устройство для исследования взаимодействия макротел в плазме

Формула изобретения

Устройство для исследования взаимодействия макротел в плазме, содержащее газоразрядную камеру, подключенную к источнику питания, внутри которой подвешены макротела, отличающееся тем, что верхняя и нижняя стенки газоразрядной камеры выполнены прозрачными, при этом верхняя стенка закрыта со стороны внутренней поверхности камеры непрозрачным экраном, сквозь который пропущены макротела, каждое из которых представляет собой отрезок волоконного световода, над верхней стенкой камеры расположен источник света, а под нижней - светорегистрирующий прибор, обращенный к источнику света.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при исследовании поведения макроскопических моделей частиц пыли в плазме газового разряда.

В последнее время в физике плазмы наметилось и стало интенсивно развиваться новое направление - физика запыленной плазмы, т.е. такой плазмы, в которой взвешены мелкие частицы или капли конденсированного вещества. Это вызвано тем, что пылевая фракция является непременной и часто оказывающей вредное воздействие компонентой плазмы в таких приборах, как магнитные ловушки термоядерных реакторов, установки плазменного травления микросхем и т.д. Как оказалось, даже малая добавка пылевой фракции (например, всего 10³...10⁴ частиц/см³) может коренным образом изменить свойства самой плазмы. Очевидно, что механизмы поведения пылинок в плазме необходимо тщательно исследовать. Однако проводить измерения непосредственно с микроскопическими частицами пыли весьма затруднительно. Поэтому в последнее время было выполнено и опубликовано несколько работ, в которых исследовалось поведение в плазме макроскопических 1- и 2-мерных аналогов пыли, таких, например, как тонкие диэлектрические нити или тонкие диэлектрические пленки. В этих работах экспериментально было зарегистрировано притяжение макротел в плазме газового разряда.

Опубликована, например, работа, в которой для исследования взаимодействия макротел в плазме используется устройство, состоящее из стеклянной газоразрядной камеры, подключенной к источнику питания, внутри которой на гибких тонких нитях подвешены макротела ([1] - Дубинов А.Е., Жданов B.C., Игнатов А.М. и др., «Притяжение макротел в плазме». Письма в ЖТФ, 1999, т.25, вып.13, с.73-80). При включении источника питания в камере загорается газовый разряд, на макротела в разрядной плазме начинают действовать силы взаимного притяжения, и их местоположение изменяется. Изображения макротел до включения разряда и после регистрируются на фотопленку. Затем по разнице местоположений макротел определяются силы взаимодействия между ними. Параметры плазмы и геометрические параметры системы макротел можно варьировать.

Также опубликована работа, в которой для исследования взаимодействия макротел в плазме используется устройство, содержащее газоразрядную камеру, подключенную к источнику питания, внутри которой подвешены макротела ([2] - Дубинов А.Е., Жданов B.C., Игнатов А.М. и др., «Определение сил притяжения между частицами пыли в запыленной плазме». Краткие сообщения по физике ФИАН, 1997, номер 7-8, с.46-49). В этой работе макротела представляют собой гибкие тонкие диэлектрические нити, изгибающиеся и притягивающиеся друг к другу под воздействием сил взаимного притяжения. Это устройство выбрано за прототип.

Следует отметить, однако, что использование макроскопических тел в подобных устройствах имеет также и определенные недостатки. В частности, у макротел много степеней свободы, и точно определить их перемещение в пространстве иногда бывает весьма проблематично. По той же причине вызывает существенные проблемы наблюдение за системой из множества макротел, тем более если они расположены в несколько рядов. Плазма разряда также является фактором, существенно ухудшающим видимость внутри газоразрядной камеры и создающим помехи наблюдению и фоторегистрации.

Недостатком подобного рода устройств следует считать недостаточную наглядность получаемого изображения взаимодействующих макротел в плазме. Следствием этого является значительная трудность обработки полученных изображений, что приводит к высокой погрешности измерения изменения положения макротел в пространстве при зажигании газового разряда. Весьма проблематичным является исследование взаимодействия системы из нескольких макротел.

Технической задачей изобретения является создание устройства, в котором реализуется увеличение наглядности изображения взаимодействующих макротел в плазме и повышение легкости его обработки.

Технический результат при использовании предлагаемого устройства заключается в увеличении наглядности изображения взаимодействующих макротел в плазме и повышении легкости его обработки.

Этот результат достижим за счет того, что в устройстве для исследования взаимодействия макротел в плазме, содержащем газоразрядную камеру, подключенную к источнику питания, внутри которой подвешены макротела, в отличие от известных устройств верхняя и нижняя стенки газоразрядной камеры выполнены прозрачными, при этом верхняя стенка закрыта со стороны внутренней поверхности камеры непрозрачным экраном, сквозь который пропущены макротела, каждое из которых представляет собой отрезок волоконного световода, над верхней стенкой камеры расположен источник света, а под нижней - светорегистрирующий прибор, обращенный к источнику света.

Так как в предлагаемом устройстве макротела изготовлены из волоконных световодов ([3] - Физическая Энциклопедия, М.: Большая советская энциклопедия, 1994, т.4, с.461), а между источником света и светорегистрирующим прибором находится непрозрачный экран, то светорегистрирующим прибором фиксируется только тот свет, излученный источником света, который проходит сквозь волоконные световоды. Таким образом со стороны светорегистрирующего прибора будут видны только светящиеся точки, каждая из которых представляет собой пучок света, прошедший от источника света сквозь волоконный световод и вышедший из его нижнего конца. Преимущество данного способа заключается в том, что наблюдение ведется только за светящимися нижними кончиками световодов, а не за световодами целиком, то есть за объектами небольших и компактных размеров. Положение и перемещение таких объектов сравнительно легко регистрировать и анализировать. Если взять источник света достаточно большой интенсивности и световоды с достаточно высокой проводимостью света, то кончики световодов будут светиться гораздо ярче, чем плазма горящего разряда, и помехи наблюдению будут практически минимальными. Тем не менее легкость сборки системы макротел останется прежней по сравнению с тем, если бы мы использовали микротела. Также в предлагаемом устройстве изображения макротел фиксируются не сбоку, а снизу, что позволяет регистрировать структуры из множества макротел, расположенных в несколько рядов как в продольном, так и в поперечном сечении газоразрядной камеры.

Предполагаемый вид устройства изображен на чертеже, где обозначено: 1 - газоразрядная камера, 2 - макротела, 3 - источник питания, 4 - непрозрачный экран, 5 - источник света, 6 - светорегистрирующий прибор.

В качестве светорегистрирующего прибора может быть использован фотоаппарат или видеокамера.

Устройство работает следующим образом. Свет, излучаемый источником света 5 в направлении светорегистрирующего прибора 6, практически полностью поглощается непрозрачным экраном 4, и регистрируется только та его часть, которая проходит сквозь волоконные световоды, из которых изготовлены макротела 2, и выходит из их нижних кончиков. Таким образом, изображения макротел 2 фиксируются светорегистрирующим прибором 6 в виде светящихся точек. При подаче напряжения с источника питания 3 на электроды газоразрядной камеры 1 в ней загорается разряд, и в образовавшейся плазме макротела 2 изменяют свое положение вследствие действующих между ними сил взаимодействия. При помощи светочувствительного прибора 6 изображения светящихся кончиков макротел 2 до включения разряда и после регистрируются. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод о направлении и характере сил взаимодействия между макротелами. Сплошными черными стрелками на чертеже показано распространение света, большими стрелками показано предполагаемое направление перемещения макротел.

В качестве параметров одного из примеров конкретного выполнения можно предложить следующие:

газоразрядная камера изготовлена из капролона, верхняя и нижняя стенки камеры изготовлены из оргстекла, электроды изготовлены из нержавеющей стали, длина камеры - 600 мм, поперечное сечение камеры - квадрат со стороной 100 мм;

стационарный тлеющий разряд, создающий плазму, загорается при подаче на электроды стационарного напряжения от источника питания, генерирующего на выходе напряжение от 500 до 3000 В при токе до 1 А, рабочее давление внутри камеры при горящем разряде - 0,5÷1 Торр;

непрозрачный экран изготовлен из плотной вакуумной резины толщиной 8 мм и прикреплен к нижней поверхности верхней стенки газоразрядной камеры;

волоконные световоды представляют собой тонкие гибкие нити длиной 70 мм и толщиной 0,1 мм, их верхние кончики крепятся внутри газоразрядной камеры путем обжатия их резиновым непрозрачным экраном, сквозь который они пропущены, их количество - от двух штук до нескольких десятков, порядок расположения - по желанию изготовителя;

в качестве источника света используется линейная галогенная лампа R7S 150 W;

в качестве светорегистрирующего прибора используется цифровой фотоаппарат Olympus C-350 с разрешением 2048×1536 точек.

Таким образом, можно утверждать, что поставленная техническая задача полностью решена за счет описанного выше технического решения.