А.Б. КУКУШКИН, В.А. РАНЦЕВ-КАРТИНОВ

 

ИЯС РНЦ «Курчатовский институт», Москва

 

 

ДОЛГОЖИВУЩИЕ МИКРОПЫЛЕВЫЕ КАРКАСЫ

В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДАХ КАК НОВЫЙ ТИП

НАНОМАТЕРИАЛОВ: I. НАБЛЮДЕНИЯ

 

 

Представлен краткий обзор экспериментальных данных, позволивших обнаружить явление долгоживущих филаментарных структур в плазме в различных типах электрического разряда, а также результатов экспериментов (анализ пылевых осадков в токамаке и диагностика начальной фазы разряда в вакуумной искре) по проверке предложенной гипотезы о природе таких филаментов.

 

Анализ обширной базы данных изображений плазмы электрического разряда (как правило, сильноточного), что включает, в частности, газовые Z-пинчи [1(a,c),2,3(c)], плазменный фокус [1(e)], токамаки [1(d),3(a,b)], плазму лазерного факела [2(b)], а также структуры в космосе [1(a,b),2], привел к обнаружению протяженных нитей повышенной (или иногда пониженной) светимости, обладающих двумя свойствами: (1) правильной геометрической формой (элементарным и наиболее интересным блоком которых является прямолинейное трубчатое образование, часто обладающее коаксиальной структурой с радиальными внутренними связями), и (2) временем жизни, сравнимым с длительностью всего разряда. Такое время минимум на пару порядков величины превосходит оптимистические оценки поддержания своей прямолинейности жидкостным плазменным нитевидным образованием (обычно называемым филаментом), особенно с учетом того, что часто такие наблюдаемые филаменты направлены не вдоль, а поперек основному электрическому току разряда. Такого рода структуры были названы нами долгоживущими филаментами — для «отстройки» от достаточно широко изученного явления хаотической, мерцающей филаментации (т.е. в указанном выше контексте — короткоживущей).

Обнаружено также топологическое подобие структур (среди которых были также и трубчатые) в необычайно широком диапазоне: а) пространственных масштабов (от микрометровых диаметров отдельных филаментов в лабораторных разрядах до структур галактического масштаба и даже более), б) плотностей макроскопического электрического тока, в) типа удержания плазмы — магнитного (токамаки) или инерционного (Z-пинчи, плазменный фокус, плазма лазерного факела). В целом ряде случаев удалось обнаружить у характерных структур их самоподобие, т.е. составленность большей структуры из топологически идентичной структуры меньшего или много меньшего размера.

Для объяснения наблюдений была предложена гипотеза [2] о наличии у вышеуказанных филаментов микротвердотельного каркаса, построенного на стадии электрического пробоя из наноблоков с особыми свойствами, вероятнее всего, из (углеродных) нанотрубок (подробнее см. следующую аннотацию). Для проверки этой гипотезы проведены следующие исследования. Во-первых, обнаружены трубчатые структуры с характерной топологией (типа тележного колеса) в нанометровом и микрометровом диапазоне в базе данных по электронной (просвечивающей и сканирующей) микроскопии различных пылевых депозитов (частиц и пленок), извлеченных из камеры токамака Т-10 [4]. В вышеуказанном диапазоне размеров обнаружено предсказанное в [2] топологическое подобие этих трубчатых структур, а также их подобие тем структурам (с размерами на пять порядков больше, в сантиметровом диапазоне), которые были ранее обнаружены [3(a)] в плазме ряда малых токамаков. Во-вторых, с помощью лазерной подсветки такие же колесообразные структуры обнаружены в вакуумной искре на той начальной стадии разряда, когда собственное свечение плазмы еще отсутствует. Последнее находится в соответствии с предсказанием [2] образования микропылевого каркаса еще до образования плазмы в тех (сильноточных) электрических разрядах, где образуются долгоживущие филаментарные структуры.

 

 
 
 
Список литературы

 

1.        Kukushkin A.B., Rantsev-Kartinov V.A., (a) Laser and Part. Beams, 16 (1998) 445; (b) Rev. Sci. Instrum. 70 (1999) 1387; (c) Ibid, p.1421; (d) Ibid., p.1392; (e) Kukushkin A.B., Rantsev-Kartinov V.A., Terentiev A.R., Fusion Technol., 32 (1997) 83.

2.        Kukushkin A.B., Rantsev-Kartinov V.A., (a) Proc. 17-th IAEA Fusion Energy Conf., Yokohama, Japan, 1998, IAEA, Vienna, vol. 3, p. 1131; (b) Proc. 3rd Symposium «Current Trends in Int. Fusion Research: Review and Assessment», Washington D.C., 1999, Ed. E. Panarella, NRC Research Press, Ottawa, Canada, 33 pp. (to appear); (c) Proc. 26-th Eur. Phys. Soc. conf. on Plasma Phys. and Contr. Fusion, Maastricht, Netherlands, June 1999. Р.873 (http://epsppd.epfl.ch/cross/p2087.htm).

3.        Kukushkin A.B., Rantsev-Kartinov V.A., (a) Proc. 27-th Eur. Phys. Soc. conf. on Plasma Phys. and Contr. Fusion, Budapest, Hungary, June 2000 (http://bilbo.rmki.kfki.hu/pdf/P2_029.pdf); (b) Ibid., P2_028.pdf; (c) Ibid., P2_051.pdf.

4.        Kolbasov B.N., Kukushkin A.B., Rantsev-Kartinov V.A., Romanov P.V., Phys. Lett.,. A269 (2000) 363.