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
Poros plazmák plazma por (kis szilárd szemcsék) + pl. mikronos műanyag vagy üveg gömbök pl. elektromos gázkisülés poros plazma
Poros plazmák + particle - + - + - I e h - + Plasma + + I i r d u st - - + - - + - + A szemcsék töltött részecskéket gyűjtenek be a háttér kisülési plazmából: töltötté válnak! Domináns hatások: Lorentz erő és gravitáció! további hatások: Ion vonás (drag) gáz vonás (drag), Thermoforézis,...
Poros plazmák Plazmák nagyon különbözőek lehetnek Ugyanúgy a por is
Laboratóriumi poros plazmák A továbbiakban alacsony nyomású gázkisülésekben lebegő monodiszperz porról lesz szó: QE Mikrogravitációban: A szemcsék kitöltik a térfogatot!! Földi gravitáció esetén: A szemcsék az alsó elektróda felett gyűlnek össze mg
2D laboratóriumi poros plazmák Önrendeződő struktúrák folyadék szilárd Kisülési plazma Discharge plasma Plazma kristály Plasma crystal Sötét Plasma sheath tér V
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?
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
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)
Mágneses poros plazmák Lorentz erő: m dv dt = qe + qv B 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.
Mágneses poros plazmák Úttörő kísérletek: Uwe Konopka et.al. @ MPE, Németország, 2003-2008 [http://narn.physics.auburn.edu/hosted/magdust/konopka.pdf]
Mágneses poros plazmák Úttörő kísérletek: Uwe Konopka et.al. @ MPE, Németország, 2003-2008 [http://narn.physics.auburn.edu/hosted/magdust/konopka.pdf]
Mágneses poros plazmák Jelen kísérleti fejlesztés: Ed Thomas et.al. @ Auburn Univ., Alabama [http://narn.physics.auburn.edu]
Mágneses poros plazmák Jelen kísérleti fejlesztés: Ed Thomas et.al. @ Auburn Univ., Alabama [http://narn.physics.auburn.edu] De vajon megoldja e a problémát?
Alternatív megközelítés: Larmour elv Lorentz erő: m dv r dt m dv dt = qe + qv B Tehetetlenségi erők forgó viszonyítási rendszerben = F ext +2mv r + m( r r ) + mr r d Laboratóriumi poros plazmákban: dt F dust = F gravity + F electrostatic + F inter particle + qv B vagy F dust = F gravity + F electr.+centr. + F inter particle +2mv M Bonitz et al, Phys. Rev. Lett. 109, 155003 (2012) M Bonitz et al, Plasma Sources Sci. Technol. 22, 015007 (2013)
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 support ceramic ball bearing belt to motor ferrofluid rotary feedthrough electrical feedthrough RF in PH et.al. Phys. Rev. Lett. 111, 155002 (2013)
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet Ahhoz, hogy a gyorsan keringő szemcsék ne húzzanak csíkokat a képen, nagyon rövid expozíció kell(ene) Elforgatjuk a képet a porfelhővel együtt: vagy f CCD zoom lens collimator lens rotatable Dove prism focuser lens A szinkronizációt egy Bowden hajtással uldottuk meg :)
Alternatív megközelítés: RotoDust kísérlet
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 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] F. M. Peeters and X. Wu, Phys. Rev. A 35, 3109 (1987)
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Eredmény: Longitudinális hullám diszperzió: Particle number: N 300 k a k a
Alternatív megközelítés: hullám diszperzió Összevetés mágneses szimulációval: / p / p / p (a) (b) (c) 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 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 k a
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!!!
Köszönöm a figyelmüket!