Физики наблюдали появление устойчивого кольцевого плазменного образования в воздухе при взаимодействии тонкой высокоскоростной струи воды с поверхностью полированного диэлектрика. Результаты исследований могут быть использованы в исследованиях взаимодействии плазмы с жидкостью или в физике низкотемпературной плазмы и найти применение в медицине или плазменной обработке материалов, говорится в статье опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Плазма атмосферного давления представляет собой нетепловую неравновесную форму плазмы, которая применяется во многих областях науки и техники, таких как аналитическая химия, обработка материалов, энергетика, медицина, биология и физика, так как не требует сложного оборудования для ее получения. Наиболее яркий пример ее появления в природных условиях — огни Святого Эльма, а в установках она создается при помощи электромагнитных полей, неустойчива и имеет неоднородную структуру. Одной из интересных задач является получение небольших плазменных образований с целью их изучения и возможного использования в дальнейшем в технологических процессах.
Франциско Алвес Перейра (Francisco J. Alves Pereira) из Калифорнийского технологического института вместе с коллегами из США и Израиля использовал экспериментальную установку, которая состояла из рубинового сопла с диаметром отверстия 100 мкм и насоса, который генерировал высокоскоростную струю деионизированной воды, не содержащей пузырьков воздуха.
В качестве мишени использовался образец из монокристаллического кварца (SiO2) или монокристаллического ниобата лития (LiNbO3) с полированной или мелкозернистой поверхностью. Исследователи обнаружили, что если скорость потока воды будет более 200 метров в секунду, то в области столкновения струи с поверхностью мишени будет наблюдаться светящаяся кольцеобразная структура, причем интенсивность свечения будет зависеть от скорости потока воды. Если поверхность образца будет мелкозернистая, то помимо светящегося кольца будут наблюдаться стримеры, распространяющиеся в радиальных направлениях, а само свечение начнет проявляться при более низких скоростях потока воды (~ 115 метров в секунду). Люминесценция не наблюдалась при использовании воды, не прошедшей деиоинизацию, или образцов с проводящей поверхностью. При этом плазменное образование было устойчиво и не разрушалось при воздействии на него внешним электрическим полем, генерировало радиоволны в частотном диапазоне от 3 до 40 мегагерц, и было получено без использования внешних электромагнитных полей.
Физики объясняют механизм образования такого плазменного кольца следующим образом. Когда струя воды попадает на поверхность мишени, создается гладкий ламинарный поток положительно заряженных ионов, двигающихся вдоль отрицательно заряженной поверхности (так как материалы на основе диоксида кремния приобретают отрицательную плотность поверхностного заряда при контакте с водой). В области, где струя воды ударяет в поверхность мишени, образуется поток электронов за счет трибоэлектрического эффекта, который распространяется к поверхности воды. Этот поток электронов ионизирует атомы и молекулы в окружающем воздухе вблизи поверхности воды, образуя коронный разряд, причем роль анода будет играть область потока воды, текущего по поверхности мишени, где концентрируются положительные ионы. Расстояние между «анодом» и «катодом» оценивается в 300-500 микрометров.
Ранее мы рассказывали о том, что плазма помогла объединить несколько мощных лазерных пучков в суперлуч, в чем заключается природа неустойчивостей в потоке плазмы атмосферного давления и как индийские физики получили плазменный «фаербол».
Иллюстрация к статье:
Обсуждение