Введение.

Изучение плазменно-пылевых структур на сегодня является одной из самых актуальных направлений физики, в частности, физики плазмы, и исследований природы самоорганизующихся структуры. Плазменно-пылевые структуры - это самоорганизующиеся структуры содержащие макрочастицы конденсированного вещества, инжектированные в плазму.

Плазменно-пылевые структуры являются очень распространенным объектом в природе в виде туманностей, пыле-каменных колец планет, хвостов комет. Их можно встретить и в земных условиях, а также в промышленных установках (например, установка травления микросхем). Возможность получать плазменно-пылевые образования (ППО) в лабораторных условиях путем искусственной инжекции пыли в плазму или образованием ее там в результате плазмохимических реакций позволяет моделировать и исследовать поведение естественных ППО [1]. Установление взаимосвязей и закономерностей между параметрами плазмы и характеристиками движения макрочастиц (пылинок), даст возможность управлять их образованием и организацией. Т.о. стоит задача проведения измерений кинетики движения частиц [2,3].

Описание эксперимента.

Среди методов позволяющих исследовать подобные объекты самым популярным и наглядным является метод видеонаблюдения, который позволяет непосредственно наблюдать объект исследования.

Общая схема эксперимента приведена на рис.1. Проведение эксперимента связано с реализацией двух систем. Одна - система машинного зрения, которая выполняет измерительную функцию, другая система формирует объект исследования и позволяет контролировать условия необходимые для поддержания объекта в данном состоянии.

Рисунок 1. Схема эксперимента для исследования плазменно-пылевых образований.

Рисунок 2. ППО. Материал частиц - AI₂O₃, газ - аргон, I = 0.60 мА, р = 40 Па.

Перед началом эксперимента в газоразрядной трубке (см. рис1) при помощи диффузионного насоса предварительно создавался вакуум порядка 10^-3 Па, после чего в трубку напускался газ (Аг) до нужного давления, зажигался разряд и устанавливался ток разряд, после этого через некоторое время в разряд из контейнера расположенного в верхней части трубки инжектировались частицы. В стратах образовывались структуры - как правило, их можно было наблюдать в первой, второй и третьей стратах. Экземпляр такой структуры представлен на рис.2.

Рисунок 3. Траектории движения пылинок в течение времени наблюдения (4 с, 0.4 с).

Съемка проводилась в 1^ой страте от конуса. Также визуально можно видеть симметрию структуры, которая располагается в центре страты и равноудалена от стенок трубки. На каждом изображении программа обнаруживала объекты. Объекты представляют собой белые пятна на черном фоне. Основными критериями обнаружения частиц являются размер поперечного размера частиц в пикселях и пороговое значение интенсивности пикселей, все пиксели ниже которого считаются фоном (рис.6). Т.о., в конце получается двумерный массив значений координат для каждой частицы. Частицы при дневном свете или свете комнатного освещения не видны из-за недостаточной интенсивности рассеянного на них света, поэтому визуализация частиц в плазме осуществлялась с помощью лазерного ножа, который формировался системой двух цилиндрических линз. Таким образом, можно фиксировать только одну выбранную плоскость ППО.

Рисунок 3 демонстрирует результат проведения эксперимента. В течение 4 секунд велось наблюдение за движением пылинок в одной из плоскостей структуры. Траектории частиц локализованы в области конечных размеров намного меньшей межчастичного расстояния. Номера пылинок и номера, присвоенные им в результате процедуры захвата видеоданных и распознавания, соответствуют указанным на рис.2 и рис.3. Поскольку частицы очень подвижны, возможность наблюдать каждую частицу длительное время - ограничена (некоторые частицы уходят из поля зрения). Ось Y - направлена вдоль оси трубки от катода к аноду, ось X - вдоль радиального направления трубки (радиус трубки R = 33 мм.).

Рисунок 4. Плазменно-пылевой "квазикристалл". Материал пылинок Аl₂О₃, газ - аргон, I = 0.36 мА, р = 120 Па

Рисунок 5. Графическое представление траектории пылинок за время наблюдения 10 секунд.

На характеристики поведения ППО влияет химический состав плазмообразующего газа (инертные, атомарные, молекулярные) и материал пылинок (проводники, диэлектрики, полупроводники), а также условия, в которых формируется ППО. На рисунке 4 приведен экземпляр «квазикристалла», где явно можно видеть цепочки частиц выстроенные вдоль трубки. На данный момент метод видеонаблюдения с элементами распознавания применяется для наблюдения подобных структур.

Используемое оборудование.

Измерительная часть включает видеокамеру, плату видеозахвата, ПК с установленным ПО: среда программирования LabVIEW и IMAQ Vision - библиотека функций VI, которая позволяет программировать в LabVIEW систему машинного зрения.

Для получения видеоданных использовалась черно-белая видеокамера со скоростью съемки 25 кадров в секунду, пространственное разрешение с учетом съемного объектива 8 мкм/pix. Видеоданные поступали на вход карты видеозахвата IMAQ PCI-1411 и в режиме реального времени осуществлялось распознавание частиц на изображении путем реализации функций библиотеки IMAQ Vision в виде программы, пользовательский интерфейс которой изображен на рисунке 6 специально написанной для этих целей.

Рисунок 6. Внешний вид пользовательского интерфейса программы.

Список литературы:

1. Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Проблемы и перспективы исследования упорядоченных структур в плазме: [Электронный ресурс] НОЦ «ПЛАЗМА», 2002. Режим доступа к ст.: http://plasma.kareiia.ru/.

2. Пискунов А.А. Корреляции движения пылевых частиц в плазме тлеющего разряда//Материалы конференции «Физика и химия высокоэнергетических систем», 24-27 июля 2007 г., Томск.

3. Khakhaev A. D., Luizova L. A., Piskunov A. A., Podryadchikov S. F., Pushkarev A. V., Shtykov A. S. Movement of macroparticles in particle structures // XVI International Conference on Gas Discharges and their Applications, Xi'an, China, September 11-13, 2006.-2006.-V. 1.-P. 341-344.