зарядка пылевых частиц в плазме стратифицированного

ЗАРЯДКА ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ПЛАЗМЕ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО
ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Амангалиева Рауан Женисовна Старший преподаватель,
Евразийский национальный университет им. Л.Н.Гумилева,
г. Астана
На сегодняшний день интерес к изучению физических свойств пылевой плазмы сильно
возрос. Это связано как с фундаментальной значимостью получаемых результатов, так и с
перспективой их прикладного применения во многих отраслях науки. Пылевая плазма
наблюдается во многих плазменных установках, в частности, в установках управляемого
термоядерного синтеза, а также в плазменных реакторах, дугах, разрядах. Пылевая плазма
встречается в современных технологиях, область применения которых обширна. Развитие
269
физики пылевой плазмы стимулируется так же появлением новых направлений в
плазменных технологиях - плазменного напыления и травления в микроэлектронике,
производства тонких пленок и наночастиц. А также на отдельных пылинках выращиваются
алмазы. Следовательно, во всех случаях, необходимо знание, прежде всего, физических
свойств пылевой плазмы как открытой системы, в которой существенную роль играют
упорядоченные плазменно-пылевые структуры [1]. В лабораторных условиях пылевая
плазма активно исследуется в стратах тлеющего разряда постоянного тока.
Заряд пылевой частицы является одним из важнейших параметров пылевой плазмы. В
данной работе рассматривается положительный столб тлеющего разряда постоянного тока в
аргоне. Аксиальное распределение электрического поля и функция распределения
электронов по энергиям (ФРЭЭ) в оси трубки были определены с помощью
самосогласованной кинетической модели [2]. Эта модель основана на одновременном
решении кинетического уравнения Больцмана для ФРЭЭ и нестационарного уравнения
дрейфа-диффузии для распределения ионов, а так же уравнения Пуассона для
электрического поля. Для нахождения радиального распределения электрического поля
рассматривалось приближение амбиполярной диффузии [3].
Используя пространственное двумерное распределение ФРЭЭ и распределение
электрических полей в стратифицированном разряде можно определить заряд пробных
пылевых частиц в различных точках разрядной трубки. Для нахождения заряда пылевой
частицы Qd(r,z) = – e0Zd(r,z) использовалась модель ограниченного орбитального движения
электронов [1]. Сечения захвата электронов и ионов частицей равны:
e s 
2e  
2
2

cap, e
(v)  a
1

0
(u e 
,
); 
cap, i

(V)  a

0 s
1 
2

,

mi V 

u 

2
где me(i) – масса электронов (ионов), u = mev /2 – кинетическая энергия электронов, v и V –
скорость электронов и ионов, радиус частицы a ~ 1 мкм. Стационарный потенциал частицы и
ее заряд определяется из условия равенства потоков электронов и ионов на поверхность
частицы Ie(r,z) = Ii(r,z), где:
0 s

I
e
(r, z)  2 / me
 cap, e (u) f0 (r, z, u)udu ,
e 
0 s

Ii (r, z)    cap, i (V ) fi (r, z,V )Vd V ,
3
0
f0(r,z,u) - изотропная часть неравновесной функции распределения электронов. С учетом
дрейфовой ( Vi (r, z)  i E(r, z) ) и тепловой скорости ионов, поток ионов на частицу имеет
вид:
Ii (r, z) 
  m V 2 / k T  2e  / k T )
(1
2
B i
i i
B i
0 s
B i
a ni (r, z)
2
mi
m V / 2k T

2k T

i
i
B i

2
 mV
erf 


i i
2


  exp
2kBTi 





2 
. 2k T 
B i
mV

i i


В стратах, где велико аксиальное поле, и вблизи стенки трубки, где растет радиальная
составляющая электрического поля, учет дрейфовой скорости ионов при определении заряда
частицы необходим.
На рис. 1 представлено двумерное распределение положительной величины Ws(r,z) = –
e0s(r,z), характеризующей потенциал поверхности пробной пылевой частицы s(r,z).
270
Рисунок 1 - Двумерное распределение потенциала поверхности пробной пылевой
частицы в газоразрядной трубке при р=0,5 Торр
Видно, что в стратах имеются области, в которых потенциал пылевых частиц
растет с расстоянием от центра трубки. Можно сделать вывод, что с увеличением
расстояния от оси трубки, максимумы в распределениях потенциала поверхности пылевой
частицы смещаются в сторону анода. Это свидетельствует о том, что форма страт
искривлена и обращена выпуклостью к катоду. Заряд пылевой частицы определяется
выражением Zd = |φs|a/e0 =
3
0,695∙10 Ws[эВ]∙a[мкм].
По полученным данным можно найти поле сил, действующих на пылевые частицы
(электростатической, силы ионного увлечения), проанализировать эти величины в
зависимости от массы и радиуса пылевой частицы, давления газа и падения потенциала на
положительном столбе разряда.
Литература
1.Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак C.A., Молотков В.И., Петров О.Ф., Пылевая плазма //
УФН.- 2004, №5.
2. Сухинин Г.И., Федосеев А. В., Самосогласованная кинетическая модель эффекта
стратификации разрядов низкого давления в инертных газах // Теплофизика Высоких
Температур. – 2006. – Т.44, №2.
3. Рамазанов Т.С., Джумагулова К.Н., Амангалиева Р.Ж., Сухинин Г.И., Федосеев А.В.
Радиальные и аксиальные распределения параметров пылевой плазмы в
стратифицированном тлеющем разряде постоянного тока // Вестник КазНУ. Серия
физическая. - 2007. - №1(23). – C. 33-38.