Анализ динамики поведения пылевых частиц в магнитном поле. Бакалаврская работа

1.

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА
Анализ динамики поведения
пылевых частиц в магнитном
поле
Выполнил: Калинин И.А.
Научный руководитель: д. ф.-м. н., проф. Карасев В.Ю.
Санкт-Петербург, 2016.

2. Введение.

Интерес к механике собственного вращения уединенных
пылевых частиц обусловлен следующими причинами:
• Связь собственного вращения с процессом зарядки пылевой
частицы потоком плазмы на её поверхность.
• Эффект выстраивания магнитных моментов, создаваемых
пылевыми волчками в магнитном поле.

3. Выводы из литературного обзора и постановка задачи

Из проведенного литературного обзора следует, что существует два
механизма, генерирующих собственное вращение пылевых частиц:
азимутально несимметричный поток плазмы на поверхность пылевой
частицы и симметричный поток на ассиметричную частицу.
Другие факторы, такие как наложение магнитного поля, могут лишь
влиять на установившееся вращение пылевой частицы.
В бакалаврской работе необходимо проверить влияние потока плазмы
через плазменно-пылевую ловушку (положение левитации частицы в страте
тлеющего разряда) на скорость собственного вращения, а так же исследовать
зависимость частоты собственного вращения от значения разрядного тока.

4. Cхема экспериментальной установки

1 – разрядная трубка
2 – магнитная катушка
3 – страта
4 – регулируемая диафрагма
5 – катод
6 – анод
7 – микроскоп
8 – видеокамера
9 – лазерная подсветка
10 – вакуумный порт
11 – контейнер с частицами
12 – торцевое окно
13 – подсветка

5. Описание техники координатного сканирования

Схема, описывающая
формирование развертки сигнала.
1 – лазерная подсветка
2 – дефекты поверхности частицы
3 – камера с CCD-матрицей
4 – изображение частицы на CCDматрице

6. Описание техники координатного сканирования

1 – поверхность частицы; 2 – дефект поверхности; 3 – результирующая траектория дефекта
(циклоида).
а – изображение координатной развертки частицы, движущейся слева направо.
b – изображение координатной развертки частицы, движущейся справа налево.

7. Измерение скорости собственного вращения пылевой частицы в составе кластера

Проводилось варьирование плазменного потока путем
помещения дополнительных частиц в пылевую ловушку и создания
пылевых кластеров, таким образом, чтобы пробная частица была
частью слоя (горизонтального кластера) или цепочки
(вертикального кластера) из 4-8 частиц. Частота собственного
вращения пробной частицы, уединенной в пылевой ловушке
оказалась равной частоте собственного вращения той же частицы,
но в составе кластера.

8. Измерение скорости собственного вращения пылевой частицы в составе кластера

Модуляция
частицы,
полученная
по
методу
координатной развертки. a – развертка частицы,
единственной в ловушке. На рисунке наложены три
кадра, частица
имеет N = 2.5 модуляций, частота ее вращения 75
Hz. b – развертка той же частицы, но в составе
кластера, расположенного в горизонтальной секции.
На рисунке наложены три кадра, частица имеет N =
2.5 модуляций, частота ее вращения 75 Hz. Частота
вращения не изменилась.

9. Варьирование положения частицы в разряде

Был проведен дополнительный эксперимент, исследующий
влияние плазменного потока через пылевую ловушку на вращение
частицы. Он был основан на варьировании положения частицы в
разряде, что эквивалентно варьированию плазменного потока
через положение левитации частицы. Без изменения разрядного
тока частица смещалась с помощью термофоретической силы в
горизонтальном сечении от центра разрядной трубки в сторону её
стенки, где скорость плазменного потока возрастает за счет
амбиполярного тока разряда. Изменение частоты вращения при
таком изменении положения частицы зарегистрировано не было.

10. Регистрация порогового эффекта раскручивания частицы в зависимости от разрядного тока

Четыре
последовательных
развертки
частицы
снимка
сферической
координатной
формы
при
условиях: a — ток разряда I = 1 mA, давление p = 40
Pa, газ неон. Модуляции не обнаруживаются N = 0; b
— ток разряда I = 1.5 mA. Модуляции появились
(регистрация порогового эффекта вращения), N = 3.5,
частота вращения 105 Hz; c — ток разряда I = 2.2 mA.
Модуляции регистрируются, их число N = 4, частота
вращения 120 Hz; d — ток разряда I = 2.74 mA.
Модуляции регистрируются, их число N = 4.5,
частота вращения 135 Hz.

11. Пороговый характер возникновения собственного вращения для сферической частицы

12. Регистрация порогового эффекта раскручивания частицы в зависимости от магнитного поля

Три
последовательных
развертки
частицы
снимка
сферической
координатной
формы
при
условиях: a — ток разряда I = 2.5 mA, давление p = 40
Pa, магнитное поле B = 0, газ неон. Модуляции не
обнаруживаются N = 0; b — магнитное поле B = 55 G.
Модуляции не обнаруживаются N = 0; c — магнитное
поле B = 110 G. Модуляции появились (регистрация
порогового эффекта вращения) N = 2, частота
вращения 60 Hz;

13. Обсуждение результатов работы, выводы.

• Разрядный ток через плазменно-пылевую ловушку в страте
нельзя рассматривать как причину возникновения собственного
вращения, поскольку иначе вращение должно наблюдаться при
сколь угодно малом значении разрядного тока.
• Предположительно, причины возникновения вращения связаны
с потоком, возникающим локально вокруг частицы (на масштабе
дебаевской длины), а не с током всего разряда.

14. Заключение

В работе использован метод координатной развертки для определения
скорости собственного вращения уединенных пылевых частиц.
Модель, описывающая причины возникновения вращения пылевого
волчка, подтверждается экспериментально.
Собственное вращение частицы определяется по большей части
передачей момента импульса от ионов при поддержании стационарного
заряда частицы. При этом скорость вращения будет определяться потоком
ионов, проходящим через сферу Дебая.
Установлено отсутствие зависимости частоты вращения пылевой
частицы от потока плазмы через страту.

15.

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
Анализ динамики поведения
пылевых частиц в магнитном
поле
Выполнил: Калинин И.А.
Научный руководитель: д. ф.-м. н., проф. Карасев В.Ю.
Санкт-Петербург, 2016.