Современная электроника №3/2026

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 51 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 3 / 2026 турная плазма, из которой свободные электроны извлекаются через малое отверстие экстракционного электро- да. При подаче ускоряющего напря- жения (10 кВ) формируется поток электронов, который через диафраг- менное отверстие вводится в камеру пылевой плазмы и начинает взаимо- действовать с заряженными пылевы- ми частицами. Импульс, передавае- мый быстрыми электронами, создаёт дополнительную силу сопротивления (Electron Drag), вызывающую направ- ленное движение частиц. В резуль- тате формируются вихревые течения или вращение всей структуры. Изме- няя энергию, ток и геометрию пучка, а также параметры плазмы (давление газа, мощность ВЧ-разряда, размер частиц), установка позволяла моде- лировать широкий спектр коллектив- ных эффектов в пылевой кристалли- ческой плазме. Интересные результаты были полу- чены при воздействии электронного пучка на двумерный плазменный кри- сталл [17]. Целью эксперимента являлось исследование управляемого вращения плазмы. В этих экспериментах изме- рялась скорость движения частиц в зависимости от таких параметров раз- ряда, как энергия пучка (8–14 кэВ), дав- ление газа и размеры частиц извест- ны. На рис. 5 показана динамика ква- зидвумерного плазменного кристалла при боковом облучении электронным пучком. На этом рисунке приведены траектории движения отдельных пылевых частиц, восстановленные методом отслеживания частиц (PTV). Наблюдается формирование концен- трических орбит, свидетельствую- щих о вращении всей кристалличе- ской структуры как единого объекта. При этом внутренняя часть кристалла вращается медленнее, тогда как части- цы на периферии обладают большей линейной скоростью. Механизм вращения связан с асимметричным воздействием элек- тронного пучка. Поскольку пучок смещён относительно центра кри- сталла, частицы, расположенные на облучаемой стороне, испытывают дополнительную силу электронного сопротивления. Благодаря сильному кулоновскому взаимодействию меж- ду частицами возникающий локаль- ный импульс перераспределяется по всей структуре, приводя к появлению крутящего момента и последующему вращению кристалла. Важной особенностью является сохранение кристаллической симме- трии. Несмотря на вращение, структу- ра в целом остаётся упорядоченной, хотя отдельные частицы могут совер- шать скачкообразные перестройки положений. Большое внимание исследованиям кристаллической пылевой плазмы уделяется РФ. В институтах Академии наук ФИАН и ИКИ РАН разработа- ны установки типа «Кристалл-1/2» и гипербо́льные ловушки для 2D/3D- кристаллов в стратифицированных разрядах. Ведутся работы по волно- вой динамике, зарядке частиц, моде- лированию фронтов плавления/горе- ния [18]. Фундаментальными исследовани- ями фазовых переходов и самосбор- ки в упорядоченных структурах ком- плексной плазмы занимаются в НОЦ «Плазма» [19]. Вопросами плазмохи- мии и разработками виртуальных дат- чиков для плазмохимического трав- ления занимаются в МГУ, МАИ, ФТИ имени Иоффе [20]. Подробный обзор российских иссле- дований в области структурированной комплексной плазмы приведён в ста- тье [21]. Стационарные лабораторные уста- новки, подобные описанной выше, позволяют формировать квазидвумер- ные плазменные кристаллы и управ- ляемо воздействовать на них внеш- ними силами. Однако наличие силы тяжести на Земле ограничивает тол- щину и объём формируемых структур. При этом микрочастицы левитируют в узкой области плазменной оболочки над электродом, а формируемый кри- сталл остаётся преимущественно дву- мерным. Идея изучения трёхмерных объ- ёмных структур и крупномасштаб- ной динамики пылевой плазмы в условиях невесомости впервые была реализована с использованием бес- пилотных космических запусков в рамках немецкой программы TEXUS (Technologische Experimente Unter Schwerelosigkeit). Первый запуск, про- ведённый в ноябре 1996 года с базы ESRANGE (Швеция), обеспечил 6 минут исследований пылевой плазмы в усло- виях микрогравитации. Эксперимен- тальная полётная установка включала RF-разрядную камеру, лазерную под- светку и ПЗС-камеры, фиксирующие данные на борту для последующего анализа в наземной лаборатории. В этой установке использовался сим- метричный параллельнопластинча- тый RF-разряд (0,5 Вт) в стеклянном цилиндре (диаметр ~13,6 см, высота 7 см), заполненный криптоном при давлении ~0,4 мбар. В качестве микро- частиц использовались полимерные сферы диаметром 14,9 мкм. Плазма образовывалась между двумя пло- скими электродами, расположенными параллельно друг другу. На один элек- трод подавалось переменное высоко- частотное напряжение (13,56 МГц), вызывающее ионизацию газа (аргон). В этом случае электроны успевали, в то время как тяжёлые ионы почти не реагировали. Таким образом, у поверх- ности электродов возникают плазмен- ные оболочки (Sheath). В условиях микрогравитации экспе- рименты TEXUS-35 продемонстрирова- ли крупномасштабные конвективные структуры и вихревые потоки вокруг пустот (Voids) в объёме комплексной плазмы. Важно то, что эти структуры воспроизводимы и объясняются сум- марным действием электрической силы, ионного дрэга и межчастично- го взаимодействия. Полёт TEXUS-35 стал отправной точкой для микрогравитационных исследований комплексной плазмы: доказал возможность 3D-структур, выявил роль термофореза в Void и вихревую динамику, обосновав необходимость долгосрочных экс- периментов на МКС. Последующие исследования TEXUS-36 (1998) и пара- болические запуски привели к пол- ноценным ISS-программам [22]. Естественным развитием европей- ской программы TEXSUS стала иници- Рис. 5. Динамика квазидвумерного плазменного кристалла при боковом облучении электронным пучком