尘埃等离子体的研究进展(2)
1.2 尘埃等离子体的基本研究方法
尘埃等离子体作为等离子体物理的一个前沿分支，它的基本研究方法与等离子体物理一样，有理论分析、实验研究及数值计算和模拟等三种方法[2]。由于尘埃等离子体中的尘埃电荷量及质量都非常大，因此具体处理方法又与等离子体中有所不同。
尘埃等离子体的理论研究方法可以分为宏观描述和统计描述两大类[3]。其中宏观描述即流体力学理论，它将尘埃等离子体中的带电粒子，即电子、离子、尘埃粒子视为不同的流体分别描述，可通过方程求出作为流体的尘埃等离子体的自洽场合一些集体运动，如不稳定性与波。统计描述是以尘埃等离子体中的各种粒子的速度分布函数 的时间演化过程为手段的理论研究途径，包括描述无碰撞等离子体中的波和粒子相互作用的Vlasov波动理论和碰撞等离子体中的动力学理论[4-5]。此外，还有一种单粒子轨道理论，即忽略粒子间的相互作用，将尘埃等离子体的多体问题简化成单个试探粒子在给定电磁场中的轨道运动；在许多等离子体问题中，试探粒子的轨道描述可以给等离子体行为做出更严格的零级近似[6]。
数值计算和模拟研究方法是指从一定的物理模型出发，用计算机做数值计算或模拟，以揭示等离子体某些性质和运动规律的方法[3]。由于尘埃等离子体是自由度十分巨大的体系，物理现象极为丰富又很复杂，因此作为等离子体物理三个研究途径之一的数值计算和模拟方法就显得越来越重要。相应于等离子体的流体、统计和单粒子描述，数值计算和模拟研究方法大体上分为流体、动力学和粒子模拟三个方面[7]。
实验研究使最直观的研究方法，它通过针对具体问题、设计相应的实验装置，配备必需的测量手段，来研究等离子体中的各种物理问题[3]。在尘埃等离子体的研究和等离子体加工过程中，尘埃粒子行为的研究主要采用实验研究方法。研究的内容包括尘埃粒子的形成以及生长、分布和运输，测量的尘埃粒子参数包括尘埃粒子的尺寸、密度分布、电荷量、位置及分布等[6]。到目前为止，尘埃等离子体的实验研究大部分都是采用平板电容射频放电等离子体发生装置。实验测量手段主要有朗缪尔探针，发射光谱法，激光散射法(LLS)，光致分离及光致电离法(PD和PI)等等。
1.3 尘埃等离子体物理的研究近况
近年来尘埃等离子体尤其是实验室尘埃等离子体领域一些奇特而有趣的重大发现引起了各界的极大关注，从而使其在短短数十年中发展成为等离子体物理领域乃至整个物理领域一个研究热点。尘埃等离子体物理的研究对象与所关心的问题有关，关于尘埃等离子体的研究包括以下两种情况。第一，对于尘埃粒子稀少的情况即“尘埃粒子在等离子体中”，关心的是尘埃的个体行为。例如，尘埃粒子的生长和带电，尘埃本身的鞘层结构，等离子体对尘埃的影响，电磁场以及电子、离子和中性气体对尘埃粒子的作用等。第二，在尘埃粒子的密度大的情况下，带电的尘埃粒子的行为是等离子体的另一成分即“尘埃等离子体”，所关心的问题是等离子体的集体行为。例如，尘埃等离子体波及不稳定性，尘埃等离子体鞘层、尘埃等离子体晶格等[8]。目前关于尘埃等离子体的研究主要涉及空间尘埃等离子体、尘埃等离子体与电磁波的相互作用、库仑晶体、尘埃等离子体中的波的传播、相变、低气压尘埃等离子体等等。
微粒或“尘埃”是空间等离子体的重要组成部分，在那个领域中，尘埃等离子体现象曾得到广泛研究。近期人们发现等离子体中的这些尘埃颗粒对用于材料处理的气体放电有重要的影响：一方面，微粒对刻蚀和沉积过程会造成污染；另一方面，气体放电中微粒的形成和生长又为粉末合成及表面改性提供了一种独特的新方法[9]。这两个因素重新引起了人们对尘埃等离子体物理的研究兴趣。人们曾经探索过工业用等离子体腔室中清除颗粒污染的各种方法，基于对有关颗粒的形成及其动力学行为方面的知识的不断积累，人们发明了一些清除颗粒的新手段，并探索出在放电中产生微米和纳米颗粒的一系列方法。
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