Selection of dust particles in radio frequency inductive discharge

L. А. Novikov; Новиков Л. А.; М. A. Gasilov; Гасилов М. А.; M. S. Golubev; Голубев М. С.; M. V. Morozova; Морозова М. В.; E. S. Dzlieva; Дзлиева Е. С.; S. I. Pavlov; Павлов С. И.; V. Yu. Karasev; Карасев В. Ю.

doi:10.31857/S0367292124080068

Отбор пылевых частиц в высокочастотном индукционном разряде

Авторы: Новиков Л.А.¹, Гасилов М.А.¹, Голубев М.С.¹, Морозова М.В.¹, Дзлиева Е.С.¹, Павлов С.И.¹, Карасев В.Ю.¹
Учреждения:
1. Санкт-Петербургский государственный университет
Выпуск: Том 50, № 8 (2024)
Страницы: 917-923
Раздел: ПЫЛЕВАЯ ПЛАЗМА
URL: https://ogarev-online.ru/0367-2921/article/view/280622
DOI: https://doi.org/10.31857/S0367292124080068
EDN: https://elibrary.ru/OBBVLC
ID: 280622

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Впервые изучен отбор пылевых частиц в объемной плазменно-пылевой ловушке в безэлектродном высокочастотной разряде индукционного типа в неоне. Подобраны условия разряда и конструкция разрядной камеры, при которых в образовавшейся пылевой ловушке созданы пылевые структуры из полидисперсных частиц кварца протяженностью до 1.5 см с числом частиц до 4000. Статистический анализ размеров уловленных частиц показал, что в выбранных условиях средний размер частиц близок к 4 мкм и слабо зависит от давления газа неона в широком интервале от 0.25 до 1.0 Торр. Обнаружено, что сформированная объемная пылевая структура обладает аномально большим изменением продольного межчастичного расстояния по сравнению с пылевой плазмой в тлеющем разряде. Характерный размер уловленных частиц оценен на основе вертикального баланса сил, действующих на пылевую частицу. Показано, что по ряду параметров метод отбора частиц в высокочастотном разряде индукционного типа более предпочтителен, чем аналогичный метод, используемый в тлеющем разряде в стратах, а примененная пылевая ловушка может использоваться для исследования объемной пылевой плазмы в магнитном поле.

Ключевые слова

высокочастотный (ВЧ) индукционный разряд в неоне, пылевая плазма, пылевая ловушка, сепарация порошковых частиц, условия левитации пылевых частиц

Полный текст

1. Введение

Объемные пылевые структуры по сравнению с монослойной пылевой плазмой обладают более широким спектром уникальных свойств: это объемные упаковки пылевых частиц, анизотропия кристаллической решетки, существенные градиенты электрических и кинетических параметров, задаваемых особенностями разрядной плазмы [1–4], с одной стороны. С другой стороны, монослойные пылевые структуры обладают высокой однородностью, например, создаваемые в области над нижним электродом ВЧ-разряда емкостного типа [5–6]. Для создания объемной пылевой плазмы применяется разряд постоянного тока в стоячих стратах [7], в областях поворота [8] и сужения канала тока [9, 10], при наложении на разряд сильно неоднородного магнитного поля [11]. Особый интерес представляют комбинированные разряды, в частности, в условиях микрогравитации. Наложение обжимающих колец на нижний электрод высокочастотного (ВЧ) емкостного разряда используется для искажения распределения потенциала и растягивания предслоя для формирования нескольких сечений пылевой структуры [12].

Создание объемной пылевой плазмы в безэлектродном ВЧ-разряде индукционного типа (ВЧИ) было осув работах [13, 14]. В работе [15] такие структуры получались при очистке ВЧ-разрядом полидисперсного засыпного порошка. В [16] при отсутствии постоянного тока собственное вращение пылевых частиц изучалось в поперечном к разрядной трубке магнитном поле. Из данных работ известно, что пылевая плазма в ВЧ индукционном разряде существует в магнитном поле с индукцией до 700 Гс. Прежде всего, интерес к изучению пылевой плазмы в ловушке без протекания тока связан с использованием разряда, лишенного ряда неустойчивостей в магнитном поле [17], а также с особенностью пространственного распределения параметров плазмы [18, 19], существенно отличающихся от диффузных распределений, например, в стоячих стратах. Это может придать пылевой плазме новые свойства.

В ВЧИ-разряде взаимодействие потока плазмы с поверхностью пылевой частицы не так интенсивно, как, например, в тлеющем разряде [20]. Как следствие, деградация калиброванных частиц меламин-формальдегида и распыление их материала согласно [21] происходит с меньшей скоростью. Известно [22], что в ВЧИ-разряд с индуктором в форме боковых витков (колец) мощность вкладывается в пристеночном слое трубки, радиальное распределение основных параметров плазмы (плотность и температура электронов, электрическое поле) изменяются. Для создания пылевых ловушек это представляет интерес, поскольку принципиально отличается от тлеющего разряда, где в случае малого тока ионизация происходит в тонкой приосевой области, и распределение плазмы по радиусу спадает существенно круче [18, 19]. Кроме того, в безэлектродном разряде отсутствует распыление катода, приводящее к загрязнению плазмы и изменению газового состава, а также к изменению ионного состава плазмы, если испаряются элементы с более низким потенциалом ионизации, чем у буферного газа [23].

Исследования пылевой плазмы в безэлектродном ВЧИ-разряде полезны для ряда приложений. В ВЧИ-разряде формируется трехмерная структура, но при этом отсутствует ток разряда. Эти условия более выгодны для работы в магнитном поле, поскольку отсутствуют неустойчивости, связанные с протеканием тока [17, 24]. Целью работы является создание в эксперименте в ловушке в ВЧИ-разряде объемной устойчивой пылевой структуры и исследование ее геометрии, а также нахождение параметров составляющих ее частиц. Для этого проведен подбор условий для создания обширной устойчивой пылевой структуры, способной служить объектом исследования в магнитном поле. Также пылевые частицы использовались как своеобразные «пылевые зонды» [25–27], поскольку, используя данные о сепарации пылевых частиц в ловушке в данном разряде, можно делать более точные оценки параметров ловушки и сил, действующих на частицы, в частности, в магнитном поле.

Представленная статья организована следующим образом. В разд. 2 описана экспериментальная установка, выбор параметров эксперимента и метод улавливания пылевых частиц из разряда. Далее представлена методика определения параметров уловленных частиц. В разд. 3 даны экспериментальные результаты и приведены численные оценки, при этом главный результат состоит в том, что получена зависимость размеров частиц от давления газа разряда.

2. Эксперимент

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1 a. Использовалась разрядная трубка для исследования сепарации частиц в тлеющем разряде в неоне [8, 9]. В вертикальном участке трубки зажигался ВЧ индукционный разряд. Источником разряда служил индуктор из двух витков литцендрата 21 × 0.07 и лампового ВЧ-генератора, собранного по схеме м с переменным сечением (2.6 и 2.3 см), и использовались калиброванные частицы меламин-формальдегида с плотностью 1.5 г/см ³и размером 1,1 мкм и 5,19 мкм. Мелкие частицы левитировали во всех сечениях трубки в широком диапазоне давления неона. В области трубки с диаметром 2.6 см крупные частицы не левитировали. В области трубки с диаметром 2.3 см при некоторых подобранных условиях (давлении и вкладываемой мощности) из них получалась единственная короткая пылевая цепочка. Следующим этапом было использование калиброванных частиц размером 2 мкм. В узкой части трубки пылевая структура при давлении неона 0.25–0.33 Торр оказалась достаточно объемной. Далее было решено для основного исследования с более тяжелыми полидисперсными частицами кварца плотностью 2.5 г/см ³диаметр трубки сделать еще меньше. В итоге была изготовлена трубка диаметром 1.9 см, в которой удалось создать объемную и устойчивую пылевую структуру, которая содержала около 4000 частиц, приме р ее и показан на рис. 2.

Рис. 1. а) Схема экспериментальной установки. Обозначения: 1 – индуктор; 2 – пылевая структура; 3 – контейнер для инжекции пылевых частиц в разряд; 4 – система подсветки; 5 – каретка с лежащим на ней предметным стеклом для сбора частиц; 6 – вакуумный кран для извлечения каретки; 7 – магнит для передвижения каретки внутри трубки. б) Гистограмма распределения размеров засыпного порошк. в) Фотография установки.

Рис. 2. Структура в пылевой ловушке в ВЧИ-разряде, созданная из полидисперсных частиц кварца. Условия: газ неон, давление – 0.4 Торр, напряжение – 180 В, частота ВЧ-генерации – 40 МГц, диаметр трубки – 1.9 c м. а) Фото горизонтального сечения пылевой структуры. Высота изображения – 4.7 мм. б) Фото вертикального диаметрального сечения пылевой структуры. Высота изображения – 18 мм.

Рис. 3. а) Фото осажденн ых из ВЧИ - разряда пылевых частиц. Размер частиц – около 4 мкм. Ширина изображения – 200 мк. б) гистограмма распределения пылевых частиц по характерному размеру. Условия: газ неон, давление – 0.5 Торр, напряжение – 100 В, частота ВЧ-генерации – 40 МГц.

3. Результаты отбора пылевых частиц и их обсуждение

На рис. 4 представлена зависимость средних размеров пылевых частиц, извлеченных из пылевой ловушки, от давления газа. Характерный размер пылевой частицы на графике рис. 4 не существенно зависит от давления неона. При следующих условиях: p = 0.45 Торр, U = 100В характерный размер частиц равен d = 3.8 мкм. Выполним численную оценку сил, действующих на пылевую частицу для данных условий. Выбор этих параметров позволил получить достаточно большую пылевую структуру и сопоставить полученные результаты с аналогичными по давлению и мощности для условий в тлеющем разряде [28–29], а также использовать результаты зондовых измерений, выполненных авторами в [21], и других измерений этих авторов, действующих в приведенных условиях на модельную частицу сферической формы радиуса a = 1.9 мкм.

Рис. 4. Зависимость среднего размера пылевых частиц от давления неона. Условия: напряжение – 100 В, частота ВЧ-генерации – 40 МГц.

Во-первых, расчет силы тяжести

$m g = (4/3) p a^{3} r g$ (1)

дал следующее значение величины mg = 0.7 пН.

На диффузионном крае плазмоида, согласно [14, 30, 31], параметры плазмы можно принять следующими: концентрация ионов n _i= 1.7 × 10 ⁸см ^–3, электронная температура Т _е= 3,4 эВ, электрическое поле Е _||= 8 В/см. Для оценки сил, имеющих электрическую составляющую, рассчитаем заряд пылинки из следующих параметров: при τ = = 3,4/0,03 ~ 10 ²(τ = T _e/ T _i,) безразмерный заряд пылинки, вычисленный для неона на основании подхода OML [32], оказался равным z = 2,2. Соответствующее ему зарядовое число равно Z _d= 10 ^4, тогда электрическая удерживающая сила

$q_{d} E_{| |} = Z_{d} e E_{| |}$ (2)

оценена как q _dE _||= 1,15 пН.

В выражении для силы ионного увлечения [32]

$F_{i d} = (8 \sqrt 2 π / 3) n_{i} m_{i} a^{2} V_{T i} V \{1 + ζ τ / 2 + {(ζ τ / 2)}^{2} Ï\}$ (3)

направленная скорость иона V = b _iE _||, b _i– подвижность ионов, концентрация ионов n _i, m _i– масса иона неона, V _Ti– тепловая скорость иона и П – модифицированный (проинтегрированный по распределению ионов) кулоновский логарифм, для наших условий он принят равным П = 1 [32]. Сила F _idоценена в 0.45 пН. В данных условиях может также работать сила термофореза F _th. Тогда вертикальный баланс сил дается выражение м

$q_{d} E_{| |} = m g + F_{i d} + F_{t h} .$ (4)

Но в используемой разрядной трубке измерения выявили лишь очень малый продольный градиент температуры газа. Конечно же существует, нагрев трубки в области индуктора. Но измерения температуры в верхнем и нижнем (более массивных стеклянных) участках разрядной камеры, рис. 1, удаленных примерно на 4 см от индуктора, показали то же значение, что и в области индуктора (на уровне погрешности измерения). Поэтому силой термофореза, оцениваемой не более 0.1 пН в балансе сил мы пренебрегаем.

Таким образом, точное знание размеров отсепарированных ВЧИ плазмой частиц, измеренное в эксперименте, и оцененное из баланса сил, позволяет убедиться в соответствии выбранных параметров разряда. Как результат, устойчивые объемные пылевые структуры в ВЧИ-разряде могут быть использованы для исследования в магнитном поле. Также данный разряд можно использовать для сепарирования порошков. Вероятно, что в ВЧИ-разряде без электродов метод сепарации будет более удобным в практической работе, а также менее затратным по вкладываемой ВЧ-мощности, чем ранее развитый метод в тлеющем разряде [8–9, 28–29].

На рис. 5 представлены продольные межчастичные расстояния D в плазменно-пылевой структуре в зависимости от расстояния от индуктора (от вертикальной координаты), при одном значении давления газа. Изменение продольного расстояния оказалось существенным, и, в зависимости от условий, оно меняется до 6 раз на длине структуры до 1.5 см. Заметим, что уверенного изменения радиального расстояния во всем диапазоне давления мы не обнаружили, что соответствует [13, 14]. Мы полагаем, что при планировании изучения динамики вращения пылевых структур в ВЧИ-разряде в магнитном поле, сведения о продольном градиенте межчастичного расстояния могут быть полезны. Измеренное продольное расстояние между частицами менялось от 0.1 мм в непосредственной близи от индуктора до примерно 0.8 мм на диффузном крае при всех использованных давлениях.

Рис. 5. Продольное межчастичное расстояние. Условия: газ неон, давление – 0.6 Торр, полидисперсный кварц. Координата отсчитывается от нижнего витка индуктора.

Можно предположить, что возможно несколько факторов, влияющих на изменение продольного межчастичного расстояния. Во-первых, это изменение концентрации ионов и, соответственно, длины экранирования на длине структуры. По данным [14, 30] можно оценить, что на расстоянии, 1.5 см отношение длин ионного экранирования может достигать 4. Во-вторых, это изменение размеров частиц на длине структуры. Отношение максимального и минимального размеров частиц, извлеченных из плазмы (см. рис. 3б и данные при других давлениях), лежит в диапазоне от 3 до 5 мкм, соответственно, так же может изменяться заряд частиц. По визуальным наблюдениям и фотографиям частиц в структуре мы полагаем, что внизу левитируют крупные частицы, а ближе к индуктору мелкие. Возможно, что оба оцененных фактора влияют на изменение продольного межчастичного расстояния, но в разной мере. Влияние же термофореза, существенно меняющего межчастичные расстояния в условиях тлеющего разряда [33], по нашим оценкам достаточно мало.

4. Заключение

В работе впервые изучена сепарация полидисперсных пылевых частиц в условии безэлектродного ВЧИ-разряда низкой мощности и давления. В эксперименте создана объемная пылевая структура, содержащая около 4000 частиц.

Определен средний размер левитирующих в плазменной ловушке пылевых частиц, в диапазоне давлений газа разряда р от 0.2 до 0.65 Торр. Обнаружено, что средний размер не существенно зависит от давления газа и он близок к 4 мкм.

Измерены продольные межчастичные расстояния в объемной пылевой структуре, они изменяются до 6 раз на высоте структуры 1.5 см. Проведены численные оценки баланса сил с использованием измеренных и литературных данных.

Сделаны выводы о возможности использования объемной пылевой ловушки в ВЧИ-разряде для исследования пылевой плазмы в магнитном поле, а также для сепарации порошков.

Благодарности

Авторы выражают благодарность А.В. Зобнину за полезные обсуждения условий ВЧИ-разряда.