Плазма в высокочастотном разряде
Добро пожаловать в Большой музей!
Здесь музеи рассказывают о себе по-новому. Знакомьтесь с экспонатами, читайте истории о связанных с ними людях и событиях, изучайте важные понятия. Мы приводим вас к музеям, а музеи к вам.
search

Россия делает сама

Плазма в высокочастотном разряде

Установка по изучению плазмы в экспозиции Политехнического музея «Россия делает сама»

Россия делает сама

Плазма в высокочастотном разряде

Установка по изучению плазмы в экспозиции Политехнического музея «Россия делает сама»

Page 1 Copy

flickr.com/Kim Paulin

На подставке стоит черный куб с круглыми стеклянными окошками, похожий на водолазный шлем. Внутри – небольшой столик, а на столике пульсирует неяркое кольцо пламени, наполняющее куб розовым светом. Так выглядит экспонат Политехнического музея «Плазма в высокочастотном разряде» – действующая модель установок по изучению так называемой пылевой плазмы. О том, что этот экспонат может рассказать об образовании звезд, северном сиянии и микрочипах, мы поговорили с его создателями, Сергеем Тимофеевым и Артемом Парамоновым.

Page 1 Copy

Экспонат «Плазма в высокочастотном разряде» в экспозиции «Россия делает сама»

Политехнический музей

Что это такое и как оно работает?

В основе экспоната «Плазма в высокочастотном разряде» – вакуумная камера: крепкий металлический корпус со стеклянными иллюминаторами, из которого откачивается практически весь воздух. Давление внутри корпуса после откачки составляет примерно одну десятитысячную от атмосферного. Казалось бы, с нашей точки зрения – полная пустота, вакуум. Но на самом деле там все еще остается достаточно воздуха для образования плазмы.

Плазма – это ионизированный газ, то есть газ, некоторые молекулы которого утратили стабильность, потеряли часть электронов и стали ионами: частицами, у которых суммарный заряд не равен нулю. Наиболее частый в обиходе пример плазмы – это огонь; другой пример – молния.


Для образования плазмы нужно, чтобы были выполнены два условия.


Во-первых, количество молекул газа на единицу объема должно быть больше определенного порога. В полном вакууме плазма образоваться не может.


Во-вторых, ионизация газа требует значительного количества энергии. Поэтому так трудно разжечь костер в мокрую холодную погоду.

Из-за наличия некоторого количества воздуха в камере даже после откачки (первое условие) мы можем создать там плазменный разряд, подавая на специальные электроды ток достаточной частоты и интенсивности (второе условие). Одновременно мы создаем в камере линейное магнитное поле (зачем – подробно объясним ниже).

При этом возникает свечение в форме кольца, которое можно наблюдать сквозь иллюминаторы.

Page 1 Copy

Разряд в плазменной лампе

flickr.com/Joel Kramer

Хорошо, и зачем это нужно?

Во-первых, «Плазма в высокочастотном разряде» – это модель важных природных явлений: северного сияния и пылевой плазмы, особого состояния, в котором, как выяснилось в последние десятилетия, находится большая часть космоса.


Во-вторых, исследования плазмы в высокочастотном разряде очень важны для создания термоядерных реакторов.


В-третьих, они имеют большое прикладное значение – такие же условия, как в этой установке, возникают при изготовлении микрочипов.


Что самое важное, с помощью «Плазмы в высокочастотном разряде» все эти явления можно реально исследовать – это не макет, а полноценно работающее устройство, хотя и сильно упрощенное для музейных нужд.

Page 1 Copy

Газовое облако туманности Лагуна

Wikimedia Commons

При чем здесь северное сияние?

Между плазмой высокочастотного разряда и северным сиянием есть глубокая связь. Чтобы объяснить, в чем она заключается, нужно вернуться к тому, зачем в экспонате понадобилось линейное магнитное поле.


Известно, что плазма очень активно взаимодействует с любым магнитным полем.


Дело в том, что в плазме почти всегда присутствуют не только ионы, но и свободные электроны. Но свободный электрон можно рассматривать как электрический ток, а электрический ток, как известно, реагирует на магнитное поле.


Соответственно, в присутствии магнитного поля электрон будет накручиваться на силовые линии поля, и это будет увеличивать его энергию.


Поэтому чем сильнее магнитное поле, тем чаще электрон будет, ударяясь в атомы и молекулы, ионизировать их. Соответственно, там, где магнитное поле сильнее (например, на полюсах магнита), там свечение плазмы будет гораздо ярче.


Именно так устроено полярное сияние. Землю можно рассматривать как большой магнит (на этом основана работа компаса), с которым взаимодействует идущий от Солнца поток ионизированных частиц – солнечный ветер. По сути, это та же плазма.


А на полюсах Земли, как и на полюсах любого магнита, магнитное поле существенно сильнее, чем в других местах. В результате возникают условия, при которых плазма Солнца становится достаточно яркой, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом.

Page 1 Copy

Северное сияние в Исландии

Wikimedia Commons

В нашей установке тоже есть и плазма, и магнитное поле, с которым она взаимодействует. Можно поэтому сказать, что «Плазма в высокочастотном разряде» – это модель полярного сияния. Только вместо Земли здесь – искусственные магниты, а вместо солнечного ветра – ионизированный воздух.


Но если магнитное поле Земли придает полярному сиянию непредсказуемый вид, в экспонате за счет действия магнитов плазма имеет стабильную форму – форму кольца. Такая форма плазмы – следствие сочетания цилиндрической формы камеры и линейного магнитного поля.

А что будет, если отключить магниты?

При выключенных магнитах плазма в экспонате имеет вид сферы, полусферы или вложенных друг в друга сфер – так называемых страт. Это важное понятие в физике плазмы.


Страты – это области, в которых электроны набирают достаточно энергии, чтобы ионизировать какой-нибудь атом. А между ними находятся зоны, в которых электроны уже потратили энергию на ионизацию предыдущей страты и еще не набрали новую. В этих зонах свечения не образуется. В результате, получается несколько чередующихся сфер, вложенных друг в друга – светящаяся, темная, светящаяся, темная, и так далее.


Плазменные страты и перемежающие их темные области без плазмы очень хорошо видны в старых лампах дневного света (в виде темных полос, которые иногда движутся). Там они, правда, не сферические – из-за вытянутой формы ламп.

Хорошо, с северным сиянием понятно. Что такое пылевая плазма?

Пылевая плазма – это, на самом деле, то, в каком состоянии находится большая часть вселенной. Условия, которые существуют на Земле – исключение из правил. Все межзвездное пространство, окружение нашей планеты и любой планеты, где есть хоть какая-то атмосфера – это пылевая плазма.


Что такое пылевая плазма? Это обычная плазма, в которой, кроме микроскопических частиц, находятся какие-то крупные, макроскопические частицы – пылинки, грязь, все, что угодно. Их атомы, как и атомы плазмы, под действием падающих на них ионов и электронов приобретают электрический заряд. В результате, эти частицы тоже взаимодействуют и с электрическими полями, и с магнитными полями, и с самой плазмой.


Получается очень сложная штука, казалось бы, совершенно непредсказуемая – там и пылинки, и ионы, и электроны, все разного размера, все взаимодействует как попало, просчитать поведение каждой отдельной частицы абсолютно невозможно. Но самое поразительное, что при определенных условиях (и как раз такие созданы в нашем экспонате) эта непредсказуемая пылевая плазма образует регулярные, упорядоченные структуры. Обычно получается что-то вроде кристаллических решеток.


В экспонате можно увидеть, как выстраиваются пылинки, невооруженным глазом – достаточно посветить внутрь лазерной указкой. Пылинки могут со временем перемещаться относительно друг друга или «плыть», но структура сохраняется.


Образование этой структуры происходит за счет того, что у всех частиц есть одноименный электрический заряд. Если бы они имели разноименные заряды, то притягивались бы – такие эффекты в пылевой плазме тоже бывают. Но при определенных зарядах пылинок силы отталкивания удерживают частицы на некотором расстоянии друг от друга, и образуется решетка.

Все это имеет какое-то прикладное значение?

Да. Все явления, которые показываются в этой камере – это те эффекты, которые наблюдаются в промышленных установках, использующих плазму.


Например, давно существуют так называемые установки плазменного травления. Они нужны для того, чтобы изменить поверхность некоего материала – например, нанести слой одного металла на поверхность другого. При этом речь идет об очень маленьких масштабах – о микронах, о нескольких сотнях атомных слоев. Такие установки используются, например, для производства электронных микросхем.

Но в какой-то момент операторы установок плазменного травления стали обнаруживать, что при определенных условиях процент брака оказывается гораздо больше ожидаемого.


Камера идеально чистая, разряд горит как надо, плазма «съедает» какую-то часть материала по трафарету, на чипе получается новая электронная схема – казалось бы, все чисто. Вынимают заготовки, а на них осела пыль – чип получился бракованный.


Откуда же она взялась? Ведь весь воздух предварительно откачали. Стали светить в камеру лазером и обнаружили, что она заполнена пылью, причем движущейся не как попало, а упорядоченно.


Это, на самом деле, большая проблема, однозначно хорошего решения нет, и люди из плазменной промышленности всегда с большим интересом обсуждают ее и делятся опытом.


Бывало даже такое, что прямо в тот момент, когда сотрудники музея меняли комплектующие в установке, подходил какой-нибудь человек, внимательно смотрел и потом задавал очень прямой, конкретный технический вопрос.


Причем он даже не видел название экспоната, подошел с другой стороны, только глянул – и вдруг говорит: «Что это у вас тут, пылевая плазма, да? Очень интересно! А насос какой стоит?» Тут становится ясно, что он по роду своей деятельности связан с этим.


Последний такой разговор был с сотрудником одной фирмы в Москве, занимающейся напылением тонких проводящих металлических пленок на стеклянные подложки. Например, они делают различные фильтры на оптику, сенсорные дисплеи, селективные зеркала, и так далее. И вот им пылевая плазма очень мешает.


А в экспонате «Плазма в высокочастотном разряде» возникают аналогичные эффекты на стеклянных иллюминаторах – в них вплавляется масло от насоса, поэтому иллюминаторы приходится постоянно менять. Так что нашлось, о чем поговорить.

А еще пылевая плазма как-то связана с исследованиями космоса?

Да. Прикладными исследованиями изучение пылевой плазмы не ограничилось – из борьбы за чистоту микрочипов постепенно возникло важное направление в теоретической физике плазмы.


Так, оказалось, что пылевая плазма присутствует в большей части космоса, но ученые этого не замечали, потому что не искали в нужном направлении.


Уже после открытия пылевой плазмы в установках плазменного травления астрономы начали рассматривать большие пылевые облака в луче мощных источников света – допустим, пульсаров или сверхновых. И обнаружилось, что фотоны при движении через эти пылевые облака как будто проходят через какую-то структуру, похожую на те же кристаллические решетки. Так что, видимо, пылевые облака в большой степени состоят из упорядоченной пылевой плазмы, причем этот порядок, скорее всего, вызывает образование больших комков пыли, а из них – планет, звезд и так далее.

Page 1 Copy

Пылевое облако в отражающей туманности Мессье 78. Ярко-оранжевые области – зоны образования новых звезд

Wikimedia Commons

Сейчас исследования пылевой плазмы – это очень большая и важная область науки, вплоть до того, что на МКС отправляли установки, подобные этой, только туда пыль вбрасывали специально, а здесь она образуется сама.


Обычно научно-технические музеи с осторожностью относятся к таким инновационным экспонатам, потому что они трудны в эксплуатации, капризны. А в Политехническом музее удалось построить экспонат, который фактически можно использовать как экспериментальную установку.

Page 1 Copy

flickr.com/Kim Paulin