Szédítő por,
avagy, hogyan mérjünk 3000 Tesla-n Hartmann Péter Elektromos Gázkisülések Wigner kutatócsoport,
Komplex Folyadékok Osztály,
MTA Wigner FK
társszerzők: Donkó Zoltán,
Torben Ott, Hanno Kählert, Michael Bonitz
Tartalom
• • • • •
Poros plazmákról általában Mágneses kísérletek Az alternatív módszer (elmélet) Az alternatív módszer (valóság) Hullám diszperziós relációk
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Poros plazmák
plazma
por
(kis szilárd szemcsék)
+ pl. mikronos műanyag vagy üveg gömbök pl. elektromos gázkisülés
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
poros plazma
Poros plazmák
-
+
A szemcsék töltött részecskéket gyűjtenek be a háttér kisülési plazmából: töltötté válnak
Plasma +
+
Ie
+
particle -
+
!
Ii
+
-
rd u s t -
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
-
+
Domináns hatások: Lorentz erő és gravitáció !
+
h -
+
-
további hatások: Ion vonás (drag) gáz vonás (drag), Thermoforézis, ...
Poros plazmák Plazmák nagyon különbözőek lehetnek
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Ugyanúgy a por is
Laboratóriumi poros plazmák A továbbiakban alacsony nyomású gázkisülésekben lebegő monodiszperz porról lesz szó:
Mikrogravitációban: A szemcsék kitöltik a térfogatot ! !
QE mg
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Földi gravitáció esetén: A szemcsék az alsó elektróda felett gyűlnek össze
2D laboratóriumi poros plazmák Önrendeződő struktúrák
folyadék
szilárd
Kisülési Discharge plasma plazma
V Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Plazma Plasma kristály crystal Sötét Plasma tér sheath
Laboratóriumi poros plazmák Mire is jó ez? röviden:
Egy alternatívát jelent klasszikus kollektív soktestfizikai jelenségek tanulmányozására
részletesebben: sűrűség fluktuációk, hullám diszperzió, fázisátalakulások, diszlokáció dinamika, szemcsenövekedés, hővezetés, diffúzió, viszkozitás, szemcse töltődés, instabilitások, áramlások, többkomponensű rendszerek, dinamikai árnyékolás, hosszútávú kölcsönhatás, 3D és rétegelt struktúrák, stb.
És mi a helyzet a mágneses rendszerekkel?
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Mágneses mező befolyásolja: • szemcsék feltöltődését • árnyékolást • ion vonás és elektrosztatikus mező • kollektív gerjesztések • diffúzió • viszkozitás • hővezetés • kristálynövekedés Mágneses mező nem befolyásolja: • alapállapoti struktúra
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Elméleti (numerikus) jóslatok néhány kollektív jelenségre:
kristályosodás
diffúzió
hullám diszperzió
Phys. Rev. Lett., 105, 055002 (2010) Phys. Rev. Lett. 111, 065001 (2013) Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Lorentz erő:
dv m = qE + qv ⇥ B dt Laboratóriumi poros plazmák (legalább) 4 komponensből állnak:
• • • •
elektron:
q/m ≔ 1 ion:
q/m ≈ 0.0001 porszemcse:
q/m ≈ 0.00000000000001 semleges atom:
q/m = 0
Ennek következtében: • A por komponens mágnesezéséhez extrém nagy tér kell • Még mielőtt a port mágnezeshetnénk, az elektronok és ionok erősen mágnesezettekké válnak.
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Úttörő kísérletek: Uwe Konopka et.al. @ MPE, Németország, 2003-2008 [http://narn.physics.auburn.edu/hosted/magdust/konopka.pdf]
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Úttörő kísérletek: Uwe Konopka et.al. @ MPE, Németország, 2003-2008 [http://narn.physics.auburn.edu/hosted/magdust/konopka.pdf]
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Jelen kísérleti fejlesztés: Ed Thomas et.al. @ Auburn Univ., Alabama [http://narn.physics.auburn.edu]
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Mágneses poros plazmák Jelen kísérleti fejlesztés: Ed Thomas et.al. @ Auburn Univ., Alabama [http://narn.physics.auburn.edu]
De vajon megoldja e a problémát? Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Alternatív megközelítés: Larmour elv Lorentz erő:
dv m = qE + qv ⇥ B dt Tehetetlenségi erők forgó viszonyítási rendszerben
dvr d⌦ m = Fext + 2mvr ⇥ ⌦ + m(⌦ ⇥ rr ) ⇥ ⌦ + mrr ⇥ dt dt Laboratóriumi poros plazmákban:
Fdust = Fgravity + Felectrostatic + Finter
particle
+ qv ⇥ B
vagy
Fdust = Fgravity + Felectr.+centr. + Finter
particle
+ 2mv ⇥ ⌦
M Bonitz et al, Phys. Rev. Lett. 109, 155003 (2012) M Bonitz et al, Plasma Sources Sci. Technol. 22, 015007 (2013) Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet Hogy megvalósítsuk az ötletet, továbbfejlesztettük a meglévő kísérletünket:
“RotoDust” chamber wall
glass cylinder
dust cloud glass cylinder (optional) powered electrode
belt to electrode
ferrofluid rotary feedthrough belt to motor
support
ceramic ball bearing
electrical feedthrough RF in
PH et.al. Phys. Rev. Lett. 111, 155002 (2013) Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet Ahhoz, hogy a gyorsan keringő szemcsék ne húzzanak csíkokat a képen, nagyon rövid expozíció kell(ene)
vagy Elforgatjuk a képet a porfelhővel együtt: f
CCD zoom lens
collimator lens
rotatable Dove prism
A szinkronizációt egy Bowden hajtással uldottuk meg :)
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
focuser lens
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Hullám diszperzió / kollektív gerjesztési spektrum: ⇢(k, t) = (k, t) =
X
j X j
⌧ (k, t) =
r(t) and v(t)
X j
⇥
exp ikxj (t) ⇥
vjx (t) exp ikxj (t) ⇥
⇤
vjy (t) exp ikxj (t)
1 L(k, !) = 2⇡N 1 T (k, !) = 2⇡N
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
⇤
⇤
Fourier
lim
T !1
lim
T !1
1 | (k, !)|2 T 1 |⌧ (k, !)|2 T
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Rendszer paraméterek:
q 2 exp( ¯ r) UYukawa = 4⇡"0 r¯ p r¯ = r/a = r ⇡n
Elméleti 2D háromszögrács diszperziójával összevetve meghatározható az elektromos töltés és az árnyékolási paraméter: • longitudinális és transzverzális hangsebességek aránya csak κ-ra érzékeny
• nominális plazmafrekvencia és a valódi plató frekvencia aránya p függ κ-tól
• plazmafrekvencia képletéből megkapjuk a töltést: !p = q n/(2"0 ma)
Vagyis, becslést kapunk a töltésre és az árnyékolásra
[Alternatíva: 2 részecske normálmódusai] Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
F. M. Peeters and X. Wu, Phys. Rev. A 35, 3109 (1987)
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Eredmény:
Particle number: N ≈ 300
Longitudinális hullám diszperzió:
ka
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
ka
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Összevetés mágneses szimulációval: (a)
1.2
/ p
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 (b)
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
1.2
/ p
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 (c)
1.2
/ p
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 ka
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Összegezve: !!! 3200 Tesla !!! !
Forgó poros plazma kísérletek nagyon költséghatékony alternatívát jelentenek mágneses jelenségek vizsgálatára !
Alkalmazhatósága korlátozódik egykomponensű rendszerekre és esetekre, ahol a por - kisülési plazma kölcsönhatás nem releváns. !
A három tehetetlenségi erő közül még csak az egyiket használtuk fel !!!
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
Köszönöm a figyelmüket!
Szédítő por, avagy hogyan mérjünk 3000 Tesla-n
