело о т.н. «плазменном кристалле» академика Владимира Фортова

Предмет обсуждения:
Проект «Плазменный кристалл» (плазменно-пылевые кристаллы в условиях микрогравитации), действительные и мнимые перспективы его применения, обстоятельства, связанные с «плазменным кристаллом».

Материалы можно найти в темах:
«Афера: вакуумный Клондайк академии наук»,
«Вниманию комитета МЕГАБРИТВА. Обсуждаем поля кручения, наномиры, плазменные кристаллы, суперструны»,
«Цитатник по плазменному кристаллу академика Фортова»).

Краткое популярное описание проекта «плазменный кристалл»:
«Если у меня есть плазма, стандартная, кондовая, обыкновенная, к примеру, как в той же лампе дневного света, и в нее насыплю пыли, то каждая пылинка зарядится до потенциала один-два электрон-вольта. Пылинки начнут взаимодействовать... и я получаю в лабораторных условиях те самые процессы, что идут в звездах» (академик Владимир Фортов. Интервью «парламентской газете», № 790 за 8/23/01 Рубрика: сенсации XXI века Кристаллы из космоса)

Краткий перечень обещаний, по проекту «плазменный кристалл»
А) Создание ядерной батареи нового поколения
Б) Изготовление алмазов чистой воды размером несколько сантиметров
В) Производство лекарственных препаратов высокой степени очистки
Г) Проведение высокоэффективного химического катализа
Д) Ликвидация радиоактивных выбросов при ядерных катастрофах
Е) Создание двигателя нового типа для межзвездных полетов

Описание экспериментов:
«НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА РОССИЙСКОМ СЕГМЕНТЕ
ТЕХНИЧЕСКИЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ И ИССЛЕДОВАНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТ "ПЛАЗМЕННЫЙ КРИСТАЛЛ"
Научный руководитель: академик РАН В.Е. Фортов

Используемая научная аппаратура:
Аппаратура "Плазменный кристалл-3":
Экспериментальный блок.
- Частота разряда формируемой плазмы - 13,56 МГц
- Давление газа в рабочей камере - 0,03 - 0,1 мм рт. ст.
- Плотность монодисперсных частиц - 1,5 г/куб.см
- Размеры пылевых частиц - 3,4 и 6,9 мкм
Турбонасос;
Аппаратура "Телесайенс" для управления процессом и регистрации результатов эксперимента.

Расходуемые материалы:
Видеокассеты Hi-8 для записи процесса формирования плазменно-пылевых структур;
Карта PCMCIA для записи параметров проведения эксперимента (давления газа, мощности ВЧ-излучения, размеров пылевых частиц и др.).

Цель:
Этап 1а. Исследование плазменно-пылевых структур в газоразрядной плазме высокочастотного емкостного разряда.
Этап 1б. Исследование плазменно-пылевых структур в плазме тлеющего разряда постоянного тока.
Этап 2. Исследование воздействия УФ-спектра космического излучения на поведение ансамбля макрочастиц, заряжающихся путем фотоэмиссии.
Этап 3. Исследование плазменно-пылевых структур в условиях открытого космоса при воздействии УФ-излучения Солнца, плазменных потоков и ионизирующих излучений.

Задачи:
Изучение физических явлений в плазменно-пылевых кристаллах при различных уровнях давления инертного газа и мощности ВЧ - генератора в условиях микрогравитации
Ожидаемые результаты:
Разработка технологии формирования и контроля упорядоченных структур заряженных твердых пылевых микрочастиц в плазме»
(по официальному сообщению РКК «Энергия»)

ИНФОРМАЦИЯ ДЛЯ УЧАСТНИКОВ ОБСУЖДЕНИЯ

Правила обсуждения
1. Сообщения размещаются исключительно по обсуждаемой теме и с приведением содержательных аргументов.
2. В случае, если аргументы находятся в материале по ссылке - приводится часть текста, находящегося по ссылке, либо аннотация, с четким объяснением того, какое отношение данный текст имеет к обсуждаемой теме.
3. Вопросы задаваются только по существу представленных аргументов.
4. Модераторы не будут допускать никаких отклонений от правил. Все сообщения, не соответствующие правилам, будут удаляться из темы и перемещаться в отдельную папку.

Секретариат комитета Мегабритва

1

Сахарова Т.А. (р.п. Н-Кисляй, МКОУ Нижнекисляйская СОШ им. Полякова)

1. Арцимович Л.А. «Элементарная физика плазмы».

2. http://www.nkj.ru/archive/articles/1318/ (Наука и жизнь, КРИСТАЛЛЫ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ).

3. Robert L. Merlino. Experimental Investigations of Dusty Plasmas (англ.) (PDF). Department of Physics and Astronomy, The University of Iowa (17 June 2005). – Исторический обзор исследований пылевой плазмы. Проверено 18 июля 2009. Архивировано из первоисточника 2 апреля 2012.

4. Фортов В.Е., А.Г. Храпак, С.А. Храпак, В.И. Молотков, О.Ф. Петров. Пылевая плазма (рус.) // УФН. – 2004. – Т. 174. – С. 495–544.

5. Цытович В.Н. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака (рус.) // УФН. – 1997. – Т. 167. – С. 57–99.

6. Пылевая плазма // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. – М.: Янус-К, 2006. – Т. 1.

7. Фортов В.Е. Плазменно-пылевые кристаллы и жидкости на Земле и в Космосе (рус.) // Вестник российской академии наук. – 2005. – Т. 75, № 11. – С. 1012-1027.

8. Клумов Б.А. О критериях плавления комплексной плазмы (рус.) // УФН. – 2010. – Т. 180. – С. 1095–1108.

9. Видео с ютуба «Изучение полевых кристаллов в космосе».

Плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: по оценкам, в этом состоянии находится примерно 95 % обычной материи во Вселенной. Звезды - это сгустки плазмы, ионизованного газа с температурой в десятки и сотни миллионов градусов. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.

Данной исследовательской работой я занялся, потому что меня заинтересовало еще малоизученное в современном мире четвертое состояние вещества - плазма. Увлекло явление, обнаруженное недавно в низкотемпературной плазме, - образование «плазменного кристалла», то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц - плазменной пыли.

Цель моего исследования: получение низкотемпературной плазмы путем эксперимента, знакомство с плазменно-полевыми кристаллами.

Задачи исследования:

1. Расширить знания о «плазме».

2. Получить низкотемпературную плазму в домашних условиях.

3. Узнать сферы применения плазмы.

4. Провести анализ, полученных сведений из различных источников и экспериментальных данных.

Актуальность данной работы в том, что в последнее время физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие понимания и объяснения. Открытия в этой сфере позволят улучшить качество жизни человека: организовать переработку отходов; производство альтернативной энергии; производство микросхем; увеличение прочности металлов; изобретение новых плазменных двигателей; победить вредные микробы; улучшить качество цветных изображений в плазменных панелях; объяснить эволюцию Вселенной и т.д.

Работа с источниками информации

История открытия плазмы

Четвертое состояние материи было открыто У. Круксом (рис. 1) в 1879 году и названо «плазмой» И. Ленгмюром (рис. 2) в 1928 году возможно из-за ассоциаций с четвертым состоянием вещества (плазмы) с плазмой крови.

Рис. 1. У. Кругсон

Рис. 2. И. Ленгмюр

И. Ленгмюр писал: «Исключая пространство около электродов, где обнаруживается небольшое количество электронов, ионизированный газ содержит электроны и ионы практически в одинаковых количествах, в результате чего суммарный заряд системы очень мал. Мы используем термин «плазма», что бы описать эту в целом электрически нейтральную область, состоящую из ионов и электронов». .

Понятие плазмы

Плазма - частично или полностью ионизованный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов). Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.

Газ переходит в состояние плазмы, если некоторые из составляющих его атомов (молекул) по какой-либо причине лишились одного или нескольких электронов, т.е. превратились в положительные ионы. В некоторых случаях в плазме в результате «прилипания» электронов к нейтральным атомам могут возникать и отрицательные ионы.

Если в газе не остается нейтральных частиц, плазма называется полностью ионизованной. Плазма подчиняется газовым законам и во многих отношениях ведет себя как газ. Вместе с тем, поведение плазмы в ряде случаев, особенно при воздействии на нее электрических и магнитных полей, оказывается столь необычным, что о ней часто говорят как о новом четвертом состоянии вещества (рис. 3).

Рис. 3. Четвёртое состояние вещества

Что такое пылевая плазма?

Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий пылинки - частицы твердого вещества. Такая плазма часто встречается в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, межпланетных и межзвездных облаках (рис. 4). Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах.

Рис. 4. Плазменный хвост кометы

В лабораторных условиях пылевую плазму впервые получил американец Ирвинг Лэнгмюр еще в 20-х годах прошлого века. Однако активно изучать ее начали лишь в последнее десятилетие. Повышенный интерес к свойствам пылевой плазмы возник с развитием технологий плазменного напыления (рис. 5) и травления в микроэлектронике (рис.6), а также производства тонких пленок (рис. 7) и наночастиц (рис. 8).

Рис. 5. Плазменное напыление

Рис.6. Травление платины в водороде

Рис. 7. Тонкая полупроводниковая пленка

Рис.8. Наночастицы

Плазменный кристалл

Размеры пылевых частиц относительно велики - от долей микрона до нескольких десятков, иногда сотен микрон (рис. 9). Их заряд может иметь чрезвычайно большую величину и превышать заряд электрона в сотни и даже в сотни тысяч раз. В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц, пропорциональная квадрату заряда, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию (рис. 10). Получается плазма, которую называют сильно неидеальной, поскольку ее поведение не подчиняется законам идеального газа. (Напомним, что плазму можно рассматривать как идеальный газ, если энергия взаимодействия частиц много меньше их тепловой энергии).

Рис. 9. Плазменный кристалл

Рис. 10. Кулоновское взаимод

Теоретические расчеты равновесных свойств пылевой плазмы показывают, что при некоторых условиях сильное электростатическое взаимодействие «берет верх» над низкой тепловой энергией и заставляет заряженные частицы выстраиваться в пространстве определенным образом. Образуется упорядоченная структура, которая получила название кулоновского или плазменного кристалла. Плазменные кристаллы подобны пространственным структурам в жидкости или твердом теле (рис. 11). Здесь могут происходить фазовые переходы типа плавления и испарения.

Рис. 11. Плазменный кристалл

Если частицы пылевой плазмы достаточно велики, плазменный кристалл можно наблюдать невооруженным глазом.

Получение низкотемпературной плазмы в домашних условиях

После некоторых исследований, свойств и характеристик плазмы, я смог провести опыт получения в домашних условиях низкотемпературной плазмы (Видео «Получение плазмы»). Для этого мне понадобилось следующее оборудование: СВЧ печь, вод ветроустойчивые спичка, стеклянная банка.

Рис. 12. Подготовительный этап

Ход проведения опыта:

1. С начала я вынул из СВЧ печи стеклянное блюдо, на котором вращаются продукты при разогреве. Подготовил спичку (рис. 12).

2. Затем на центр Микроволновой печи я вставил спичку и зажег ее.

3. После этого я накрыл спичку стеклянной банкой, потом закрыл СВЧ печь, включил ее, установив функцию нагрева продуктов (рис. 13).

4. После некоторого количества времени можно увидеть, как в стеклянной банке с зажженной спичкой образовывается плазма (рис. 14).

Рис. 13. Спичка под стеклянной банкой в СВЧ печи

Рис. 14. Низкотемпературная плазма

Благодаря этому простому опыту можно увидеть, как ионизируется газ под действием температуры и тем самым получается частично ионизированная плазма. Если мне удалось так просто получить низкотемпературную плазму, значит её можно получить на предприятиях, при этом затраты на её получение минимальны.

Заключения

Мне удалось получить низкотемпературную плазму в домашних условиях. Я расширил свои знания по данному вопросу, узнал много нового и интересного. Меня очень заинтересовала эта тема и уверен, что когда я буду выбирать профессию эта исследовательская работа оставит свой отпечаток.

«Хаотичная» плазма-это 5-е состояние вещества. Кристаллическая плазма-это состояние «организованной» плазмы, где ее не надо удерживать магнитным полем. Свойства плазмы составляют основу современных технологий, область применения которых обширна.

Я считаю, что плазма - это символ будущего, важнейшая отрасль, без которой немыслимо дальнейшее развитие цивилизации. Плазма, на мой взгляд, альтернативный источник энергии и доктор экологии.

Библиографическая ссылка

Скобликов А.А. ПОЛУЧЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ, ЗНАКОМСТВО С ПЛАЗМЕННО-ПОЛЕВЫМИ КРИСТАЛЛАМИ // Старт в науке. – 2016. – № 2. – С. 133-136;
URL: http://science-start.ru/ru/article/view?id=51 (дата обращения: 28.03.2019).