В последнее время повышенный интерес к изучению свойств пылевой плазмы связан с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также производства тонких пленок и наночастиц. Наличие частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности полупроводниковых микросхем, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Уменьшение или предотвращение, а также управление этими негативными эффектами, невозможно без понимания процессов образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме, механизма их переноса и влияния на свойства разряда.

Плазма - самое распространенное состояние вещества в природе: 95% материи во Вселенной находится в плазменном состоянии. Сфера применения плазменных технологий настолько обширна, что вряд ли найдется человек, который никогда не слышал о них. Так, высокотемпературная (десятки и сотни миллионов градусов) плазма является топливом, дающим энергию звездам, а в недалеком будущем и термоядерным электростанциям. В электроразрядных лампах и плазменных панелях плазма используется в качестве источника света и цветного телевизионного изображения. В плазменных реакторах потоки плазмы используются для производства микросхем, упрочнения металлов и очистки поверхностей. Физика плазмы - активно развивающаяся область науки, в которой по сей день совершаются удивительные открытия, наблюдаются необычные явления, требующие своего объяснения, или экспериментально подтверждаются теоретические предсказания. Одно из таких необычных явлений в низкотемпературной плазме - образовании «плазменного кристалла», то есть пространственно-упорядоченной структуры из мелкодисперсных частиц (пыли). В декабре 2002 года Германское научное общество им. Макса Планка присудило престижную международную премию российскому ученому, академику Владимиру Фортову за выдающийся вклад в исследования в области физики экстремально высоких давлений и температур и исследования пылевой плазмы. Евгений Фортов уверен, что эта премия - признание заслуг большого научного коллектива, признание успехов всей российской науки. -Конечно, это приятно, когда твою работу, работу твоих коллег и, в конечном счете, работу ученых нашей страны так высоко оценивают, - сказал академик во время церемонии награждения 11 декабря 2002 года в Берлине, - Сегодня наша наука находится в крайне тяжелом состоянии. Но все равно наши ученые, работая в стране и осуществляя широкое сотрудничество, получают очень приличные результаты во многих сферах.Что такое пылевая плазма?Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий частицы конденсированного вещества, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов (например, в результате эрозии электродов и стенок разрядных камер, вырастания из самой плазмы), либо вводятся в плазму извне. Нагретые до высокой температуры, частицы испускают (эмитируют) электроны, повышая их концентрацию в плазме, сами при этом заряжаются положительно. Холодные частицы, наоборот, поглощают электроны из плазмы, заряжаются отрицательно и уменьшают концентрацию свободных электронов.

Плазменный кристалл Благодаря относительно большим размерам пылевых частиц (от долей микрона до нескольких десятков и сотен микрон), их заряд может иметь чрезвычайно большую величину - превышать элементарный заряд 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, что означает возникновение сильнонеидеальной плазмы. Теоретические расчеты равновесных свойств такой плазмы показывают, что при определенных условиях сильное электростатическое взаимодействие частиц и малая энергия их теплового движения приводят к возникновению пространственно-упорядоченных структур в расположении частиц, аналогичных структурам в жидкости или твердом теле и к переходам между ними, аналогичным фазовым переходам типа плавления и испарения. Поскольку макрочастицы достаточно велики, они могут фиксироваться по отдельности видеокамерой и даже наблюдаться невооруженным глазом. Такие кристаллические структуры, сформированные заряженными макрочастицами в плазме, получили название кулоновского или плазменного кристалла .

В лабораторных условиях пылевая плазма была впервые обнаружена Лэнгмюром ещё в 1920-х гг. Однако её активное исследование началось лишь в последние десятилетия в связи с рядом приложений, таких как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика рабочего тела магнитогидродинамических генераторов на твердом топливе, физика пылегазовых облаков в атмосфере, а также микроэлектроника. Пылевая плазма также широко распространена в космосе: в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках. Она обнаружена вблизи искусственных спутников Земли и в пристеночной области термоядерных установок с магнитным удержанием.

Упорядоченные структуры в термической плазме...В Институте теплофизики экстремальных состояний РАН (ИТЭС РАН) изучение пылевой плазмы и создание разнообразных методов ее диагностики ведется с 1991 г. Исследовалась пылевая плазма с различными механизмами зарядки частиц: термическая, газоразрядная плазма тлеющего и высокочастотного разрядов, фотоэмиссионная и ядерно-возбуждаемая плазма.

В ранних экспериментах кристаллические структуры наблюдались в системе заряженных частиц железа и алюминия микронных размеров, удерживаемых переменным и статическим электрическими полями. В более поздних работах (1994 г.) описывались наблюдения кулоновской кристаллизации макрочастиц в слабоионизованной плазме высокочастотного (ВЧ) 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). В большинстве случаев заряд пылевой частицы оказывается отрицательным. Это связано с тем, что на нейтральную пылевую частицу направлены потоки электронов и ионов из плазмы. Вследствие более высокой подвижности электронов, их поток значительно превышает поток ионов и частица начинает заряжаться отрицательно. Появляющийся у частицы отрицательный заряд приводит к отталкиванию электронов и притяжению ионов. Заряд частицы меняется до тех пор, пока не сравняются потоки электронов и ионов на ее поверхность. Таким образом, в экспериментах с ВЧ-разрядом заряд пылевых частиц был отрицательным и довольно большим (порядка 104 - 105 электронных зарядов). Облако заряженных пылевых частиц зависало вблизи твердой поверхности (электрода), где 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 микрон.

В опытах были получены данные о концентрации положительных ионов и электронов (от 109 до 1011 см'3), температуре, а также среднем диаметре и концентрации макрочастиц. Пространственные структуры макрочастиц анализировались при помощи лазерного излучения, дающего бинарную корреляционную функцию g(r), смысл которой состоит в следующем. Если зафиксировать расположение в пространстве одной из частиц, то бинарная функция характеризует вероятность нахождения любой другой частицы на расстоянии r от данной и, тем самым, пространственное расположение частиц - хаотическое или упорядоченное, характерное для жидкостных и кристаллических структур.

Термическая плазма, образующаяся в пламени газовой горелки при атмосферном давлении, имеет температуру от 1700 до 2200 К, причем температуры электронов, ионов и нейтралов в ней равны. В потоке такой плазмы изучалось поведение находящихся во взвешенном состоянии частиц диоксида церия (СеО₃), особенностью которого является низкая работа выхода электронов с его поверхности (~2.75 эВ). Поэтому пылевые частицы заряжались как потоками электронов и ионов из плазмы, так и за счет термоэлектронной эмиссии, приводящей к положительному заряду частиц.

Частицы подсвечиваются в горизонтальной или вертикальной плоскости лазерным лучом и наблюдаются видеокамерой. Отдельные частицы можно видеть также невооруженным глазом. Процесс формирования структуры выглядит следующим образом:

... и тлеющем разрядеВ противоположность термической плазма тлеющего газового разряда - неизотермическая, в ней электронная температура много больше ионной. Эксперименты проводились с тлеющим разрядом постоянного тока в неоне, при давлении газа от долей Торр до нескольких Торр и разрядных токах от долей миллиампера до нескольких миллиампер. Осуществлялось наблюдение за структурами пылевых частиц в положительном столбе тлеющего разряда со стоячими стратами - неподвижными зонами неравномерной светимости, регулярно чередующимися с темными промежутками. Концентрация электронов, их распределение по энергиям, а также электрическое поле сильно неоднородны по длине страты. Стенки разрядной трубки заряжены до нескольких вольт. Таким образом, в голове каждой страты имеется электростатическая ловушка, которая при вертикальном положении разрядной трубки способна удержать мелкодисперсные частицы в области положительного столба разряда, а сильное радиальное поле препятствует их попаданию на стенки разрядной трубки.

В центре страты1 частицы образовывали облако диаметром от единиц до десятков мм. Частицы располагались в горизонтальных слоях, образуя гексагональные структуры. Расстояния между слоями составляли от 250 до 400 мкм, расстояния между частицами в горизонтальной плоскости - от 350 до 600 мкм.

после высыпания из контейнера в разряд микронные частицы заряжаются в плазме, проскакивают положение равновесия, а затем в течение нескольких секунд "всплывают" и выстраиваются в структуру, сохраняющуюся сколь угодно долго при неизменных параметрах разряда. В положительный столб разряда вводились частицы нескольких типов - это полые микросферы из боросиликатного стекла, полидисперсные частицы А2О3 и монодисперсные частицы меламинформальдегида различных диаметров от микрона до сотни микрон.

Весьма интересны эксперименты с несферическими частицами - нейлоновыми цилиндрами длиной от 200 до 300 мкм и диаметром до 15 мкм. В плазме тлеющего разряда постоянного тока удалось получить структуру аналогичную “жидкому” кристаллу, широко применяемому для производства дисплеев.

Варьированием параметров разряда (давления и тока) можно было изменять форму облака частиц. При изменении тока можно наблюдать переход из кристаллического состояния в жидкость ("плавление" кристалла) и затем в газ.

Все это послужило основанием для постановки космического эксперимента "Плазменный кристалл" в условиях микрогравитации на российском орбитальном комплексе (ОК) "Мир", в рамках которого предполагалось изучить образование упорядоченных плазменно-пылевых структур в верхних слоях атмосферы Земли при фотоэмиссионной зарядке частиц солнечным излучением. Впервые такие эксперименты были проведены в январе 1998 г. на ОК "Мир" космонавтами А.Я. Соловьевым и П.В. Виноградовым. Одним из постановщиков эксперимента, совместно с РКК "Энергия", был ИТЭС РАН.

Пылевая плазма в космосеВ условиях микрогравитации эксперименты с пылевой плазмой, например, индуцированной ультрафиолетовым излучением, открывают область изучения естественного образования пылевой плазмы в космосе, так как одним из механизмов зарядки пылевых частиц в условиях космического пространства при наличии интенсивных потоков ультрафиолетового излучения является фотоэмиссия, при этом образуется плазма с положительно заряженными частицами. Такие исследования могут пролить свет как на механизм взаимодействия макрочастиц, так и на возможность существования плазменного кристалла со свободными границами. Изучение процессов формирования упорядоченных структур макрочастиц в таких условиях позволяет получить новые данные, которые невозможно получить в лабораторных условиях на Земле.

Эксперимент проводился следующим образом: вначале встряхивание системы и затем релаксация частиц (возвращение к исходному состоянию) - уход частиц на стенки. Наблюдения частиц показали, что вначале они движутся хаотически, а в дальнейшем обычно появляется направленное движение.

Космический эксперимент проводился со стеклянными ампулами, заполненными неоном, в которых находились сферические частицы бронзы с цезиевым покрытием при различных давлениях - 0.01 Торр и 40 Торр. Перед проведением эксперимента ампула устанавливалась возле иллюминатора станции "Мир". Частицы освещались плоским лазерным пучком - "лазерным ножом", с шириной не более 200 мкм и регистрировались видеокамерой.

Анализируя динамическое поведение макрочастиц, можно было оценить величину их заряда (~ 104 е). Однако сильную пространственную упорядоченность обнаружить пока не удалось - частицы образовывали только жидкостную структуру.

Еще один интересный факт - образование агломератов, количество частиц в которых варьируется от 3 - 4 до нескольких сотен. Основная часть агломератов образуется в объеме колбы в течение нескольких секунд после встряхивания. Под действием излучения Солнца агломераты распадались. Агломерация частиц 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.

Основным элементом аппаратуры является вакуумная плазменная камера, состоящая из двух стальных квадратных пластин и стеклянной вставки квадратного сечения. На одной из пластин предусмотрен вакуумный порт для подключения вакуумной системы, наполнения камеры газом и поддержания заданного давления. На каждой из пластин смонтированы дисковые электроды для создания высокочастотного (ВЧ) разряда. В электроды вмонтированы устройства для инжекции пылевых частиц в плазму. На электроды подается переменное напряжение высокой частоты (13,56 МГц). Величиной напряжения и, тем самым, мощностью, вкладываемой в разряд, можно управлять в широких пределах. В ходе экспериментов напряжения, прикладываемые к ВЧ электродам, составляли от 10 до 50 В. Предусмотрена также возможность измерения ионного тока на электрод, который позволяет контролировать наличие разряда и его свойства.

В начале 1998 г. было принято решение о проведении совместного российско-германского эксперимента “Плазменный кристалл” на борту Российского сегмента Международной космической станции (PC MKC) в соответствии с Программой научных исследований Росавиакосмоса. Постановка и подготовка эксперимента осуществлялась ИТЭС РАН с участием Института внеземной физики (Германия) и Ракетно-космической корпорации “Энергия”. Эксперимент поддерживался Германским космическим агентством (DLR) и Министерством промышленности, науки и технологий Российской Федерации. Подготовка космонавтов к работе с экспериментальным оборудованием осуществлялась постановщиками эксперимента при участии Центра подготовки космонавтов им. Ю.А. Гагарина.

В рабочем режиме аппаратура “Плазменный кристалл-3” была подключена к телевизионной системе, включая бортовой видеомонитор, системе приема-передачи видео и цифровой информации “Лира” через наземные измерительные пункты, системе обеспечения газового состава для откачки экспериментальной камеры с использованием забортного вакуума, системе электропитания.

Вся оптическая система, включая две ПЗС камеры и два полупроводниковых лазера для подсветки облака частиц, смонтирована на подвижной плите, которую можно перемещать вдоль оси ПЗС камер при помощи шагового двигателя, сканируя, тем самым, плазменно-пылевую структуру.

Эксперименты выполнялись космонавтами в соответствии с программой экспериментов, радиограммами с Земли и переговорами с постановщиками, находившимися в Центре управления полетами (ЦУП), во время сеансов радиосвязи. Часть экспериментов контролировалась с Земли в режиме реального времени, когда был возможен сброс видеоинформации в ЦУП через бортовую ТВС и наземные измерительные пункты.

Были разработаны и изготовлены два комплекта аппаратуры: технологический (он же тренировочный) и полетный. После изготовления аппаратуры, ее различных испытаний и предполетной подготовки на Байконуре летный комплект был доставлен на служебный модуль (СМ) Российского сегмента МКС транспортным кораблем “Прогресс М-3” в феврале 2001 г.

В ходе экспериментов было обнаружено, что начиная с некоторого значения напряженности электрического поля создаются условия для формирования плазменно-пылевой структуры. Впервые обнаружено формирование трехмерных упорядоченных сильнозаряженных частиц микронного размера с большим параметром неидеальности - трехмерного плазменного кристалла с гранецентрированной и объемно-центрированной решетками. В периферийной зоне обнаружены вихревые движения заряженных частиц, заметно отличающиеся от вихревых неустойчивостей в лабораторной пылевой плазме на Земле.

После вакуумирования экспериментальной камеры в течение 12 часов 3 марта 2001 г. был выполнен первый базовый эксперимент с монодисперсными частицами из меламинформальдегида В последующем эксперименты проводились как с монодисперсными частицами разного размера, так и их смесью. 2 - 4 мая 2001 г. космонавты первой экспедиции посещения МКС Ю. Батурин и Т. Мусабаев продолжили эксперименты по программе “Плазменный кристалл”.

Эксперименты проводились при двух (кольцевой и плоской) конфигурациях индукторов, возбуждающих разряд, и с различными типами частиц - монодисперсными и полидисперсными. Система наблюдения частиц включала диодный лазер и видеокамеру.

Кристалл в ВЧ индукционном разрядеВ отличие от высокочастотного емкостного разряда и стратифицированного тлеющего разряда, высокочастотный (ВЧ) индукционный - это разряд безэлектродного типа. Это обстоятельство весьма привлекательно, поскольку дает возможность получать и исследовать плазменные образования различной конфигурации и протяженности. В этом разряде в области между однородной квазинейтральной плазмой и ограничивающей ее стенкой или нейтральным газом, окружающим ее, можно было ожидать левитации как отдельных заряженных макрочастиц, так и их ансамблей.

*

В экспериментах с кольцевым электродом разряд возбуждался в цилиндрических стеклянных трубках. Над плазменным образованием зависало большое число частиц. В зависимости от давления и вкладываемой мощности наблюдались либо устойчивые структуры, либо структуры с колеблющимися частицами, либо структуры с регулярными (типа конвективных) потоками частиц. При использовании плоского электрода разряд зажигался в цилиндрической колбе, наполненной неоном. При давлении более 100 Па частицы зависали над дном колбы и образовывали упорядоченную структуру. Функция распределения позволяет заключить, что получена кристаллическая структура - "плазменный кристалл".

Структуры макрочастиц в плазме могут быть хорошим инструментом и для прикладных задач, связанных с микроэлектроникой, в частности с удалением частиц при производстве микросхем, с моделированием малого кристалла (нанокристалла) при плазменном напылении, с синтезом на-ночастиц, с сепарацией частиц по размерам, с разработкой новых источников света (газоразрядных ламп), с созданием электрических батарей и лазеров, рабочим телом в которых является аэрозоль частиц из радиоактивного вещества.

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 инструментом как при исследовании свойств сильно неидеальной плазмы, так и при исследовании фундаментальных свойств кристаллов (анализ дислокации и дефектов решетки, термодинамика решетки с дефектами и при их отсутствии, взаимодействие с лазерным излучением, колебания и волны в упорядоченных структурах, резонансные явления). Результаты таких исследований могут быть использованы для моделирования реальных атомарных или молекулярных кристаллов.

Академик В.Е. ФОРТОВСправкаВладимир Евгеньевич Фортов - выпускник Московского физико-технического института (1968 г.) В 1971 - 1986 гг. работал в Институте химической физики АН СССР. В 1987 г. был избран членом Российской академии наук по Отделению физико-технических проблем энергетики и был самым молодым академиком страны.

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.

▲ 1Обычно наблюдается одновременно несколько облаков частиц в соседних стратах.

С 1986 г. по 1993 г. - заведующий отделом Института высоких температур АН СССР (ИВТАН), затем директор Научно-исследовательского центра теплофизики импульсных воздействий научного объединения "ИВТАН". С 1993 г. по 1997 г. - председатель Российского фонда фундаментальных исследований. С октября 1996 г. - вице-президент Российской академии наук. С августа 1996 г. по март 1997 г. - заместитель председателя правительства РФ - председатель Государственного комитета Российской Федерации по науке и технологиям, с марта 1997 г. - по апрель 1998 г. - министр науки и технологий Российской Федерации. В настоящее время - Председатель совета РАН "Высокопроизводительные вычислительные системы и их применение", Академик-секретарь отделения энергетики РАН, директор объединенного института высоких температур РАН. Последние пять лет возглавляет Комиссию по делам ЮНЕСКО.