Фізики створили стійке плазмове кільце при атмосферному тиску

Фізики спостерігали появу стійкого кільцевого плазмового утворення в повітрі при взаємодії тонкого високошвидкісного струменя води з поверхнею полірованого діелектрика. Результати досліджень можуть бути використані в дослідженнях взаємодії плазми з рідиною або у фізиці низькотемпceної плазми і знайти застосування в медицині або плазмовій обробці матеріалів, йдеться в статті опублікованій в журналі.

Плазма атмосферного тиску являє собою нетеплову нерівноважну форму плазми, яка застосовується в багатьох галузях науки і техніки, таких як аналітична хімія, обробка матеріалів, енергетика, медицина, біологія і фізика, оскільки не вимагає складного обладнання для її отримання. Найбільш яскравий приклад її появи в природних умовах - вогні Святого Ельма, а в установках вона створюється за допомогою електромагнітних полів, нестійка і має неоднорідну структуру. Одним з цікавих завдань є отримання невеликих плазмових утворень з метою їх вивчення і можливого використання надалі в технологічних процесах.

Франциско Алвес Перейра (Francisco J. Alves Pereira) з Каліфорнійського технологічного інституту разом з колегами з США та Ізраїлю використовував експериментальну установку, яка складалася з рубінового сопла з діаметром отвору 100 мкм і насоса, який генерував високошвидкісний струмінь деіонізованого води, що не містить бульбашок повітря.

Як мішені використовувався зразок з монокристалічного кварцу (SiO₂) або монокристалічного ніобату літію (LiNbO₃) з полірованої або дрібнозернистої поверхні. Дослідники виявили, що якщо швидкість потоку води буде більше 200 метрів в секунду, то в області зіткнення струменя з поверхнею мішені буде спостерігатися кольцеобразна структура, що світиться, причому інтенсивність світіння залежатиме від швидкості потоку води, якщо поверхня зразка буде дрібнозірниста, то крім кільця, що світиться, будуть спостерігатися стримери, що поширюються в радіальних напрямках, а саме світіння почне проявлятися при більш низьких швидкостях потоку води (ауд 115 метрів в секунду). Люмінесценція не спостерігалася при використанні води, яка не пройшла деіоінізацію, або зразків з проводиться поверхнею. При цьому плазмове утворення було стійким і не руйнувалося при впливі на нього зовнішнім електричним полем, генерувало радіохвилі в частотному діапазоні від 3 до 40 мегагерц, і було отримано без використання зовнішніх електромагнітних полів.

Фізики пояснюють механізм утворення такого плазмового кільця наступним чином. Коли струмінь води потрапляє на поверхню мішені, створюється гладкий ламінарний потік позитивно заряджених іонів, що рухаються вздовж негативно зарядженої поверхні (оскільки матеріали на основі діоксиду кремнію набувають негативної щільності поверхневого заряду при контакті з водою)В області, де струмінь води вдаряє в поверхню мішені, утворюється потік електронів за рахунок трибоелектричного ефекту, який поширюється до поверхні води. Цей потік електронів іонізує атоми і молекули в навколишньому повітрі поблизу поверхні води, утворюючи коронний розряд, причому роль анода буде грати область потоку води, поточного по поверхні мішені, де концентруються позитивні іони. Відстань між «анодом» і «катодом» оцінюється в 300-500 мікрометрів.

Раніше ми розповідали про те, що плазма допомогла об'єднати кілька потужних лазерних пучків в суперлуч, в чому полягає природа нестійкостей в потоці плазми атмосферного тиску і як індійські фізики отримали плазмовий «фаєрбол».