Навигация
Поиск
Контакты
an image
НПП Центральная лаборатория автоматизации измерений
111250 Москва, Энергетическая улица, д.7, офис 311
(495) 134-03-49
E-mail: Данный адрес e-mail защищен от спам-ботов, Вам необходимо включить Javascript для его просмотра.

Исследование кинетики движения макрочастиц в упорядоченных плазменно-пылевых структурах

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.

Схема эксперимента для исследования плазменно-пылевых образований

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

ППО. Материал частиц - AI2O3

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.

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

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

Съемка проводилась в 1ой 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.).

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

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

Графическое представление траектории пылинок за время наблюдения 10 секунд

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.

Внешний вид пользовательского интерфейса программы

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.