等离子体中尘埃微粒行为的研究进展(2)
时间:2018-05-13 18:02 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
1．2 尘埃等离子体的分布 尘埃等离子体的分布十分广泛，在宇宙空间、实验室里、工业加工环境中都能找到各种不同性质和来源的尘埃等离子体。宇宙空间的如行星环、星际云中的类金属的物质等，实验室如电极电介质的器壁，或来源于充入的气体等，工业上中如等离子体材料工艺、制造高密度集成电路以及薄膜沉积技术的加工环境等。尘埃等离子体在不同环境下的广泛分布，使得各种方向的研究者们有了共同的研究兴趣。 1．3 尘埃等离子体的研究起源 尘埃等离子体广泛存在于星际空间和地球电离层等空间环境，最早对尘埃等离子的研究也是开始于空间等离子体方面，可直追溯至一百多年前的天文观测。早期的尘埃等离子体研究着重于空间物理方面，如二十世纪八十年代对土星环的研究[2]。后来随着微电子工业的发展，1989年，Selwyn等人[3]在处理颗粒污染问题时发现，实验室中等离子材料加工过程中，加工基片上方的尘埃粒子行为与太空环境下的尘埃微粒行为类同，尘埃等离子在实验室和工业加工的等离子体环境中也普遍存在，尘埃等离子体也可以在实验室中产生。1994年[4-6]实验室中实现了库仑晶格，大大激发了人们对尘埃等离子体的研究热情，有关尘埃等离子的研究工作开始迅速多起来，并逐渐成为一个活跃的的分支领域。 1．4 本文的研究内容 本文将对近年来有关等离子体中尘埃微粒行为的一些研究进行综述，第二章介绍尘埃微粒的基本性质，第三章介绍静电探针的原理及发展，第四、五、章介绍了尘埃微粒的分布、电荷量以及对等离子体性质产生的影响，第优尔章介绍了尘埃等离子体的电导率方面的研究进展。 2 等离子体中尘埃微粒的基本特性 通常情况下，等离子体中尘埃微粒的电性为负，但尘埃等离子体并不仅仅只是等离子体与带有负电的尘埃微粒的简单叠加，尘埃微粒会改变等离子体的集体效应，也使得等离子体产生许多新的独特的性质。 2．1 电荷量 尘埃等离子体中的带电微粒通常是带负电的，而且数值是很大的。在尘埃等离子体重，带电粒子不断做无规则热运动，运动速度快的电子与微粒相碰撞，使尘埃微粒也带上了负电荷；然后带负电荷的尘埃微粒与带正电荷的离子相互吸引，使得微粒表面的电子电流与离子电流大小相等，尘埃微粒电荷不再发生变化，达到平衡。故而通常情况下尘埃微粒是带负电的。 a λD，则可近似看作球形点电荷，其具有的电势，将使其上的电子的温度与等离子体中的电子温度同量级，即 (k为玻尔兹曼常数)[7]。对应于这个电势，一般尘埃微粒的电荷量为102 ~ 106e。 2．2 可变性 当尘埃微粒间的平均距离d比德拜长度大得多时，则可以忽视尘埃微粒之间的相互作用，即可视其为孤立的点电荷。由于尘埃微粒是在等离子体中与电子的碰撞过程中得到负电荷的，因此除了尘埃微粒本身的特性(如前一时刻的带电情况)之外，等离子体的密度、电位、温度等参量的改变、以及一些外部环境的改变，都会成为影响尘埃微粒的带电情况的因素。其中最常见的是等离子体中的波动影响电荷的涨落。当尘埃粒子间的平均距离d相对较小（当d不满足远大于等离子体的德拜长度时）时，粒子间的相互作用已经不能被忽视，这使得它们与等离子体中电子、离子的相互作用过程(例如电子离子对尘埃粒子的充电及屏蔽效应)和整个系统与外界的相互作用(例如电磁相互作用)都变得非常复杂[7]。 2．3 运动特性 等离子体中的尘埃微粒的质量和电荷量都很大，其荷质比远小于电子和离子，因此其运动性质与离子和电子也有很多差异。处于平衡态的平行平板等离子体中，在两个电极附近存在鞘层，此时作用在颗粒上的力包括重力、离子的拖曳力和中性粒子的拖曳力以及电场力，再加上热压力等其他因素，将会使得尘埃等离子体的集体效应表现出一些“非常”特性——一是尘埃粒子产生的集体效应并非“短期”现象，另一个是强的非线性效应。尘埃粒子本身几乎不受尘埃粒子产生的集体效应影响，线性近似条件为 ，而尘埃粒子具有势场 ，也就是说尘埃粒子是一个非线性现象的产生源和集体效应激发源。 (责任编辑：qin) |