Отдел физических проблем квантовой электроники

  НИИ Ядерной физики МГУ им. Скобельцына

 Важную роль фракталы и перколяция играют в плотной плазме, существенно изменяя ее электропроводность и оптические характеристики. Перколяционная модель весьма универсальна: перколяционный кластер обязательно возникает при случайном расположении частиц, лишь бы их плотность была достаточно высокой. На основе модели перколяции хорошо интерпретируется переход "металл - неметалл" в газовой фазе, возникающей при испарении металлов, когда с ростом плотности в районе критической точки появляется высокая проводимость. В микроскопической перколяции структурными элементами для критического перколяционного кластера являются атомы или молекулы. Диффузия носителей тока вдоль сетки перколяционного кластера возникает в результате перекрытия валентных электронных оболочек и приводит к повышению электрической проводимости среды и оптическому поглощению с непрерывным спектром. В плазме с конденсированной дисперсной фазой (кластерная плазма, пылевая плазма) структурными элементами критического кластера  являются наночастицы, а перколяция и связанная с ней проводимость имеют место, если перекрываются  двойные электрические слои вокруг частиц. Возможность существования перколяционных структур заставляет пересмотреть модели для излучения со сплошным спектром в широком круге задач по низкотемпературной плотной плазме, в частности  в плазме оптического разряда у поверхности конденсированных сред.

            Исследование перколяции в пылевой и кластерной плазме

 В последние годы достигнут значительный прогресс в исследовании  газоразрядной плазмы, содержащей  конденсированную фазу. Практически любая низкотемпературная плазма содержит некоторое количество микрочастиц в виде капель или даже пылинок. Такая плазма давно является объектом фундаментального научного  исследования  поскольку плазменно-пылевые облака широко  распространены в космическом пространстве. Высокая степень пространственной неоднородности плазмы является следствием процессов самоорганизации, протекающих в открытой системе при большом числе степеней свободы. Возможность лабораторного эксперимента в этой области открылась в 1994 г., когда появились первые сообщения о создании кристаллов из пылевых частиц в газоразрядной плазме и образовании плазменно-пылевых капель при плазменном травлении.

С одной стороны, вынос газовым потоком жидкой фазы из кратера и присутствие в плазме факела капельной фракции были обнаружены уже в первых экспериментах по воздействию мощного лазерного излучения на вещество. Кроме того, в однородном объеме плазмы по мере его охлаждения зарождаются и растут микрокластеры, которые, агрегируя, образуют фрактальные структуры. Все это обеспечивает  существование в лазерной плазме мелкодисперсной составляющей. С другой стороны, высокая плотность испаренного вещества , его термо- и фотовозбуждение мощным световым потоком способствуют развитию перколяционных процессов лазерном факеле.

 Хотя существование перколяционных структур в плотной лазерной плазме у поверхности металлов представляется очевидным, экспериментально они были зарегистрированы лишь в последние годы. Неожиданным оказался результат, что и у поверхности диэлектриков, под действием лазерного излучения возникает хорошо проводящая фаза, связанная не с ионизацией вещества, а с перколяцией в плотном паре и образованием фрактальных микро - и макроструктур. Изучение перколяции включает исследования концентрационных зависимостей интенсивности свечения и СВЧ-проводимости плазмы оптического разряда, инициируемой у поверхности мишеней из смеси веществ. В этом случае относительная концентрация определенного рода частиц в плазме зависит от концентрации соответствующей компоненты в мишени. Методика оригинальна, проверена на модельных объектах (порошкообразных  композитах) и апробирована для плазмы лазерного факела. Полученные результаты подтверждают перколяционную природу кластеров в лазерном факеле излучающих, поглощающих и  рассеивающих излучение оптического и СВЧ диапазонов.  

     Изучение механизма образования фракталов

       при высокой плотности испаренного вещества

 Общепринятой моделью для процесса образования разветвленных фрактальных микроскопических структур из газовой фазы является модель агрегации, ограниченной диффузией. В работе [Алексашенко В.А., Ивлев Л.С., Пономарев Н.Г. и др. Вестник ЛГУ, Сер. 4,  вып.3, с.32 (1987)] было показано, что фрактальная нить может образоваться в результате  альтернативного процесса - перколяционного перехода в ансамбле фрактальных агрегатов (кластеров), если их концентрация превысит некоторую критическую величину. Переход происходит за сравнительно короткий промежуток времени (меньший 1 с) по сравнению с периодом накопления (~ 1 мин). В случае испарения лазерным излучением текстолита наблюдалось образование из частиц сажи нитевидной структуры длиной ~1 м и толщиной ~1 мм. В наших работах перколяционный механизм также находит подтверждение в пороговой зависимости образования фрактального вещества от плотности плазмы. В результате в плотной плазме оптического разряда, который  является эффективным источником  фрактального вещества, макроструктуры из компактных нанокластеров образуются через миллисекундные времена после начала испарения. При этом не требуется наложения каких-либо внешних полей. Определены скейлинговые показатели функции распределения кластеров по размерам и установлено, что уже на начальной стадии в лазерной плазме  реализуется быстрое формирование фрактальных микрокластеров.

  Разработка эффективного источника фракталов,

     образованных из широкого класса  веществ

  Методы лазерной абляции уже нашли широкое применение при производстве нанокластеров и наноструктуированных материалов в макроскопических количествах – кубическими миллиметрами и более. Наиболее полно изучено образование наноструктур при лазерном облучении углерода. Возникающие при испарении графита фуллерены, нанотрубки и алмазоподобные покрытия представляют огромный интерес для фундаментальной науки и технических приложений. Существенно продвинуты также аналогичные исследования по облучению кремния, для которого  поиск простых (без особых технологических ухищрений) эффективных методов формирования полупроводниковых наноструктур определяют проблемы оптоэлектроники. Однако, для большинства элементов и материалов задача остается не решенной, не говоря уже об универсальном источнике фрактальных структур.

 Экспериментальные исследования перколяционных и фрактальных структур сложны не только из-за трудностей при их формировании. Существуют определенные проблемы с  локализацией и детектированием таких структур. Они не обладают выраженными резонансными свойствами. Традиционные методы масс-спектроскопии и оптической спектроскопии здесь непригодны. Кроме того, в плотной плазме реализуется динамическая перколяционная модель и, следовательно, необходимо проводить исследования проводимости на переменном токе достаточно высокой частоты.

 Новизна экспериментального метода в значительной степени обеспечена использованием оптического разряда в качестве эффективного источника фрактального вещества. Разряд позволяет сравнительно просто  изменять термодинамические параметры плазмы и проводить систематические исследования для широкого круга веществ, используемых в качестве мишени.

  Изучение перколяционных структур в плотной низкотемпературной плазме оптического разряда и их трансформации во фрактальные макроструктуры проводились только в наших работах. Сочетание оптической и СВЧ-диагностики при изучении высокочастотной проводимости и перехода "металл-неметалл" в  плотной плазме также является оригинальным подходом.

  Поиск природных соединений и веществ,

      наиболее эффективно образующих фракталы.

 Одним из удивительных явлений природы, еще не получившим своего объяснения, является шаровая молния. Существует гипотеза о наличии у шарового плазмоида каркаса из фрактального вещества, что в определенной степени сопрягается с экспериментами проводимыми в лаборатории. Поскольку шаровая молния возникает в естественных условиях, представляется интересным поиск сред, которые под действием высоких плотностей энергии эффективно образуют фракталы. Отметим, что определяющую  роль в увеличении эффективности могут сыграть весьма незначительные количества примеси, как это, например, имеет место при производстве нанотрубок углерода при лазерной абляции, где  присутствие примеси иттрия (около 1 весового %) явилось решающим фактором.

        Впервые реализован оптический разряд в объеме конденсированной среды

     Изучалось изменение агрегатного состояния стекла при нагреве его объема сфокусированным лазерным излучением миллисекундной длительности. Установлено, что жидкое стекло, окружающее плазму оптического разряда,   не допускает прямого контакта между плазмой и  твердым стеклом. В результате твердая матрица не разрушается и возможным становится теплопроводностный режим стационарного распространения волны поглощения лазерного излучения. Исследованы гидродинамические процессы в плазме оптического разряда. Показано, что конусная геометрия поглощающего слоя приводит к образованию кумулятивных струй (собственно кумулятивной и пестовой). Установлено, что гидродинамические эффекты существенно влияют на движение фронта поглощения и форму области разряда. Помимо формы оптический разряд в объеме конденсированной среды имеет и другие особенности по сравнению с оптическим разрядом в газах: во-первых, это отсутствие разлета плазмы и, как результат, сравнительно малые тепловые потери; во-вторых, полное поглощение энергии подводимой к плазме; в-третьих, наличие  расплава, окружающего область разряда. В результате в таком разряде появляется возможность проведения калориметрических измерений, которые показали, что плотность поглощенной энергии в плазме оптического разряда составляет около одной трети от требуемого теплового эффекта для процесса терморазложения стеклообразующего вещества при его переходе из расплавленного состояния в плазменное. Т. е. разорванными оказывается 1/3 от общего количества связей – характерного числа для трехмерной перколяции. Возможно по этой причине,  при выбросе плазмы из объема среды в атмосферу, образуется удивительно  большое количество фрактальных структур.

          Обнаружена перколяция в плотной плазме лазерного факела

       Обычно перколяции соответствует пороговая зависимость проводимости от состава среды:  до порога проводимость мала, в окрестности порога образования бесконечного перколяционного кластера рост проводимости характеризуется критическим  показателем порядка единицы. При достаточном превышении над порогом проводимость стремится к постоянному значению.  Для изучения перколяции на основе  такой  зависимости  необходимо  в широких пределах изменять концентрацию проводящего компонента. При лазерном облучении однокомпонентных  веществ возникают сложности с определением абсолютной плотности в факеле и возможностью ее регулирования,  например изменением  плотности мощности и внешнего давления. Другой, более простой и удобный путь заключается  в использовании многокомпонентной мишени, в которой помимо перколирующего вещества имеется разбавитель. В  наших экспериментах мишени представляли собой  прессованные таблетки из смеси порошкообразных материалов. Характерные перколяционные зависимости  наблюдались для свечения и микроволновой проводимости факела, возникающего под действием лазерного излучения умеренной интенсивности. Максимальные значения проводимости достигали 104 См/м  и были зарегистрированы как у поверхности металлических мишеней, так и у мишеней  из их оксидов.  Функциональная зависимость порога перколяции от состава мишени адекватно интерпретируются  лишь на основе предположения, что перколяционный кластер образован из атомов металла, включая и атомы, входящие в состав  разбавителя. Экспериментальное значение порога 0.55  с точностью 0.05 соответствует двумерной модели перколяции, что представляется неожиданным для плазмы лазерного факела как трехмерного объекта, для которого это значение существенно ниже 0.33 .

            Реализовано быстрое формирование фрактальных

               кластеров, клубков и нитей.

            Поглощение  СВЧ-излучения в лазерной плазме  у поверхности металлов и

               диэлектриков.

            Установлены механизмы тепловой неустойчивости

               прозрачных конденсированных сред.

            Обнаружены процессы перколяции в плотной плазме лазерного факела

Copyright(c) 2004 QELab Site. All rights reserved.
myid@myhost.com