尘埃等离子体的研究进展(6)
由此不难看出，等离子体中存在带电尘埃是很普遍的现象，从20世纪90年代中期开始，尘埃等离子体作为等离子体学科中一个崭新的分支领域，有越来越多的不同研究方向的学者，如从事空间、实验室、工业应用等离子体的研究人员等，都对其产生了兴趣并开始从事相关的工作。在此之后的十余年里，尘埃等离子体研究得到了飞速发展。
3 关于尘埃颗粒的研究
在尘埃密度比较低的情况下，关于尘埃等离子体的研究便主要集中于对等离子体中的尘埃颗粒的研究，其内容主要包括尘埃颗粒的生长和带电、颗粒自身的鞘层结构、尘埃颗粒与等离子体的相互作用、电磁场以及电子、离子和中性气体对尘埃颗粒的作用等方面。以下仅针对尘埃颗粒的荷电性质，颗粒的形成与生长，颗粒的受力及相互作用等方面进行重点阐述。
3.1 尘埃颗粒的荷电性质
自然界中颗粒荷电现象是非常普遍的，不限于尘埃等离子体。例如我们熟悉的雨滴一般是带电的，虽然其电荷微弱不足以影响其运动，其荷电过程可能发生在带电的雨云中，也可能在降落过程中由与空气的摩擦形成，后一种原因也造成空气中的尘埃，或被大气物理学家称为气溶胶的微小固体或液体颗粒带电[28]。下面简要说明尘埃等离子体中尘埃颗粒的充电机制及电荷涨落问题。
3.1.1 尘埃颗粒的充电机制
尘埃颗粒上的电荷是被等离子体中的电子和离子所充电的。带电机制有很多种，最基本的机制是轨道运动受限的静电探针模型。通常假设德拜长度 ，a为颗粒半径。颗粒所带的电荷 由充电方程 决定，其中 和 分别为电子和离子充电电流， ，式中 是探针（这里是颗粒）相对于等离子体的电位[29]。电子、离子由于无规则热运动而不断地与尘埃颗粒碰撞，它们在颗粒周围的静电场中作轨道运动，如果碰到颗粒表面，就使之带上一个电荷。通常电子的无规则运动速度远大于离子，因而最先使颗粒带上负电，这样颗粒周围建立的静电场是排斥电子吸引离子的，最终打到颗粒表面的电子电流与离子电流大小相等，颗粒电荷不再增加，达到平衡 ，这说明通常情况下尘埃颗粒带负电[16]246。充电电流一般与等离子体密度、温度、流速等参数有关，同时也与尘埃颗粒的大小、形状、质地、数密度有关。如果颗粒尺寸远小于德拜长度，则可近似看作球形点电荷，假如数密度比较小，以至于相邻颗粒的间距远大于德拜长度，则可视为孤立的点电荷。在这种情况下，充电电流有解析表达式，有关系式 ，其中 为等离子体电位[29]。在尘埃粒子数密度比较高的情况下，每个德拜球内就不止一个尘埃颗粒，这样颗粒间就会有相互作用，等离子体充电电流也被几个颗粒分享，则颗粒上所带的电荷比孤立情况下的电荷小。
一定环境下颗粒负电荷增长过程不是无限进行下去的，当一个颗粒的负电位（这个负电位由它所携带的纯电荷，即正负电荷之差，和它的尺寸决定）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。
此外常见的颗粒带电机制还有光电子发射机制和二次电子发射机制。由于存在场发射、电子和离子及亚稳态粒子与颗粒的碰撞、紫外光吸收以及热电子发射等效应，尘埃颗粒表面将发射电子。由于颗粒表面的场发射，很小的颗粒将不能够积聚负电荷。一个光滑球表面附近的电场为 ，将 代入，其中的 ，并取 ，则得到 。假定场发射在 时发生，则对于半径 的颗粒将不能带电。对于非球形或表面不平的颗粒，当平均半径大于4nm时也会发生场发射。设a=10nm时颗粒开始带电，那么此时所带电荷为 。发射的光电流与入射光子通量及光电子产额成正比，后者与颗粒质地有关。在没有别的机制参与下，这种机制会使颗粒带正电[28]。光电子发射机制通常在空间环境中比较常见，在星际空间或地球大气层外往往存在很强的紫外线，这是空间尘埃等离子体带电的主要原因。当存在高能电子或离子时，这些粒子在轰击尘埃颗粒的同时，会使颗粒释放出二次电子，其结果是使颗粒带正电。只有能量超过几十甚至上百eV的粒子打到尘埃上才会发射二次电子。通常在有高能粒子情况下，如在实验室等离子体的高压鞘层中或空间等离子体的宇宙射线中，这种带电机制显得比较重要[30-32]。
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