尘埃等离子体的研究进展(4)
时间:2017-05-06 11:50 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
2.2 尘埃颗粒及其形成 在太阳系中，人们已探测到各种形态和来源的尘埃粒子，如空间物质的碎片、陨石微粒、月球的抛射物、人类对空间的“污染”物等。在星际云中，尘埃粒子可以是电介质，如冰、硅粒等，也可能是类金属的物质，如石墨、磁铁矿等物质。尘埃颗粒也普遍存在于实验室装置中，在电子实验室中，尘埃粒子来源于电极、电介质的器壁，或来源于充入的气体等[15]。一般尘埃颗粒的可能质量范围大约为 ，尺寸从纳米量级到微米、毫米量级不等，其形状也不一定规则。在等离子体中，这些尘埃颗粒因与电子、离子碰撞而携带电荷，每个微粒能带成千上万个基本电荷，但荷质比要比离子小很多个数量级，此外微粒所带的电荷不是常数，是随等离子体参数的变化而变化的[16]244。等离子体中的作用主要是静电的相互作用，悬浮在等离子体中的带电颗粒也参与了同电子和离子的相互作用，使得这种物质形态内的过程更加复杂。 人们对尘埃颗粒的形成机制了解尚浅。在很多放电系统中，颗粒的形成可以分成几个阶段：最初是通过负离子或中性团簇生长起来的气态成核阶段，接着是通过团簇的凝结进入快速生长阶段，然后是通过中性粒子离化碎片在其表面的沉积继续生长并伴随负电荷积累的过程。颗粒也可能从沉积在器壁或基底上的薄膜的破裂或溅射过程中产生[17]。尽管可以做一些看起来较好的分析，但由于中性粒子化学反应和种子粒子的复杂性，许多问题仍然没有答案。特别是在最初始阶段，这些大小相对均匀的种子粒子是如何形成的，以及如何确定稳态时颗粒的大小，至今还不十分清楚。 2.3 尘埃等离子体的特性 尘埃等离子体最基本的性质就是颗粒的带电，且通常情况下带负电。在等离子体中不断作热运动的电子和离子经常与固体颗粒碰撞而被俘获，将自己的电荷传给颗粒。然而电子所携带的负电荷和离子所携带的正电荷不能完全抵消，因为即使在同样的温度下，质量小的电子的运动速度远大于离子，所以单位时间内被颗粒俘获的电子要远大于离子，使颗粒带负电荷[18]6。当一个颗粒的负电位增长到一定程度的时候，它通过静电的作用吸引正电荷，排斥负电荷，致使两种粒子流相等，电位和纯电荷就不再增长。尘埃颗粒的表面电位的大小是电子温度的数倍，该表面电位的作用是排斥易动的电子、吸引较重的正离子，最终使得到达颗粒表面的正离子通量和电子通量相等[19]。 但当部分因素改变时，尘埃等离子体的荷电性质也会发生各种改变。如果电子能量足够高，或等离子体处在紫外辐照的环境中，则颗粒表面可以发射二次电子，将导致表面电位和电荷的降低，在极端情况下这可能导致表面电位变为正的并使颗粒带正电[20]。如果颗粒大小和密度足够高，尘埃的电荷密度能够超过电子的电荷密度，导致一种电负性平衡，其中“负离子”就是带负电的尘埃颗粒，这种情况下将会出现更加复杂的平衡状态以及等离子体的分层现象，且颗粒主要集中在等离子体鞘层附近[21]。如果尘埃颗粒密度足够高，它们周围的德拜球将重叠，这将改变平衡状态。此外尘埃等离子体中的势能可能超过动能，此时它被称为强耦合等离子体，这种等离子体能够表现出特殊性质并展现类似液体和晶体的行为[22]。 尘埃等离子体中的微粒的运动除了受重力作用外，主要受电磁力的支配，并受到热压力、离子风和中性粒子的拖曳力等的影响，这就使尘埃等离子体有别于含负离子的等离子体，呈现出许多新的特性。一是尘埃粒子产生的集体效应并非“短期”现象，也就是说尘埃粒子是一个非常有效的集体效应激发源，这是因为尘埃粒子产生的集体效应（如不稳定性等）对尘埃粒子本身的反作用非常小，它的作用决不只限于临近它的一些集体过程。另一个特点是强的非线性效应，尘埃粒子具有势场 （k为玻尔兹曼常数），此时在尘埃粒子附近线性近似已经不能适用，因此尘埃粒子好比一个非线性现象的产生源[23]。 (责任编辑：qin) |