尘埃等离子体的研究进展(7)
3.1.2 尘埃颗粒的电荷涨落
尘埃颗粒的另一个重要性质就是电荷涨落。与普通等离子体中离子电荷是固定的情况不同，尘埃颗粒的电荷不是固定的，是可以变化的动力学参量。因为颗粒是被等离子体带电的，因此等离子体密度、电位、温度等参量的改变都会使颗粒电荷发生变化。最常见的是等离子体中的波动，其密度、电位都有扰动，则就有相应的颗粒电荷涨落，这会大大影响波动性质。在通常的实验室低温等离子体中，尘埃颗粒的充电以及电荷涨落时间尺度与离子的振荡频率具有相同数量级，而且颗粒越大，时间尺度越短[33]。因此电荷涨落是相当快的，即使颗粒本身来不及运动，电荷涨落也会对等离子体性质产生很大影响。
3.2 尘埃颗粒的形成与生长
图3 等离子体环境下生长的碳颗粒
尘埃颗粒的形成与生长机制尚不完全清楚，一般来说，等离子体中的颗粒成长过程是很复杂的，涉及多层次的物质结构和原理。对其概括性的理解可以以硅烷中的颗粒生成为例，其气体原子在等离子体环境下被激发或电离后，结合成多体，再形成团簇，团簇仍为微观结构，它进一步形成纳米晶体，进入介观结构，然后它们通过凝聚过程长大形成宏观的颗粒[34]。人们通常借助于红外吸收、质谱、激光散射及其他技术来观察原始粒子以及观察颗粒数量和大小的变化。悬浮在等离子体中的固体颗粒可以通过不断收集环境中的电子离子而增长，但是这种增长速度很低，主要增长机制是凝聚，即不同的颗粒聚合在一起，而且这样的凝聚主要是大颗粒和小颗粒间的聚合。这个道理从简单的考虑就可以理解，两小颗粒间由于碰撞截面小而发生几率低，而大颗粒收集小颗粒的结果就是它们都发展成疏松的菜花状（如图3所示为等离子体环境下生长的碳颗粒）。这种颗粒生长过程在自然界实际上是常见的，例如冰雹就是类似的形状。这个生长机制的另一证明是观察实验开始后生成颗粒尺寸分布随时间的变化，实验证明颗粒是同步长大的，也就是说随着这批颗粒的长大，在同样气体环境下似乎没有新的颗粒生成，其原因当然是新生的小颗粒被已长成的大颗粒“吃掉”了[18]7。
在低气压放电中，形成微米大小尘埃颗粒的原始粒子似乎是质量较大的、带单一电荷的负离子团簇，并在某些情况下是中性团簇。在低气压或低功率放电情况下，团簇形成过程的基本物理图像是在初始阶段（可能是振动激发的）原料单体和原料分裂碎片不断地与带单一负电的团簇结合。在这个阶段，团簇快速生长直到它的尺寸达到某一个临界值j≈200（直径约为2nm）。这些单个负电荷之间是由化学键结合的，因而它们不太可能发生场发射或其他离解过程。因为负团簇被约束在等离子体中，它们可能比中性团簇的集结更占优势，后者以扩散速率损失，但对于高功率或高气压的情况则例外。紧随团簇形成之后，当j>200的团簇数密度足够高时，便是团簇间的凝聚。当凝聚的颗粒直径超过约10nm时，颗粒上所带的负电荷将阻止进一步的凝聚。但由于与中性碎片的碰撞，颗粒质量缓慢地增长，并伴随有负电荷的充电过程[2]。
在高气压或高功率放电情况下，团簇的生长速度可能足够快以至于j>200的团簇的初始形成时间短于扩散引起的中性粒子损失时间。在这种情况下，最初阶段形成的可能主要是中性团簇，而不是带单个负电的带电团簇。另一种情况是，在中性粒子扩散时间尺度的一小段时间内，团簇可能时而为中性的时而为带负电的[35]。所以一个时间平均的结果是，放电中存在一个约束它们的静电势。
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