Курсовая работа (т): Пилова плазма

Пилова плазма

ЗМІСТ

ВСТУП

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

2. ПРОЦЕС ЗАРЯДКИ ПИЛОВОЇ ЧАСТИНКИ

3. ВЗАЄМОДІЯ МІЖ ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ

4. НЕІДЕАЛЬНІСТЬ ПИЛОВОЇ КОМПОНЕНТИ

5. ФАЗОВІ ПЕРЕХОДИ В ПИЛОВИЙ ПЛАЗМІ    

6. ТРИВИМІРНІ КРИСТАЛІЧНІ СТРУКТУРИ МАКРОЧАСТИНОК В ТЛІЮЧОМУ РОЗРЯДІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

ВИСНОВКИ

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТУРА

ВСТУП

Комплексна (пилова) плазма - область фізики, яка дуже бурхливо розвивається сьогодні. Її особливістю є сильний зв'язок між однією з компонент - пиловими частинками, які мають великий електричний заряд-до 106 елементарних. Така плазма є не ідеальною. У ній утворюються структури різного ступеня впорядкованості: плазмовий кулонівський кристал, пилова рідина. Фізика формування структур, сил взаємодії між пиловими частинками сьогодні дуже активно вивчається. Пилова плазма широко поширена в природі, наприклад, в астрофізичних об'єктах. Вона утворюється в технологічних процесах, в продуктах згоряння, при виготовленні мікросхем і тонких плівок, при ядерних вибухах.

Пилова плазма, яка складається з електронів, іонів та заряджених пилових частинок, останнім часом є предметом інтенсивних досліджень. Це обумовлено широким розповсюдженням такої плазми в космосі [1,2], лабораторних експериментах та промислових установках плазмового травлення для створення комп`ютерних мікросхем, нанесення плівок [3]. Проведені експериментальні дослідження показали, що для пилової плазми характерні процеси самоорганізації, внаслідок яких пилові частинки локалізуються в областях з різкими границями. Зокрема, дослідження запорошеної плазми в умовах мікрогравітації показали утворення пилових згустків та пустот, які мають стійкі границі з шириною, порядку відстані між пиловими частинками [4,5]. В ряді робіт були запропоновані теоретичні пояснення цього явища. В [5] було висунуто ідею, що утворення пустот всередині пилових згустків обумовлено розвитком плазмових нестійкостей і вирішальне значення має дія на пилові частинки електричної сили та сили іонного вітру. Проте в цьому питанні ще не існує повного розуміння. В більшості моделей використовуються рівноважні розподіли для електронів та іонів, справедливість яких викликає сумнів. Зокрема, в [6] показано, що на границях між електрон-іонною плазмою і плазмою з пиловими частинками виникають подвійні шари, які можуть пояснити утворення різких границь в запорошеній плазмі. Для самоузгодженого описання процесу утворення вказаних структур необхідно враховувати іонну інерцію.

1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Пилова плазма є квазінейтральний іонізований газ з твердими частинками, які в плазму вводяться ззовні, або в ній утворюються і ростуть. У лабораторній пиловий плазмі макрочастинки (пилові частинки) можуть мати розмір а от 0, 01 до100 мкм. Взагалі, пиловою частинкою вважається та, розмір якої менше дебаївського радіусу а <d. У лабораторних умовах пилова плазма була вперше виявлена Ленгмюром ще в 1924 році. Її утримання в розряді відбувається за рахунок появи негативного заряду у пилових частинок. Тіло, поміщене в плазму, знаходиться під плаваючим потенціалом φfl. Розглядаючи частинку як тіло електроємністю С ~ a, можна оцінити її заряд: q ~ a φfl. У низькотемпературній плазмі плаваючий потенціал може достигати 30 В, а заряд макрочастинок болем 103 елементарних. Негативно заряджені макрочастинки в області достатньо сильного електричного поля утримуються в плазмі: mdg = Eq, тут md - маса макрочастинки. У стінок газорозрядної камери (з тієї ж причини) утворюється потенційний бар'єр, і однойменно заряджені частинки не йдуть на стінки. Таким чином, газовий розряд створює "природну" потенційну пастку для пилових частинок. У плазмі створюються плазмово-пилові утворення. При підсвічуванні порошинки, наприклад, лазерним променем, можна спостерігати практично неозброєним оком. Джерелом пилових частинок є випаровуються з поверхонь камери та електродів частинки, в лабораторних експериментах частинки інжектуются в розрядну камеру зверху.

Активне дослідження пилової плазми почалося в останнє десятиліття у зв'язку з низкою додатків, таких як електрофізика і електродинаміка продуктів згоряння ракетних палив, електрофізика робочого поля магнітодинамічних генераторів на твердому паливі. Особливим стимулом стало виявлення в 1994 р. плазмово-пилових структур кристалічного типу в лабораторній плазмі високочастотного розряду.

Необхідність вивчення властивостей пилової плазми пов'язано з широким використанням технологій плазмового напилення і травлення в мікроелектроніці, а також при виробництві тонких плівок і наночастинок. Наявність частинок в плазмі не лише призводить до забруднення поверхні напівпровідникового елементу і, тим самим, до збільшення виходу браку, а й збурює плазму, часто непередбачуваним чином. Зменшення і запобігання цих негативних ефектів не можливе без розуміння процесів утворення і росту конденсованих частинок в плазмі, механізму їх перенесення і впливу на властивості розряду.

У процесах травлення існують два джерела пилових частинок. По-перше, це перенасиченість парів продуктів травлення, що призводить до сублімації частинок і крапель. У хімічно реагуючих сумішах пилові частинки утворюються в результаті хімічних реакцій. Так можна вирощувати частинки необхідних розмірів в лабораторних експериментах, а, потім, зупинивши реакцію (наприклад, зменшивши потужність, вкладаємо в розряд) їх досліджувати. Друге джерело - сам процес травлення, принцип якого полягає в наступному. Шар заряду біля стінок камери зупиняє електрони і прискорює іони, які набувають енергію, яку можна порівняти з електронною температурою kTe. Зразок для травлення має маску, і іони, що досягають його поверхні, повинні створювати локальну температуру порядку температури плавлення матеріалу зразка. Це призводить до інжекції фрагментів травлення в плазмовий об'єм.

Пил і пилова плазма широко поширені в космосі. Вони виявлені в планетарних кільцях, хвостах комет, міжпланетних і міжзоряних хмарах, поблизу штучних супутників Землі. Сьогодні роль колективних ефектів внесених пилом враховується при космічних дослідженнях. Наприклад, показано, що в кільцях Сатурна для частинок менше 1 мкм домінуючою силою взаємодії є електростатичне відштовхування. Воно визначає товщину планетарних кілець. Саме великі "пилинки" мають розмір 5 м (рівний d).

Пилова компонента існує в пристіночній області термоядерних установок з магнітним утриманням. Вона утворюється при ядерних вибухах, видаляється з відповідних установок "електричним пилососом".

Плазма як суміш газів зазвичай характеризується слабою або помірною взаємодією між компонентами (в порівнянні з їх тепловою енергією), що відокремлює цей стан речовини від твердого та рідкого станів, які характеризуються сильним взаємодією. Повністю іонізовані гарячі гази часто називаються ідеальної плазмою. Критерієм сильного зв'язку може служити параметр неідеальності (постійні зв'язки), який визначається як відношення енергії кулонівського взаємодії між сусідніми частинками до теплової енергії частинок kT, тобто

.

За такого формулювання γ ефектами екранування нехтують. Тоді при γ ≈ 1 в системі з'являється ближній порядок, а при γ ≥ 170 - дальній, тобто відбувається кристалізація. Параметр неідеальності можна збільшувати наступними способами. По-перше, підвищувати концентрацію частинок n (так відбувається в твердих тілах). У газах це можливо в ударних хвилях. Оцінка для центру Сонця, де n = 1026 см-³, Т ≈ 1,5 кеВ дає γ ≈ 0,1. По-друге, можна зменшувати температуру плазми (за умови відсутності рекомбінації). Так, кристалічні структури в однокомпонентних сумішах спостерігалися в електростатичних вакуумних пастках і пастках Паулі на іонах магнію, охолоджених до температур10-³ К. Кулонівський кристал реалізується також в колоїдних розчинах, де частинки мікронного розміру, зважені в електроліті, заражаються до величини заряду 104е. Але через сильне екранування необхідна велика концентрація частинок. Це призводить до труднощів при експериментальному вивченні. Крім того, час стійкої рівноваги дуже велике.

Третя можливість підвищення γ - збільшення заряду частинок q. В 1986 р. Ікезі було висловлено припущення про можливу кристалізації пилової компоненти в нерівноважній газорозрядній плазмі. В 1994 р. плазмово-пиловий кристал експериментально спостерігався в плазмі високочастотного розряду, поблизу нижнього електрода на кордоні прикатодної області (див. рис.1). У горизонтальному перетині площею 6, 2 мм2 знаходиться 392 порошинки діаметром 7 мкм.

Рис. 2 демонструє розташування різних лабораторних і космічних плазм на фазовій площині (n, T) (1еВ = 11600К). Суцільною лінією відокремлена область Польовий плазми (γ = 1), що розділяє стану сильної і слабкої зв'язку. Раніше, область γ> 1 була доступна тільки для теоретичного дослідження з використанням чисельних методів.

Плазмовий кристал може мати різну кристалічну структуру з постійною решітки порядку доль міліметра. Це дозволяє спостерігати його неозброєним оком. Плазмові кристали мають цілу низку унікальних властивостей, що роблять їх незамінним інструментом, як при дослідженні властивостей неідеальної плазми, так і при дослідженні фундаментальних властивостей кристала. До них слід віднести простоту отримання, спостереження і контролю за параметрами, а також малі часи релаксації до рівноваги і відгуку на зовнішні обурення; можливість проводити вимірювання на кінетичному рівні: безпосередньо визначати функцію розподілу пилових частинок, детально дослідити фазові переходи.

2. ПРОЦЕС ЗАРЯДКИ ПИЛОВОЇ ЧАСТИНКИ

Пилова частинка, поміщена в плазму, у відсутності емісійних процесів з її поверхні заряджається негативно. Прийнято вважати, що електрони, які потрапили на поверхню плазми поглинаються, а іони, які підлітають до поверхні виривають електрони і рекомбінуються. Внаслідок більш високої рухливості електронів їх потік значно перевищує потік іонів, і частинка починає заряджатися негативно. З'явився у частинки негативний заряд призводить до відштовхування електронів і до тяжіння іонів. Заряд частинки змінюється до тих пір, поки не зрівняються потоки електронів та іонів на її поверхню.

Більшість теоретичних моделей зарядки пилової частинки засновані на теорії електричних зондів в плазмі. При виконанні умови

<< d << λi (e),

виходячи тільки із законів енергії і моменту імпульсу, можна визначити переріз поглинання електронів та іонів пиловий частинкою. У припущенні, що електрони і іони поглинаються в тому випадку, якщо їх траєкторії перетинають або торкаються поверхні пилової частинки, перерізу мають вигляд

Потенціал поверхні пилової частинки відносно незбуреної плазми φ тут прийнятий негативним. Дана модель називається наближенням обмеженого орбітального руху (orbit motion limited theory OML). Потік електронів та іонів обчислюється як

де fe(i)(v) - функція розподілу електронів (іонів) за швидкостями. Для максвеллівських розподілів плазмових частинок за швидкостями

Інтегрування дає

.

За наявності спрямованого руху іонів зі швидкістю, що значно перевищує їх теплову швидкість, що характерно, наприклад, для пристінкових областей газорозрядної плазми, замість останнього виразу слід використовувати

де vs-спрямована швидкість іонів, vs >> vTi. Для сферичної частинки, за умови a << d, зв'язок заряду q = Zde з потенціалом дається виразом Zde = aφ. Дане співвідношення отримане з рішення лінеарізованого завдання про розподіл потенціалу в межах сферичної макрочастинки в больцманівській плазмі. Зручно ввести безрозмірні параметри, що визначають безрозмірний заряд пилової частинки і відношення температур і мас електронів та іонів у плазмі

Стаціонарний потенціал поверхні пилової частинки, а також її заряд визначаються рівністю потоків електронів та іонів, що поглинаються частинкою. Для однозарядних іонів це умова має вигляд

Ie = Ii,

з якого при підстановці виходить рівняння

Наприклад, при значення z дорівнюватиме 1,7 і 3 відповідно.

Зауважимо, що стаціонарний потенціал поверхні пилової частинки визначається як φfl ~-Te/e з точністю до множника порядку одиниці. Це пов'язано з тим, що більша частина електронів не має енергії, достатньої для подолання потенційного бар'єру між плазмою і поверхнею частинки. Якщо розглядати не випадковість відокремленій частинки, а випадок, коли концентрація пилових частинок велика, то можна використовувати умову квазінейтральності

ni ≈ ne + Zdnd.

У цьому випадку заряд пилових частинок зменшується.

Потрібно зауважити, що зарядка пилових частинок є, як правило, досить швидким процесом з характерним тимчасовим масштабом t-1~ ω0(a/de) (порядку мікросекунд).

3. ВЗАЄМОДІЯ МІЖ ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ

Взаємодія між пиловими частинками значно відрізняється від кулонівського взаємодії в вакуумі. Виходячи з моделі відокремленій частинки, можна отримати вираз для потенціалу, створюваного пиловий часткою (якщо r << d)

аналогічно виразу для дебаївського потенціалу. Отриманий потенціал часто використовується для опису взаємодії між пиловими частинками в плазмі. Однак, завдяки відкритості системи, розподілу електронів та іонів у околі частинки виявляються відмінними від больцманівських, оскільки відсутні електронні та іонні потоки, спрямовані від поверхні пилової частинки назад в плазму. Як наслідок на відстанях, які значно перевищують дебаївський радіус, потенціал частинки не екранується експоненціально, а має ступеневу асимптотику

.

Зауважимо, що питання про взаємодію між пиловими частинками у разі великих концентрацій пилу сьогодні не вирішене і вимагає подальшого дослідження.

4. НЕІДЕАЛЬНІСТЬ ПИЛОВОЇ КОМПОНЕНТИ

Система взаємодіючих частинок характеризується параметром неідеальності γ. В умовах, характерних для пилової плазми, електронна та іонна підсистеми виявляються ідеальними. Пилова підсистема при NDd >> 1 ідеальна. При цьому пил виступає як додаткова плазмова компонента, що привносить нові характерні просторові і тимчасові масштаби в систему. Зокрема, виявляється можливою появу нових низькочастотних колективних мод, якi характеризуються плазмово-пиловий частотою ω0d. Пилові частинки беруть участь в екрануванні, даючи внесок у вираз для дебаївського радіусу

У випадку, коли NDd << 1 підсистема пилових частинок не завжди ідеальна. У цьому випадку пилові частинки не виступають в ролі додаткової плазмової компоненти, а дебаївський радіус визначається тільки електронами і іонами. При цьому відстань між пиловими частинками може бути більше радіуса Дебая для пилової компоненти, але вони не обов'язково взаємодіють сильно. При розгляді кулонівського екранованого взаємодії між пиловими частинками прийнято враховувати екранування у визначенні параметра неідеальності у вигляді

Таким чином, ступінь неідеальності пиловий підсистеми визначається двома параметрами:  і . У такому формулюванні враховується той факт, що само визначення дебаєїського радіусу залежить від того, чи беруть участь пилові частинки в екранування чи ні.