Оглавление.
Введение. 4
Глава 1. Физика процессов в пылевой плазме 8
1.1 Образование и зарядка пылевых частиц 8
1.2 Силы, действующие на пылевые частицы 14
1.3 Взаимодействие между пылевыми частицами 19
1.4 Неидеальность пылевой плазмы и фазовые переходы 22
1.5 Экспериментальные исследования сильнонеидеальной пылевой плазмы 26
1.5.1. Плазменно - пылевой кристалл в радиочастотном разряде 26
1.5.2. Плазменно - пылевой кристалл в разряде постоянного тока 33
1.5.3. Упорядоченные структуры макрочастиц в термической плазме 37
1.5.4. Пылевая плазма, индуцированная УФ излучением 41
1.6. Выводы 41
Глава 2. Влияние стохастических флуктуаций зарядов на
динамическое поведение системы пылевых частиц в плазме 42
2.1. Модель стохастических флуктуаций зарядов пылевых частиц 44
2.2. Амплитуда и время корреляции флуктуаций
в различных типах плазмы 46
2.3. Нагрев системы пылевых частиц в плазме
за счет стохастических флуктуаций их заряда 53
2.4. Численное моделирование динамики системы пылевых частиц в приэлектродном слое ВЧ
разряда с учетом стохастических флуктуаций заряда 58
2.5. Выводы 65 Глава 3. Неустойчивость пылезвуковых колебаний в
положительном столбе разряда постоянного тока 66
3.1. Низкочастотные колебания в пылевой плазме:
модификация ионного звука и пылевой звук 67
3.2. Экспериментальные результаты 69
2
3.3. Механизм неустойчивости пылезвуковых колебаний
в положительном столбе тлеющего разряда постоянного тока 73
3.4. Выводы 81 Глава 4. Динамика формирования упорядоченных структур
в термической плазме 82
4.1. Потенциал электростатического взаимодействия в термической плазме с макрочастицами 83
4.2. Экспериментальное исследование динамического
поведения пылевых частиц в термической плазме 88
4.3. Моделирование динамики формирования упорядоченных структур в термической плазме 94
4.4. Выводы 100
Заключение 101
3
Введение.
Пылевая плазма представляет собой ионизованный газ, содержащий частицы конденсированного вещества, которые либо самопроизвольно образуются в плазме в результате различных процессов, либо вводятся в плазму извне. Иногда эту плазму называют коллоидной или плазмой с конденсированной дисперсной фазой (КДФ). Наличие макроскопических частиц может существенно влиять на свойства плазмы. Нагретые до достаточно высокой температуры частицы, эмитируя электроны и заряжаясь положительно, могут значительно повысить конценграцию электронов в плазме. Аналогичный эффект может иметь место в условиях, где доминирующим процессом является фотоэмиссия или вторичная электронная эмиссия. Холодные частицы, наоборот, поглощают электроны из плазмы, заряжаются отрицательно и уменьшают концентрацию свободных электронов. Заряд пылевых частиц может быть также инициирован радиоактивностью материала частиц, или внешним источником радиации. Заряженные частицы взаимодействуют с электрическим и магнитным полями, а кулоновское взаимодействие между частицами может приводить к сильной неидеальности пылевой плазмы.
В лабораторных условиях пылевая плазма была впервые обнаружена Лэнгмюром ещё в 1920-х годах. Однако её активное исследование началось лишь в последние десятилетия в связи с целым рядом приложений, таких как электрофизика и электродинамика продуктов сгорания ракетных топлив, электрофизика рабочего тела магнитогидродинамических генераторов на твердом топливе, физика пылегазовых облаков в атмосфере [1-3]. Пыль и пылевая плазма широко распространены в космосе. Они обнаружены в планетных кольцах, хвостах комет, в межпланетных и межзвездных облаках [4-6]. Пылевая плазма обнаружена также вблизи искусственных спутников земли и в пристеночной области установок управляемого термоядерного синтеза [7, 8].
В последние годы повышенный интерес к изучению свойств пылевой плазмы связан с широким использованием технологий плазменного напыления и травления в микроэлектронике, а также при производстве тонких пленок и наночастиц [9]. Наличие частиц в плазме не только приводит к загрязнению поверхности изготавливаемого полупроводникового элемента и, тем самым, к увеличению
4
выхода дефектных элементов, но и возмущает плазму, зачастую непредсказуемым образом. Уменьшение или предотвращение этих негативных эффектов невозможно без понимания процессов образования и роста конденсированных частиц в газоразрядной плазме, механизма их переноса и влияния на свойства разряда.
Наличие пыли существенным образом сказывается на коллективных процессах в плазме. За счет большой величины заряда и массы пылевых частиц, а также непостоянства их заряда, натичие пылевой компоненты может не только модифицировать, но зачастую и определять спектр плазменных колебаний, влиять на эффекты затухания и неустойчивости. Наличие пыли изменяет характерные пространственные и временные масштабы в плазме. Например, пылевая плазменная частота со^ за счет большой массы пылевых частиц, оказывается, как правило, на
несколько порядков меньше ионной плазменной частоты что приводит к
возникновению новой ветви колебаний - пылевого звука [10], в которой пыль выступает в качестве инерционной компоненты.
Термодинамические свойства пылевой плазмы во многом определяются величиной параметра неидеальности Г, равного отношению потенциальной энергии кулоновского взаимодействия к кинетической энергии теплового движения, характеризуемой температурой частиц Та
г = гупуз / та,
где л/3 характеризует среднее расстояние между частицами. Заряд пылевых частиц 2(1 в плазмах различной природы может быть очень большим. Например, в газоразрядной плазме низкого давления заряд определяется в основном поглощением электронов и ионов плазмы и его можно оценить как 2^ ~ -аТе! е2, что для радиуса частицы а ~ 1 мкм и температуры электронов Те ~ 1 эВ дает, 2а ~ -103 элементарных зарядов. Потенциальная энергия кулоновского взаимодействия пропорциональна произведению зарядов взаимодействующих частиц. Поэтому, неидеальности подсистемы пылевых частиц достичь значительно лепте, чем неидеальности электрон - ионной подсистемы, несмотря на то, что концентрация частиц обычно намного ниже концентраций электронов и ионов.
5
Из простейшей и наиболее изученной модели однокомпонентной плазмы известно, что при Г > 1 в системе появляется ближний порядок, а при Г = 106 однокомпонентная плазма кристаллизуется [11]. Модель однокомпонентной плазмы не может претендовать на адекватное описание свойств пылевой плазмы, прежде всего из-за пренебрежения эффектами экранировки. Тем не менее, в ряде работ, основываясь на качественных результатах модели однокомпонентной плазмы, было высказано предположение о возможности появления ближнего порядка в термически равновесной пылевой плазме [3, 12]. Аналогичные рассуждения привели Икези [13] к выводу о возможности кристаллизации пылевой подсистемы в неравновесной газоразрядной плазме. Спустя несколько лет после опубликования этой работы пылевой кристалл удалось наблюдать экспериментально сначала в плазме высокочастотного разряда вблизи границы прикатодной области [14-17], а затем и в положительном столбе тлеющего разряда постоянного тока [18]. Недавно упорядоченные структуры пылевых частиц были обнаружены также и в термической плазме при атмосферном давлении и температуре около 1700 К [19].
Плазменные кристаллы обладают целым рядом уникальных свойств, делающих их незаменимым инструментом как при исследовании свойств сильнонеидеальной плазмы, так и при исследовании фундаментальных свойств кристаллов. К ним следует отнести простоту получения, наблюдения и контроля за параметрами, а также малые времена релаксации к равновесию и отклика на внешние возмущения. Кроме того, пылевые частицы обычно могут наблюдаться невооруженным глазом или с помощью простейшей оптической техники. Это позволяет проводить измерения на кинетическом уровне. В частности, возможно прямое определение функции распределения пылевых частиц по координатам и импульсам. Это позволяет детально исследовать процессы фазовых переходов, низкочастотные колебания в пылевой плазме, а также делает возможным реализацию принципиально новых методов диагностики параметров пылевых частиц и окружающей плазмы. Неудивительно поэтому, что в настоящее время исследования пылевой плазмы проводятся широким фронтом в лабораториях разных стран.
Эти исследования поставили много вопросов, ответ на которые не мог быть получен в рамках существующих теоретических представлений. Это касается, например, вопроса о виде потенциала взаимодействия между пылевыми частицами.
6
их динамического поведения, причин возникновения низкочастотных колебаний пылевой компоненты в газовых разрядов различных типов, условий и динамики формирования упорядоченных структур макрочастиц в плазме и др. Целью данной диссертационной работы было изучение динамических процессов в пылевой плазме. Для ее реализации были проведены как экспериментальные исследования, так и разработаны новые теоретические модели, позволяющие адекватно описать наблюдаемые в экспериментах явления. В результате были получены новые данные о динамическом поведении заряженных макрочастиц в плазме. В частности, предложены механизмы, позволяющие объяснить аномальный разогрев пылевых частиц в газоразрядной плазме, а также неустойчивость низкочастотных колебаний пылевой плазмы в положительном столбе тлеющего разряда постоянного тока, получены новые данные о коэффициенте диффузии заряженных частиц в термической плазме атмосферного давления; изучена динамика формирования упорядоченных структур в термической плазме.
Автор выносит на защиту следующие научные положения:
1. Модель, описывающую стохастические флуктуации заряда макрочастиц в различных типах плазмы.
2. Результаты исследования влияния стохастических флуктуаций заряда на динамику пылевых частиц в газоразрядной плазме.
3. Механизм неустойчивости пылезвуковых колебаний в положительном столбе тлеющего разряда постоянного тока.
4. Вид потенциала взаимодействия между пылевыми частицами в термической плазме.
5. Результаты экспериментального исследования коэффициента диффузии заряженных частиц в термической плазме атмосферного давления.
6. Результаты сравнения численного моделирования динамики формирования упорядоченных структур с экспериментом в условиях термической плазмы.
7
Глава 1. Физика процессов в пылевой плазме.
1.1. Образование и зарядка пылевых частиц в плазме.
В лабораторных условиях пылевые частицы могут вводиться в плазму как преднамеренно, так и самопроизвольно образовываться в ней. Имеется несколько возможных источников зарождения пылевых частиц. Один из них - это конденсация, приводящая к появлению твердых частиц или капель. В химически реагирующих смесях пылевые частицы могут зарождаться в результате химических реакций. Наконец, эрозия электродов и стенок разрядных камер также приводит к инжекции макрочастиц в плазму. В настоящее время можно считать установленным, что большинство плазменных разрядов низкого давления содержит сравнительно хорошо удерживаемую разрядом пылевую компоненту. Удержание происходит из-за появления у пылевых частиц, поглощающих электроны и ионы плазмы, отрицательного заряда и наличия по той же причине отрицательного потенциала у стенок разрядного промежутка. Удерживаясь в разряде, частицы могут расти. Один из возможных механизмов такого роста это - рекомбинация электронов и ионов, приводящая к постоянной депозиции материала на поверхности пылевой частицы. Возможно также, что происходит агломерация (слипание) пылевых частиц. Агломерация одноименно заряженных частиц может быть объяснена сильной асимметрией по размерам, наличием механизмов притяжения, дополнительных к кулоновскому расталкиванию, либо малостью заряда частиц, так что случайные флуктуации их заряда позволяют частицам иметь как малые отрицательные, так и малые положительные заряды. Частицы, имеющие противоположные по знаку заряды, будут при этом притягиваться и могут агломерировать. Указанием на агломерацию частиц является то, что обладая сначала сферической формой, в процессе роста, пылевые частицы принимают вид сложной фрактальной структуры, напоминающей внешне кочан цветной капусты [20] (см. рисунок 1.1). В целом механизмы образования и роста пылевых частиц в плазме до конца не поняты и нуждаются в дальнейшем изучении. Независимо от того, помещена ли пылевая частица в плазму преднамеренно или самопроизвольно образовалась в ней, она приобретает электрический заряд. Вопросам, связанным с
8
- Київ+380960830922