В плазме могут возникать (например, в результате конденсации) или искусственно в нее вводиться макроскопические частицы; обычно такую плазму называют аэрозольной, пылевой, гетерогенной или плазмой с конденсированной дисперсной фазой. Эти частицы, в свою очередь, способны заряжаться потоками электронов и ионов, а также за счет фото- или термоэмиссии электронов. Эмиссия электронов с поверхности частиц заставляет последние заряжаться положительно, при этом концентрация электронов в разряде повышается. Если же частицы захватывают электроны, то их заряд становится отрицательным, а концентрация электронов в плазме снижается.
Особенность плазмы с дисперсными частицами состоит в том, что благодаря относительно большим размерам частиц (от сотых долей до нескольких десятков мкм) их заряд Zp также может достигать чрезвычайно больших величин - порядка 102 - 105 e (e - заряд электрона). В результате средняя кулоновская энергия взаимодействия частиц друг с другом, которая пропорциональна Zp2, может намного превосходить их среднюю тепловую энергию. Плазма в таких условиях становится сильно неидеальной. Теоретические расчеты равновесных свойств такой плазмы показывают, что в ней благодаря заметной межчастичной корреляции возможны фазовые переходы типа газ - жидкость - твердое тело. При определенных условиях расположение дисперсных частиц становится пространственно упорядоченным - аналогично структурам в жидкости или твердом теле. А поскольку достаточно большие частицы эффективно рассеивают свет даже при малой концентрации, изучение характера их упорядочения возможно с помощью различных оптических средств.
Так, недавно в высокочастотном разряде в газе с отрицательно заряженными частицами было обнаружено образование упорядоченных структур, получивших название плазменного кристалла. В типичных экспериментах, проведенных учеными Германии, США и Тайваня, в плазму вводились пылевые частицы с зарядом около 104 e причем достигалось равновесие между гравитационными и электростатическими силами.
Начиная с 1995 г. в Научно-исследовательском центре теплофизики импульсных воздействий был проведен под руководством В.Е.Фортова и А.П.Нефедова цикл экспериментов по изучению упорядоченных структур в плазме, поддерживаемой постоянным током при низком давлении. Изучался также характер структур, формирующихся при различных механизмах зарядки частиц (посредством термо- и фотоэмиссии).
В плазме с положительно заряженными частицами микронных размеров при термоэмиссионном механизме их зарядки эксперимент показал слабое упорядочение (типа жидкости), если давление было атмосферным, а температура около 1700 К. При низком давлении, ниже 1 Торр (1 Торр = 1 мм рт. ст.), т.е. в условиях тлеющего разряда, наблюдались квазикристаллические структуры дисперсных частиц. Из-за действия поля тяжести Земли упорядочение происходило в горизонтальной плоскости, а по вертикали частицы выстраивались в цепочки. Варьируя параметры плазмы, можно было изменять форму облака частиц в вертикальной плоскости.
Частицы способны приобретать положительный заряд и под воздействием интенсивного УФ-излучения, также образуя в определенных условиях квазикристаллические структуры. Эксперименты с пылевой плазмой, индуцированной УФ-излучением в условиях "компенсации" сил тяжести, позволяют моделировать естественные процессы образования плазменных кристаллов в космосе, где интенсивность УФ-излучения высока. Кроме того, в условиях подавленной гравитации может образовываться трехмерный кристалл, не деформированный силой тяжести. В таких исследованиях может быть лучше понят характер взаимодействия частиц с учетом их возможного притяжения на больших расстояниях и, как следствие, формирования плазменного кристалла со свободными границами.
Все это послужило основанием для постановки космического эксперимента "Плазменный кристалл" на орбитальном комплексе "Мир". Результаты, полученные в ходе двух этапов (январь и июль - август 1998 г.), еще продолжают детально анализироваться, но уже сейчас ясно, что в верхних слоях атмосферы при воздействии интенсивного солнечного излучения исследуемые частицы заряжались путем фотоэмиссии и приобретали положительные заряды порядка 104 e. Экспериментальные данные позволили также сделать вывод: в условиях ослабленной гравитации частицы формируют слабокоррелированные жидкостные структуры.
Источник: http://www.accessnet.ru/vivovoco/VV/NEWS/PRIRODA/1999/PR_02_99.HTM
