Индийские физики получили плазменный «фаербол»

Индийские физики пронаблюдали возникновение шаровидного образования в плазме тлеющего разряда при создании магнитного поля в прикатодной области. При этом плотность плазмы и интенсивность свечения «огненного шара» увеличивались с увеличением внешнего магнитного поля. Научная статья опубликована в журнале Physics of Plasmas, кратко о ней рассказывается в пресс-релизе на портале EurekAlert.org

Как известно, при любых воздействиях на плазму, приводящих к нарушению локального термодинамического равновесия — например, при размещении части плазмы в электрическом поле, — наблюдается возникновение сложных структур, обладающих пространственным зарядом, например плазменных пузырей. Подобные сложные структуры приводят к возникновению различных неустойчивостей в плазме, и, как следствие, к возникновению нелинейных плазменных колебаний.

Исследования нелинейной динамики плазмы в присутствии магнитного поля, в частности в поле магнитного диполя (такого как постоянный полосовой магнит), представляют большой интерес. Они имеют значение для понимания процессов, протекающих в плазме магнетронного и тлеющего разрядов, а также в космической плазме, так как большинство астрономических объектов, таких как звезды или планеты, создают магнитные поля, эквивалентные полю полосового магнита. Кроме того изучение движения плазмы в поле магнитных диполей интересно с точки зрения создания магнитных ловушек для разработки технологий управляемого термоядерного синтеза.

Экспериментальная установка, в которой удалось пронаблюдать «огненный шар», состояла из цилиндрического катода и проволочного анода, помещенных в вакуумную камеру, заполненную аргоном. В камере зажигался газовый разряд. Магнитное поле в области катода создавалось с помощью полосового магнита, размещенного с внешней стороны плазменной камеры. Величина магнитного поля варьировалась путем изменения расстояния между магнитом и поверхностью катода.

В результате приложения внешнего магнитного поля, вблизи поверхности катода возникала шаровидная светящаяся структура. Возникновение такой структуры можно объяснить следующим образом. Электроны, вылетающие с поверхности катода, начинают двигаться вдоль линий магнитного поля и ускоряются электрическим полем при движении в катодной области пространственного заряда. Далее, разогнанные электроны, сталкиваясь с атомами аргона, ионизуют их, тем самым, увеличивая плотность плазмы в прикатодной области. Отражаясь от поверхности катода, электроны могут неоднократно проходить область магнитного поля, что увеличивает количество актов ионизации и приводит к возникновению области неустойчивости вблизи поверхности катода.  

При этом наблюдалось изменение распределения поля в прикатодной области. Известно, что потенциал в катодной области тлеющего разряда монотонно возрастает, однако при возникновении «огненного шара» потенциал в катодной области имеет точку минимума. Такое распределение потенциала служит ловушкой для ионов, колебания которых приводят к возникновению флуктуаций плавающего потенциала.

Анализ флуктуаций плавающего потенциала при постоянных напряжении пробоя и давлении, показал, что при увеличении магнитного поля, система постепенно переходит из упорядоченного состояния к хаотическому. Что свидетельствует о том, что возникающий «огненный шар» меняет динамику системы. Параметры плазмы локальной шаровой структуры и окружающей плазмы разряда различаются, и, следовательно, колебания в этих двух областях также могут различаться. Взаимодействие колебаний плазмы в указанных двух областях приводит к возникновению нелинейностей. До возникновения «огненного шара» система находится в упорядоченном состоянии, а после - в хаотическом. В дальнейшем исследователи планируют поставить эксперимент с большим числом полосовых магнитов и понять их влияние на динамику плазмы.

Ранее мы рассказывали о том, как электрический разряд научили обходить препятствия, о роли космической пыли в сбоях работы спутников, а также как ракеты помогли получить рекордно подробные снимки движения грома.

Александр Войтюк