Покоренная плазма

Как ученые покоряют плазму

Вы уже немало узнали о строении плазмы, о поведении невидимых заряженных частиц, из которых она состоит. Когда вы читали об искре, дуге, тлеющем, коронном и других разрядах, у вас, наверно, возникал вопрос, а как ученые разгадали, открыли все тонкости взаимодействия миллиардов ионов и электронов, находящихся в каждом кубическом сантиметре плазмы? Как удалось им заглянуть в невидимое?

Вопрос этот интересный, и я остановлюсь на нем, правда, мне будет нелегко на нескольких страницах рассказать хотя бы об основных видах «оружия», которым осуществляется штурм плазмы.

Но вначале о том, как получить плазму.

— Очень просто! — скажете вы. — Откачать из трубки побольше воздуха, включить высокое напряжение — и плазма готова.

Но ученые так поступают редко. Действительно, разряд, полученный в остатках воздуха, — вещь неопределенная. В каком газе он получен? В азоте? В кислороде? В углекислом газе, который тоже есть в воздухе? Такая неопределенность ученых не устраивает. Ведь от состава газа, служащего «материалом» для плазмы, зависят ее поведение и свойства.

Поэтому чаще приходится вначале откачивать из трубки весь воздух, а потом впускать вместо него тот газ, плазма которого подвергается исследованию.

Обычно для этой цели используются инертные газы: гелий, неон, аргон, криптон и ксенон. Но часто плазму получают в парах ртути, натрия и других металлов. Без удаления воздуха из трубки в этом случае никак не обойтись.

В том опыте, которым мы проверяли закон Ома для плазмы, разрежение в трубке осуществлялось механическим насосом.

Вы знаете, что давление воздуха у поверхности земли составляет 760 миллиметров ртутного столба. Механический насос, поработав изрядное время, уменьшает давление внутри разрядной трубки до тысячной доли миллиметра. В три четверти миллиона раз!

Но ученых это не устраивает. После механического насоса они заставляют работать еще один насос — ртутный. В этом насосе нет вращающихся частей. В нем горелка, или спираль, подогревает сосуд с ртутью, и пары ртути врываются в специальную камеру, сообщающуюся с разрядной трубкой. Молекулы воздуха, оставшиеся в трубке после работы механического насоса, выходят в эту камеру и прилипают к капелькам ртути, увлекаются ими.

Ртутный насос понижает давление в разрядной трубке еще в тысячу раз. Таким образом достигается давление в одну миллионную долю миллиметра!

Но давление в миллионную долю миллиметра — это не пустота. В каждом кубическом сантиметре объема разрядной трубки еще имеются миллиарды молекул воздуха. Ученые применяют новые хитрости, чтобы выманить эти молекулы из трубки. Они помещают трубку в магнитное поле, превращают остатки газа в ионы и извлекают их из трубки мощным электрическим полем.

Приходится бороться еще с одним врагом — газом, выделяющимся из стекла и из электродов трубки. Оказывается, все твердые тела в обычном состоянии пропитаны воздухом и этот воздух может выходить в безвоздушное пространство разрядной трубки и портить все дело.

Поэтому, чтобы не допустить такого «испарения» воздуха, разрядную трубку при откачке прогревают вначале в электрической печи, а потом в электромагнитном поле высокой частоты.

Видите, сколько хлопот доставляет, казалось бы, простая операция — удаление газа из трубки!

Когда в разрядной трубке воздуха не останется почти совсем, ее наполняют тем газом, разряд в котором интересует ученого. В лаборатории имеются небольшие баллоны с различными газами, полученными с химических заводов. Завод отвечает за то, чтобы в неоне или аргоне не было других газов — примесей. Но иногда все же в лаборатории приходится делать «доочистку» газов.

Но вот трубка заполнена нужным газом до необходимого давления, подключен источник высокого напряжения, газ в трубке превратился в плазму. Теперь слово за приборами. Они тесной толпой окружают маленькую разрядную трубку и на языке, понятном исследователю, докладывают о поведении заряженных частиц, из которых состоит плазма. Одни из них сообщают о плотности, или давлении газа внутри трубки, другие — об изменении напряжения между электродами и величине тока через трубку, третьи — о поведении электродов во время разряда.

Ученые засылают внутрь плазмы своих разведчиков. Их называют зондами.

На рисунке вы видите, что между катодом и анодом располагается небольшой «столбик».

Стеклодув, который изготовляет разрядную трубку, делает и этот зонд. Он покрывает стеклом тоненькую проволочку, оставляя голым только самый конец. Потом эту проволоку пропускают через корпус трубки, запаивают — и зонд готов.

Когда в трубке вспыхнет разряд, кончик зонда принимает заряд, равный заряду той точки разряда, где этот зонд находится. Специальный вольтметр, включенный между зондом и одним из электродов трубки, например катодом, покажет величину этого заряда. Помещая зонды в разные точки разряда, ученые легко узнают, как распределяются в трубке заряды. Перепад напряжения вблизи катода при тлеющем разряде удалось обнаружить именно таким способом.

Я рассказал о самом простом зонде. Имеются зонды посложнее — в виде цилиндриков, шариков, плоских пластинок. Есть холодные и раскаленные зонды, неподвижные и перемещающиеся. Методом зондирования разряда удалось подсчитать количество электронов в разных точках разряда, процент молекул газа, превратившихся в ионы, а также энергию теплового движения электронов.

Помните, что температура тлеющего разряда чуть-чуть выше температуры нашего тела? Но это температура плазмы в целом. С помощью зондов удалось выявить, что электроны в этой чуть теплой плазме имеют энергию, соответствующую температуре в несколько тысяч градусов.

Зондовый метод не единственный. Не менее надежным является другой — оптический.

Свет — обязательный спутник плазмы. Излучает его она не беспорядочно, не как попало, а по строгим физическим законам. Десятки приборов ловят световые лучи плазмы и помогают ответить на вопросы, которые прежде ставили ученых в тупик.

Попробуйте, например, определить температуру внутри огненного шнура дуги. Ни один термометр не выдержит «жары» в тысячи градусов — он расплавится. Но ученые и не думают помещать туда термометры. Они узнают температуру газа по силе и по характеру его свечения.

Оптические приборы дают возможность, не влезая в плазму, узнать, какой процент молекул газа излучает свет, определить, с какой скоростью они движутся.

Приборы чутко реагируют на рождение новых веществ в разряде и позволяют безошибочно определить, какие примеси имеются в газе.

Подробнее о роли видимых и невидимых лучей, испускаемых плазмой, мы еще поговорим.

Большую трудность представляет изучение разрядов, которые протекают очень быстро. К таким относятся искровой разряд и все высокочастотные разряды.

При их изучении ученые часто пускают в дело осциллографы — электронные приборы, во многом похожие на телевизоры. У осциллографа тоже есть экран, на котором появляется изображение, только не людей, а зеленых светящихся линий. Эти «живые» линии-змеи говорят о многом: о том, как изменяются напряжение и ток в трубке, какие импульсы тока возникают при разряде, как начинается и как заканчивается разряд.

При изучении искровых разрядов, например, молний, большую помощь оказывает фотографирование разряда. Но для этого применяются не обычные фотоаппараты, а сверхскоростные фотокамеры. Сейчас созданы и используются камеры, которые делают в секунду сотни тысяч и миллионы снимков. На Брюссельской выставке, например, СССР демонстрировал фотокамеру, делающую тридцать три миллиона снимков в секунду!

Несмотря на свою сложность, такие приборы незаменимы при изучении разрядов. Они позволяют увидеть всю мгновенную жизнь искры или другого разряда, начиная с момента рождения и кончая исчезновением плазмы.

Но плазму «штурмуют» не только в лабораториях. Ею занимаются и ученые-теоретики, вооруженные знаниями математики и физики.

Нагромождая этажи сложных формул, эти ученые пишут математическую летопись плазмы. Они предсказывают то, что потом должен подтвердить опыт.

Ученые-теоретики и ученые-экспериментаторы сообща раскрывают законы электродинамики — науки о движущихся электрических зарядах. В этом содружестве — залог окончательного покорения плазмы.