Эксперимент с плазмой в космосе. Плазменные кристаллы: от космических исследований до медицинских применений на Земле и вновь обратно в космос Плазма в космическом пространстве
Частично ионизованный газ) в космическом пространстве и населяющих его объектах. Космическая плазма возникла в первые микросекунды рождения Вселенной после Большого взрыва и ныне является наиболее распространённым состоянием вещества в природе, составляя 95% от массы Вселенной (без учёта тёмной материи и тёмной энергии, природа которых пока неизвестна). По свойствам, зависящим от температуры и плотности вещества, и по направлениям исследования космическую плазму можно разделить на следующие виды: кварк-глюонная (ядерная), галактическая (плазма галактик и галактических ядер), звёздная (плазма звёзд и звёздных атмосфер), межпланетная и магнитосферная. Космическая плазма может находиться в равновесном и неравновесном состояниях, может быть идеальной и неидеальной.
Возникновение космической плазмы . Согласно теории Большого взрыва, 13,7 миллиарда лет назад вещество Вселенной было сконцентрировано в очень малом объёме и имело огромную плотность (5·10 91 г/см 3) и температуру (10 32 К). При чрезвычайно высоких температурах, характерных для ранних стадий расширения Вселенной, такие частицы, как, например, W ± - и Z 0 -бозоны, ответственные за слабое взаимодействие, были безмассовыми, как и фотоны (симметрия электромагнитного и слабого взаимодействий). Это означает, что слабое взаимодействие являлось дальнодействующим, а аналогом самосогласованного электромагнитного поля было самосогласованное Янга - Миллса поле. Т.о., вся лептонная компонента вещества, участвующая в слабом и электромагнитном взаимодействиях, находилась в состоянии плазмы. Распад электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое при Т < 10 15 К привёл к появлению массы у кварков, лептонов и W ± -, Z-бозонов. Вещество оказалось в состоянии кваркглюонной плазмы (рис.) - сильновзаимодействующей ядерной материи, в которой освобождённые цветные кварки (фундаментальные частицы вещества) и глюоны (кванты сильного взаимодействия) образуют непрерывную среду (хромоплазму) и могут распространяться в ней как квазисвободные частицы, а слабые взаимодействия играют роль дальнодействующих сил. При плотностях вещества n > 10 14 г/см 3 , энергиях > 0,1 ГэВ и средних расстояниях между частицами много меньше 10 -13 см такая плазма может быть идеальной и бесстолкновительной (длина свободного пробега частиц много больше характерных размеров системы). Охлаждаясь, кварки начали группироваться в адроны (адронизация, кваркадронный фазовый переход). Основными процессами в эру адронов были рождение гамма-квантами пар частица - античастица и их последующая аннигиляция. К концу адронной эры, когда температура снизилась до 10 12 К, а плотность вещества до 10 14 г/см 3 , рождение пар адрон - антиадрон стало невозможным, а их аннигиляция и распад продолжались. Однако энергия фотонов была достаточна для рождения пар лептон - антилептон (лептонная эра).
После 1 с от начала Большого взрыва начались реакции нуклеосинтеза и происходило формирование современной космической плазмы. Высокие плотность и температура излучения не позволяли образовываться нейтральным атомам; вещество пребывало в состоянии плазмы. Через 300 тысяч лет после Большого взрыва, при охлаждении до температуры около 4000 К, началось объединение протонов и электронов в атомы водорода, дейтерия и гелия, а излучение перестало взаимодействовать с веществом. Фотоны стали распространяться свободно. Они наблюдаются ныне в виде равновесного микроволнового фонового излучения (реликтовое излучение). Через 150 миллионов - 1 млрд. лет после Большого взрыва образовались первые звёзды, квазары, галактики, скопления и сверхскопления галактик. Происходила повторная ионизация водорода светом звёзд и квазаров с образованием галактической и звёздной плазмы. Через 9 миллиардов лет произошло образование межзвёздного облака, давшего начало Солнечной системе и Земле.
Виды космической плазмы. За исключением плазмы ядер звёзд и нижних слоёв околопланетной плазмы, космическая плазма является бесстолкновительной. Вследствие этого функции распределения космической плазмы часто отличаются от классического распределения Максвелла, т. е. могут иметь пики, соответствующие пучкам заряженных частиц. Для бесстолкновительной плазмы характерно неравновесное состояние, при котором температуры протонов и электронов различны. Равновесие в бесстолкновительной космической плазме устанавливается не через столкновения, а через возбуждение электромагнитных волн, согласованных с коллективным движением заряженных частиц плазмы. Типы волн зависят от внешних магнитных и электрических полей, от конфигурации плазмы и полей.
Мощность неравновесного излучения космических объектов может быть много больше мощности равновесного излучения, а спектр - непланковский. Источниками неравновесного излучения являются, например, квазары и радиогалактики. В их излучении важную роль играют выбросы (джеты) потоков релятивистских электронов или сильно ионизованной плазмы, распространяющихся в космических магнитных полях. Неравновесность магнитосферной плазмы вблизи Земли проявляется также в генерации пучков заряженных частиц, что приводит к радиоизлучению Земли в диапазоне километровых длин волн. Неравновесные плазменные явления приводят к генерации пакетов волн и возникновению многомасштабных плазменных турбулентностей в космической плазме.
Галактическая плазма имеет большую плотность в молодых галактиках, образующихся из сжимающихся протозвёздных облаков ионизованного газа и пыли. Соотношение общего количества звёздного и межзвёздного вещества в галактике изменяется по мере эволюции: из межзвёздной диффузной материи образуются звёзды, а они в конце своего эволюционного пути возвращают в межзвёздное пространство только часть вещества; некоторая часть его остаётся в белых карликах и нейтронных звёздах, а также в медленно эволюционирующих маломассивных звёздах, возраст которых сравним с возрастом Вселенной. Таким образом, со временем количество межзвёздного вещества в галактике убывает: в «старых» галактиках концентрация межзвёздной плазмы ничтожна.
Звёздная плазма . Звёзды типа Солнца представляют собой массивные плазменные шарообразные объекты. Термоядерные реакции в ядре поддерживают высокие температуры, которые обеспечивают термическую ионизацию вещества и переход его в состояние плазмы. Высокое давление плазмы поддерживает гидростатическое равновесие. Температура плазмы в центре нормальных звёзд может достигать 10 9 К. Плазма солнечной короны имеет температуру около 2·10 6 К и сосредоточена преимущественно в магнитных арках, трубках, создаваемых выходящими в корону магнитными полями Солнца.
Несмотря на высокие плотности, плазма звёзд обычно идеальна за счёт высоких температур: только в звёздах с малыми массами [ ≥ 0,5 массы Солнца (Мʘ)] появляются эффекты, связанные с неидеальностью плазмы. В центральных областях нормальных звёзд длины свободного пробега частиц малы, поэтому плазма в них столкновительная, равновесная; в верхних слоях (особенно в хромосфере и короне) плазма бесстолкновительная.
В массивных и компактных звёздах плотность космической плазмы может быть на несколько порядков выше, чем в центре нормальных звёзд. Так, в белых карликах плотность настолько велика, что электроны оказываются вырожденными (смотри Вырожденный газ). Ионизация вещества обеспечивается за счёт большой кинетической энергии частиц, определяемой ферми-энергией; она же является причиной идеальности космической плазмы в белых карликах. Вырожденный электронный газ противодействует силам гравитации, обеспечивая равновесие звезды.
В нейтронных звёздах (конечных продуктах эволюции звёзд массой 1,3-2Мʘ) при плотностях вещества 3·10 14 -2·10 15 г/см3, сравнимых с плотностью вещества в атомных ядрах, происходит вырождение не только электронов, но и нейтронов. Давление нейтронного вырожденного газа уравновешивает силу гравитации в нейтронных звёздах. Как правило, нейтронные звёзды - пульсары - имеют диаметры 10-20 км, быстро вращаются и обладают сильным магнитным полем дипольного типа (порядка 10 12 -10 13 Гс на поверхности). Магнитосфера пульсаров заполнена релятивистской плазмой, которая является источником излучения электромагнитных волн.
Современные теории предполагают, что в ядрах наиболее массивных нейтронных звёзд, возможно, существует кварк-глюонная плазма (так называемые кварковые, или странные, звёзды). При высоких плотностях вещества в центрах нейтронных звёзд нейтроны оказываются расположенными вплотную друг к другу (на расстоянии классических радиусов), благодаря чему кварки могут свободно перемещаться по всей области вещества. Такое вещество можно рассматривать как кварковый газ или жидкость.
Межпланетная и магнитосферная плазма. Состояние околопланетной плазмы, а также структура занимаемого ею пространства зависят от наличия собственного магнитного поля у планеты и её удалённости от Солнца, в короне которого есть открытые (не замкнутые) магнитные силовые линии. По ним со скоростью 300-1200 км/с истекает солнечный ветер - поток ионизованных частиц (протоны, электроны и ядра гелия) с плотностью порядка 1-10 см -3 . Силовые линии межпланетного магнитного поля, созданного токами, текущими внутри Солнца, можно считать вмороженными в плазму солнечного ветра. Собственное магнитное поле большинства планет, как правило, имеет дипольную форму, что способствует захвату межпланетной плазмы и энергичных солнечных частиц в естественные магнитные ловушки. Обтекание солнечным ветром магнитного поля планеты приводит к образованию магнитосферы планеты - полости, заполненной плазмой солнечного ветра и плазмой планетного происхождения.
При обтекании сверхзвуковым потоком солнечного ветра магнитного поля Земли на расстоянии 13-17 радиусов Земли от её центра образуется бесстолкновительная ударная волна, на которой происходит торможение плазмы солнечного ветра, её нагрев и увеличение плотности и амплитуды магнитного поля. Ближе к планете располагается магнитопауза - граница магнитосферы, где динамическое давление плазмы солнечного ветра уравновешивается давлением магнитного поля Земли. Магнитосфера Земли сжата со стороны налетающего потока на дневной стороне и сильно вытянута в ночном направлении, формой напоминая хвост кометы (так называемый магнитосферный хвост).
В зависимости от величины магнитного поля магнитосферы планет могут иметь различное строение, которое тем компактнее, чем меньше собственное магнитное поле планеты. Магнитосфера Земли включает ионосферу (верхнюю атмосферу на высотах от 60 км и выше, где плазма сильно ионизована под действием солнечного коротковолнового излучения) с плотностью частиц 10 2 -10 6 см -3 , плазму радиационных поясов Земли с плотностью порядка 10 7 см -3 , плазмосферу с плотностью порядка 10 2 -10 4 см -3 на расстояниях до нескольких радиусов Земли и плазму магнитосферного хвоста со средней плотностью порядка 1 см.
Плазма солнечного ветра проникает в магнитосферу в области «разомкнутых» магнитных силовых линий (полярных каспов), в областях пересоединения земного и межпланетного магнитных полей на магнитопаузе, вследствие магнитогидродинамических (МГД) эффектов и плазменных неустойчивостей. Часть проникшей в магнитосферу плазмы пополняет радиационные пояса планеты и плазменный слой магнитосферного хвоста. Проникновение плазмы внутрь магнитосферы и её высыпание в верхние слои атмосферы и ионосферы являются причиной полярных сияний.
В Солнечной системе магнитосферы имеются практически у всех планет. Земля и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) обладают наиболее сильными собственными магнитными полями, самое слабое магнитное поле имеет Марс, у Венеры и Луны собственное магнитное поле практически отсутствует. Магнитосферная плазма планет является бесстолкновительной. Релаксация по энергиям и импульсам в такой плазме происходит через возбуждение многообразных колебаний и волн. В плазме хвоста магнитосферы Земли отсутствует термодинамическое равновесие: электронная температура в 3-8 раз меньше ионной.
Магнитосферы планет сильно изменчивы, что связано с изменчивостью межпланетного магнитного поля и потока энергии, поступающего из солнечного ветра внутрь магнитосферы благодаря пересоединению магнитных силовых линий на магнитопаузе. Наиболее сильные магнитосферные возмущения - магнитные бури связаны с приходом к Земле плазменных облаков при мощных выбросах плазмы из короны Солнца.
Методы исследования космической плазмы. Космическая плазма удалённых объектов исследуется дистанционными спектральными методами с помощью оптических телескопов, радиотелескопов, внеатмосферных рентгеновских и гамма-телескопов. С помощью приборов, установленных на ракетах, спутниках и КА, быстро расширяется количество прямых измерений параметров космической плазмы в пределах Солнечной системы (исследования Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера и других планет). Методы исследования включают в себя использование зондовых измерений, волновой низко и высокочастотной спектрометрии, измерений магнитных и электрических полей. Ведутся исследования радиационных поясов Земли, солнечного ветра, бесстолкновительной ударной волны магнитосферы Земли, хвоста магнитосферы, полярных сияний, километрового излучения Земли и т.д. Современная космическая техника позволяет проводить так называемые активные эксперименты в космосе - активно воздействовать на околоземную космическую плазму радиоизлучением, пучками заряженных частиц, плазменными сгустками и т.п. Эти методы используются для диагностики и моделирования естественных процессов в реальных условиях.
В земных условиях кварк-глюонную плазму стало возможным исследовать на коллайдерах при столкновении пучков релятивистских тяжёлых ионов [ЦЕРН, Швейцария; RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), США].
Для космической плазмы характерно существование магнитогидродинамических волн, которые при больших амплитудах сильно нелинейны и могут иметь форму солитонов или ударных волн. Общая теория нелинейных волн пока отсутствует. Задача о волнах малой амплитуды решается до конца методом линеаризации уравнений состояния плазмы. Для описания столкновительной космической плазмы обычно используется МГД-приближение (смотри Магнитная гидродинамика). Распространение волн и мелкомасштабные структуры в бесстолкновительной космической плазме описываются системами уравнений Власова - Максвелла для электромагнитных полей и плазмы. Однако, когда тепловое движение заряженных частиц несущественно, а масштабы системы велики по сравнению с ларморовским радиусом (характерным масштабом вращения заряженных частиц в магнитном поле), в бесстолкновительной плазме также используется МГД-приближение.
Лит.: Акасофу С. И., Чепмен С. Солнечно-земная физика. М., 1974-1975. Ч. 1-2; Альвен Х. Космическая плазма. М., 1983; Зеленый Л. М. Динамика плазмы и магнитных полей в хвосте магнитосферы Земли // Итоги науки и техники. Сер. Исследования космического пространства. М., 1986; Астрономия: век XXI / Под редакцией В. Г. Сурдина. Фрязино, 2007; Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр. СПб., 2008.
Л. М. Зелёный, Х. В. Малова.
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).
Задумывались ли Вы когда-нибудь над тем, что содержится в межзвёздном или в межгалактическом пространстве? В космосе технический вакуум, а стало быть ничего не содержится (не в абсолютном смысле, что ничего не содержится, а в относительном смысле). И Вы будете правы, потому что в среднем в межзвёздном пространстве около 1000 атомов на кубический сантиметр и на очень огромных расстояниях плотность вещества ничтожно мала. Но тут не всё так просто и однозначно. Пространственное распределение межзвёздной среды нетривиально. Помимо общегалактических структур, таких как перемычка (бар) и спиральные рукава галактик, есть и отдельные холодные и тёплые облака, окружённые более горячим газом. В межзвёздной среде (МЗС) огромное количество стуктур: гигантские молекулярные облака, отражательные туманности, протопланетные туманности, планетарные туманности, глобулы и т. д. Это приводит к широкому спектру наблюдательных проявлений и процессов, происходящих в среде. Далее списком перечисляются стуктуры, присутствующие в МЗС:
- Корональный газ
- Яркие области HII
- Зоны HII низкой плотности
- Межоблачная среда
- Тёплые области HI
- Мазерные конденсации
- Облака HI
- Гигантские молекулярные облака
- Молекулярные облака
- Глобулы
Чтобы ответить на данный вопрос, надо дать определение: что же такое плазма и по каким параметрам физики считают данное состояние вещества плазмой?
Согласно современным представлениям о плазме, это четвёртое состояние вещества, которое находится в газообразном состоянии, сильно ионизированное (первое состояние - твёрдое тело, второе - жидкое состояние и наконец третье - газообразное). Но не каждый газ, даже ионизированный, является плазмой.
Плазма состоит из заряженных и нейтральных частиц. Положительно заряженными частицами являются положительные ионы и дырки(плазма твёрдого тела), а отрицательно заряженными частицами - электроны и отрицательные ионы. Прежде всего необходимо знать концентрации того или иного сорта частиц. Плазма считается слабо ионизированная, если так называемая степень ионизации, равная
Где - концентрация электронов, - концентрация всех нейтральных частиц в плазме, лежит в диапазоне . А полностью ионизированная плазма имеет степень ионизации
Но как было сказанно выше, что не всякий ионизованный газ представляет собой плазму. Необходимо чтобы плазма обладала свойством квазинейтральности , т.е. в среднем за достаточно большие промежутки времени и на достаточно больших расстояниях плазма была в целом нейтральная. Но каковы эти промежутки времени и расстояния, при котором газ можно считать плазмой?
Итак, требование квазинейтральности следующее:
Давайте сначала выясним, как физики оценивают временной масштаб разделения зарядов. Представим себе, что некоторый электрон в плазме отклонился от своего первоначального равновесного положения в пространстве. На электрон начинает действовать кулоновская сила , стремящаяся вернуть электрон в равновесное состояние, т.е. , где - среднее расстояние между электронами. Это расстояние примерно оценивается следующим образом. Допустим концентрация электронов (т.е. количество электронов в единице объёма) есть . Электроны находятся в среднем на расстоянии друг друга , значит занимают объём в среднем . Отсюда, если в этом объёме 1 электрон, . В результате электрон начнёт колебаться около равновесного положения с частотой
Более точная формула
Эта частота называется электронной ленгмюровской частотой . Её вывел американский химик Ирвин Ленгмюр, лауреат нобелевской премии по химии «за открытия и исследования в области химии поверхностных явлений».
Таким образом естесственно принять за временной масштаб разделения зарядов величину, обратную ленгмюровской частоте
В космосе, в огромных масштабах, за отрезки времени частицы совершают много колебаний около равновесного положения и плазма в целом будет квазинейтральная, т.е. по временным масштабам межзвёздную среду можно принять за плазму.
Но также необходимо оценить и пространственные масштабы, чтобы точно показать, что космос - это плазма. Из физических соображений ясно, что этот пространственный масштаб определяется длиной, на которую может сместится возмущение плотности заряженных частиц вследствие их теплового движения за время, равное периоду плазменных колебаний. Таким образом, пространнственный масштаб равен
где . Откуда взялась эта замечательная формула, спросите Вы. Будем рассуждать так. Электроны в плазме при равновесной температуре термостата постоянно двигаются с кинетической энергией . С другой стороны, из статистической термодинамики известен закон равномерного распределения энергии, и в среднем на каждую частицу приходится . Если сравнять эти две энергии, то мы получим формулу скорости, представленную выше.
Итак, мы получили длину, которую в физике называют электронный дебаевский радиус или длина .
Сейчас я покажу более строгий вывод уравнения Дебая. Опять представим себе N электронов, которые под действием электрического поля смещаются на некоторую величину. При этом образуется слой объёмного заряда с плотностью равной , где - заряд электрона, - концентрация электронов. Из электростатики хорошо известна формула Пуассона
Здесь - диэлектрическая проницаемость среды. С другой стороны электроны двигаются за счёт теплового движения и электроны распределяются согласно распределению Больцмана
Подставим уравнение Больцмана в уравнение Пуассона, получим
Это уравнение Пуассона-Больцмана. Разложим экспоненту в этом уравнении в ряд Тейлора и отбросим величины второго порядка и выше.
Подставим это разложение в уравнение Пуассона-Больцмана и получим
Это и есть уравнение Дебая. Более точное название - уравнение Дебая-Хюккеля. Как мы выяснили выше, в плазме, как в квазинейтральной среде, второе слагаемое в этом уравнении равно нулю. В первом слагаемом мы по сути имеем длину Дебая .
В межзвёздной среде дебаевская длина равна около 10 метров, в межгалактической среде около метров. Мы видим, что это достаточно большие величины, по сравнению, например, с диэлектриками. Это означает, что электрическое поле распространяется без затухания на эти расстояния, распределяя заряды в объёмные заряженные слои, частицы которых колеблются около положений равновесия с частотой, равной ленгмюровской.
Из этой статьи мы узнали две фундаментальные величины, которые определяют является ли космическая среда плазмой, несмотря на то, что плотность этой среды предельно мала и космос в целом является физическим вакуумом в макроскопических масштабах. В локальных масштабах мы имеем как газ, пыль, либо плазму
Теги: Добавить метки
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.
С начала 1990-х годов повышенный интерес у физиков стала вызывать так называемая пылевая плазма, отличающаяся от плазмы обычной присутствием в ней относительно крупных (в сравнении с размерами ионов) микрочастиц-пылинок диаметром от 10 до 100 нанометров. Интерес ученых возник поневоле, поскольку пыль в плазме существенно портила тонкие технологические процессы плазменного травления, применяемые в производстве микрочипов. Углубленное же изучение проблемы показало, что одноименно заряженные микрочастицы, находящиеся в потоке плазмы, вопреки интуиции и законам физики не разлетаются в стороны, а притягиваются друг к другу, образуя крупные комки и загрязняя чистоту обработки.
Более тщательное изучение проблемы - эксперименты на земле и в условиях микрогравитации на борту Международной космической станции, компьютерное моделирование - привело исследователей к выводу о том, что пылевая плазма в плазменных потоках представляет собой совершенно особое состояние вещества. Одна из важнейших особенностей данного состояния - это постоянно идущие в нем сильные процессы диссипации, т.е. энергетических обменов с внешней средой, обеспечивающие образование самоорганизующихся структур. При этом плазменные потоки и электрические поля создают для пыли весьма специфические условия, обеспечивающие притяжение одноименно заряженных пылевых частиц на больших расстояниях. При подходящих условиях естественным следствием этих процессов может становиться образование в плазме устойчивых «пылевых кристаллов».
Эксперименты такого рода в условиях гравитации обычно приводят к формированию плоских кристаллов в виде решетки вихревых конвективных ячеек регулярной структуры. Однако в опытах с компьютерными симуляциями, моделирующими отсутствие силы тяжести, плоский вихрь приобретает цилиндрическую форму, а образующие его пылинки могут самоорганизовываться в структуры одинарной или двойной винтовой спирали. Не заметить сходство с ДНК тут, ясное дело, довольно сложно. И летом 2007 г. в «Новом журнале физики», быстро набравшем популярность и авторитет онлайновом международном издании, была опубликована весьма дискуссионная работа о текущих итогах в изучении плазменно-пылевых кристаллов. Статью подготовили один из патриархов физики плазмы, академик Вадим Н. Цытович, и группа его коллег из институтов России, Германии и Австралии, а итоги ее свелись к выводу об открытии структур, весьма похожих на неорганическую жизнь.
В частности, исследователями установлено, что определенные условия среды, повсеместно обнаруживаемые в космосе, могут приводить к самообразованию спиралевидных структур из частиц пылевой плазмы. При этом в некоторых из таких структур отмечены так называемые бифуркации радиуса, т.е. резко изменяющиеся переходы от одного радиуса винта к другому и обратно, что предоставляет механизм для хранения информации в терминах длины и радиуса секций спирали. Более того, в некоторых компьютерных симуляциях спираль разделялась на две, эффективно воспроизводя саму себя. В других экспериментах две спирали вызывали структурные изменения друг в друге, а некоторые спирали даже демонстрировали эволюцию, с течением времени преобразуясь в более устойчивые структуры…
