Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Экспериментально установлены ключевые условия существования стабильного режима генерации тлеющего разряда постоянного тока в газообразном гелии при температурах ниже 4.2 К. Главным условием получения стабильного тлеющего разряда постоянного тока при температурах газообразного гелия в разрядной трубке в интервале от 1.5 К до 4 К было низкое удельное тепловыделение ~ 1 мВт/см. Это достигалось генерацией разряда в так называемой тёмной моде, характеризующейся малыми величинами тока разряда ~ 10 мкА. Для работы при более высоких энерговкладах удается реализовать стабильный режим тлеющего разряда постоянного тока регулировкой скорости подачи жидкого гелия из гелиевой ванны криостата в рабочий канал при максимальной скорости откачки паров гелия. Экспериментально исследованы условия существования плазменно-пылевых структур при температурах до 4.2 К. Показано, что в  температурном диапазон от 1.5 до 10 К не удаётся получить цепочечные структуры монодисперсных частиц, и только в случае использования полидисперсных частиц наблюдается формирование шарообразных структур размерами до 4-5 мм и плотностью частиц ~ 10^5 cм^-3. В ходе работы экспериментально были определены оптимальные условия для эффективного распыления материала специальной вставки, фокусирующей встречные потоки ионов и электронов на оси разрядной трубки, и формирования потока ~ 10^10 /с полимерных нанокластеров  размерами ~ 10 нм с поверхности вставки в тлеющем разряде постоянного тока при температуре < 2 К.  Проведен расчет на базе существующих аналитических моделей основных параметров пылевой плазмы, таких как температура, концентрация, скорость дрейфа плазменных популяций, радиуса Дебая, заряда пылевых частиц и др. Несмотря на большое количество работ по исследованию пылевой плазмы вопрос точного определения ее параметров и параметров тлеющего разряда в целом остаётся открытым. Особенно актуальным он становится в экспериментах по криогенному разряду, проводимых в громоздких термостатах и в условиях дефицита доступных инструментов. Развитая в процессе работы по данному проекту методика предназначена для определения радиусов Дебая, температуры ионов, скоростей дрейфа и т.д. При этом нет необходимости использовать зонды, лазеры, внешние поля которые оказывают влияние на плазму в процессе диагностики. Впервые экспериментально исследована нелинейная пыле-акустическая неустойчивость с образованием солитонов в 4-х компонентной плазме при температуре разрядной трубки ~ 2 K. Для теоретической интерпретации результатов эксперимента использовались стандартные модели пылевой плазмы тлеющего разряда и МГД модель для расчёта параметров волн.  Был разработан уникальный экспериментальный метод, основанный на анализе спектральной плотности случайных процессов, позволяющий изучать эффективные силы взаимодействия (с нарушением симметрии взаимодействия) между пылевыми частицами в ультрахолодной плазме.  В качестве исследуемой системы была выбрана система из двух взаимодействующих пылевых частиц, левитирующих в страте ультрахолодной плазмы тлеющего разряда постоянного тока. Для аналитического описания анализируемой спектральной плотности использовалось решение задачи о вынужденных колебаниях диссипативной системы двух невзаимно связанных осцилляторов при воздействии случайных сил. Учет невзаимности сил межчастичного взаимодействия обусловлен наличием ионного дрейфа в электрическом поле страты. В результате аппроксимации полученных в численном спектров аналитическими кривыми были определены производные  удельных сил взаимодействия,  производные  удельных внешних сил и коэффициент трения частиц в среде.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе выполнения проекта продолжено экспериментальное исследование пылевой плазмы тлеющего разряда постоянного тока в газоразрядной трубке в лабораторных условиях и при температуре сверхтекучего гелия. Было установлено, что агрегация продуктов распыления диэлектрической вставки в ультрахолодной плазме (при температуре ~ 1 К) приводит к образованию нанокластеров диаметром ~ 10 нм. Зарядка образующихся субмикронных частиц в плазме приводит к формированию постоянного восходящего потока наночастиц (10^8 кластеров/с со средней скоростью 0.2 м/с) вдоль разрядной трубки. Взаимодействие нанокластеров с макрочастицами диоксида церия плазменно-пылевой структуры проявляется в формировании периодической неоднородности концентрации нанокластеров (плазменно-пылевой волны) в восходящем потоке. Для описания процессов, происходящих в ультрахолодной плазме теоретическая модель представляет собой многожидкостную гидродинамическую модель, источником энергии в которой являются энергия потоков частиц, а диссипация определяется столкновениями. Найдены дисперсионные соотношения для различных параметров плазмы, также определено критическое значение электрического поля, при котором возможно развитие пылеакустической неустойчивости. На основе анализа параметров пыле-акустических солитонов установлена взаимосвязь между шириной профиля пылевой концентрации и параметрами плазмы. Показано, что увеличение температуры приводит к уширению профилей солитона. Полученное взаимоотношение можно использовать для оценки радиуса Дебая в пылевой плазме. Причем для определения ширины профиля пылевой концентрации достаточно провести анализ фото-, видеоизображений плазменно-пылевой структуры. Данная методика особенно актуальна в криогенной плазме, где использование альтернативных методик (зондовых, спектроскопических) может быть затруднительным. Исследованы экспериментальные условия формирования слабосвязанного (газо-подобного) состояния плазменно-пылевой структуры. В результате выполненных экспериментальных и аналитических исследований определены основные условия формирования и роста сплошных связанных полимерных структур (волокон) в области криогенного тлеющего разряда. Исследованы условия формирования неустойчивых состояний взаимодействующих пылевых частиц в тлеющем разряде постоянного тока. Наблюдаемый отклик системы на лазерное воздействие показал, что в системе с вертикальной конфигурацией с ростом амплитуды колебаний нижней частицы возможно развитие амплитудной неустойчивости с переходом в горизонтальную конфигурацию. В рамках проекта экспериментально исследован механизм кинетического разогрева пылевых частиц в газоразрядной плазме, связанный с развитием неустойчивости из-за эффекта фокусировки ионов в кильватерном следе, возникающем за микрочастицей при возмущении направленного ионного потока. Было показано, что доминирующим механизмом разогрева пылевых частиц в цепочечных структурах в газовом разряде действительно является работа эффективных сил межчастичного взаимодействия. Было впервые количественно исследовано взаимодействие между пылевыми частицами и электрическое поле страты в области левитации частиц, в условиях сосуществования двух устойчивых конфигураций пары частиц. Для этого с помощью метода, разработанного в рамках данного проекта, был проведен спектральный анализ траекторий движения частиц. Полученные экспериментальные данные также позволили проверить критерии конфигурационной неустойчивости системы.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках выполнения гранта проведено экспериментальное исследование модификации поверхности частиц в плазменно-пылевой структуре, в результате осаждения покрытия на их поверхности. Для полимерных частиц левитирующих в гелиевой плазме тлеющего разряда в результате модификации поверхности и формировании металлического островкового покрытия на частицах наблюдается изменение характера движения пылевой компоненты. В результате поглощения лазерного излучения металлическим покрытием, формирующимся на частицах в результате эрозии металлических электродов, частицы начинают вести себя как активные броуновские - способные преобразовывать энергию из вне (лазерного излучения) в кинетическую энергию собственного движения. Это приводит к тому что в подобных системах наблюдается самоорганизация структур и переходы по типу жидкостная структура - упорядоченная (с образованием цепочек по типу кристаллической структуры, или формированием волн плотности с упорядочиванием векторов скорости отдельных частиц). В рамках работы были экспериментально исследованы пыле-акустические волны возникающие в криогенной пылевой плазме тлеющего разряда. Одной из ключевых отличий от пылевых структур, наблюдающихся при комнатной температуре можно выделить формирование пылевой плазмы с параметром неидеальности Г* менее 1, когда средняя кинетическая энергия пылевых частиц превышает потенциальную энергию их взаимодействия. Волны в таком состоянии пылевой плазмы были обнаружены впервые. В рамках работы проведен анализ линейности обнаруженной волны путем исследования взаимодействия волна-частица. Экспериментально показано, что электрическое поле в области гребня волны достаточно велико чтобы ускорять пылевые частицы со скоростями, значительно превышающих тепловую скорость, что указывает на нелинейность процесса. Полученные результаты позволяют развить как методы диагностики криогенной пылевой плазмы (в частности нам удалось оценить электрическое поле волны без использования плазменных зондов), так и физику плазменных волн. Так был проведен анализ экспериментальных данных по экспериментально наблюдаемым в работе нелинейным пыле-акустическим волнам в криогенной пылевой плазме. С использованием гидродинамических моделей показано, что ширина профиля концентрации для таких волн и солитонов является одним из универсальных параметров волнового нелинейного процесса. В рассмотренном контексте, пыле-акустические солитоны и нелинейные волны являются аналогом "универсальных свечей" в астрофизике. Было показано, с ростом кинетической энергии пылевой фракции ширина профиля концентрации в волне растет, однако, при этом происходит резкое уменьшение амплитуды возмущения пылевой концентрации. Получены первые в мире данные о взаимодействии между микрочастицами конденсированного вещества в ультрахолодной плазме при температуре <10 К. Эксперимент проводился в оптическом гелиевом криостате в тлеющем разряде гелия при давлении 0.086 Торр и силе тока 0.2 мА. В качестве микрочастиц использовался порошок оксида церия. С помощью метода, основанного на анализе спектральной плотности колебаний частиц, были определены коэффициенты жесткости удельных сил взаимодействия между двумя частицами размером ~ 6 мкм. Определено, то симметрия такого эффективного взаимодействия существенно нарушена, при этом степень асимметрии на порядок меньше, чем в экспериментах при температуре ~300 К.