等离子体鞘层中尘埃粒子的分布特性_段萍
尘埃等离子体棘轮通道中不规则鞘层的三维分布
尘埃等离子体棘轮通道中不规则鞘层的三维分布摘要：尘埃等离子体棘轮通道是一种在宇宙中普遍存在的物理现象，其中的尘埃颗粒和等离子体物质交互作用形成了一个具有不规则鞘层结构的通道。
本文基于数值模拟和实验观测的数据，研究了尘埃等离子体棘轮通道中不规则鞘层的三维分布。
结果显示，鞘层的分布与尘埃颗粒的密度和运动速度、等离子体的温度和密度等因素密切相关。
同时，尘埃颗粒的电荷状态、大小和形状也对鞘层的形成和分布产生了较大的影响。
本文的研究对深入理解尘埃等离子体棘轮通道的物理本质和优化相关技术具有重要意义。
关键词：尘埃等离子体棘轮通道；不规则鞘层；三维分布；数值模拟；实验观测一、引言尘埃等离子体棘轮通道是一种在宇宙中普遍存在的现象，它具有重要的科学意义和应用价值。
由于通道内存在高密度、高速度的尘埃颗粒和等离子体物质的交互作用，其具有极为复杂的物理过程，同时也在太空技术、能源等领域具有潜在的应用前景。
本文旨在研究尘埃等离子体棘轮通道中不规则鞘层的三维分布，为进一步深入理解其物理本质和优化相关技术提供理论基础。
二、不规则鞘层的形成与发展机制尘埃等离子体棘轮通道中的不规则鞘层是由尘埃颗粒和等离子体物质相互作用形成的。
基于尘埃颗粒在等离子体中的动力学和电动力学行为，可以推导出不规则鞘层的形成和发展机制。
具体地，当尘埃颗粒静止或运动速度很慢时，等离子体中的电子和离子将在其周围形成电荷云，从而将其包裹在内。
随着尘埃颗粒速度的增加，等离子体中的电子和离子将对其施加电动力较大的力，从而形成带电的交替分布结构。
同时，尘埃颗粒表面的微观宏观结构以及其自身的电荷状态、大小和形状等也会对鞘层的形成和分布产生显著的影响。
因此，不规则鞘层形态的三维分布与尘埃颗粒和等离子体物质的多种因素关联，在理论分析和数值模拟中必须全面考虑。
三、三维分布的数值模拟和实验观测为研究不规则鞘层的三维分布影响因素，本文结合了数值模拟和实验观测两种方法。
在数值模拟方面，本文采用了大规模的等离子体多晶颗粒模拟（MD）方法，模拟了尘埃等离子体棘轮通道中带电粒子的运动行为及不规则鞘层的形态分布，通过对不同时刻的模拟数据进行测量和分析，得出了不规则鞘层的三维分布特征。
鞘层中离子能量分布
鞘层中离子能量分布
鞘层中离子能量分布是指在等离子体中，离子的能量分布情况。
在等离子体中，离子会受到电场的作用，从而获得能量，这些能量会影响离子在等离子体中的运动轨迹和反应过程。
因此，了解离子的能量分布情况对于研究等离子体的性质和应用具有重要意义。
鞘层是等离子体中的一种特殊区域，它是在等离子体和固体表面之间的区域，具有较高的离子密度和较低的电子密度。
在鞘层中，离子的能量分布情况与等离子体其他区域有所不同。
在鞘层中，离子的能量分布通常可以分为三个区域：冷区、热区和超热区。
冷区是指离子的能量较低的区域，离子在这个区域内的能量主要来源于等离子体中的电场。
热区是指离子的能量较高的区域，离子在这个区域内的能量主要来源于等离子体中的热运动。
超热区是指离子的能量非常高的区域，离子在这个区域内的能量主要来源于等离子体中的非线性效应，如等离子体波动和湍流等。
在鞘层中，离子的能量分布情况还受到等离子体的性质和外部条件的影响。
例如，在强磁场中，离子的能量分布会受到磁场的限制，形成一些特殊的能级结构。
在等离子体中加入外部气体或化学物质，也会影响离子的能量分布和反应过程。
总之，鞘层中离子的能量分布是等离子体中的一个重要研究方向，对于了解等离
子体的性质和应用具有重要意义。
等离子体鞘层.pdf
第二章: 等离子体鞘层(Plasma Sheaths)一、Reason of sheath formation?二、Floating sheaths三、Direct-current (DC) biased sheaths四、Pulse biased sheaths五、RF biased sheaths一、鞘层形成的原因1、层的概念：在固体表面附近形成的非电中性区称为鞘层（sheath）.2、形成鞘层的原因：a)对于气体放电实验，所产生的等离子体要与放电容器的器壁（一般为石英管）或其他绝缘基片接触。
由于电子的极、基片等固体表面等接触。
等离子体中的电子和离子均可以向绝缘固体表面上运动，但电子的热运动速度远大于离子的热速度，从而导致固体表面出现过剩的负电荷，形成非电中性区。
这类鞘层称为悬浮鞘层（floating sheaths)。
c)在离子体合成薄膜（如溅射沉积）、材料表面改性（如等离子体源离子注入）及等离子体刻蚀工艺中，为了对工艺过程进行控制，通常在基片上施加一偏压（直流、射频或脉冲偏压），从而在基片附近形成一非电中性的鞘层区域。
对于这种鞘层，其特性（如鞘层的厚度、鞘层电场等）在很大的程度上取决于施加偏压电源的性质（如电源的功率或电压、频率等）。
由于离子在不同的工艺中起主导作用，这要求鞘层的性质能对离子的运动行为进行调控。
为此，要求：对于施加的直流或脉冲偏压，应为负偏压；对于射频偏压，尽管施加的偏压是正弦变化的，但通过使用堵塞电容或适当选择两个电极的面积，可以在基片上产生一个负的自偏压效应。
(a) 沉积偏压为-60V (b) 沉积偏压为-160V)s/mn(etarnoitisopeDBias Voltage (V)沉积速率随基片偏压的变化关系-200 -160 -120 -80Bias Voltage (V)1.00.9 0.80.70.60.5R o u g h n e s s (n m )300W 200W-220 -180 -140 -100 -60Bias Voltage (V)403020100K n o o p H a r d n e s s (G p a )300W 200W-240 -200 -160 -120 -80 -40Bias Voltage (V)0.250.200.150.100.050.00S p 2/s p 3300W200W20μm20μmG. Fortuno-Wiltshire, J. Vac. Sci. Technol. A 9, 2356(1991)微波ECR/CCP 放电RF 偏压13.56MHzE t c h R a t eSiO 2RF Power (Watts)偏压电源f1=f2=13.56MHzR. J. Belen et al., J. Vac. Sci. Technol.边界条件：00(0,/0e i i x d n n n u u d dx ====Φ=Φ=在处鞘层边界）：00(x V =Φ=−在处（基片上）：电源偏压）不同之处The negative high-voltage sheath(a)Ion-matrix sheathFor a negative high-voltage, electrons are repulsed out the sheath and only ions are present in the sheath. Thus, the simplest high-voltage sheath, with a uniform ion density, is known as a matrix sheath.M. A. Lieberman and A. J. Lichtenberg, “Principles of PlasmaDischarges and Materials Processing”, John Wiley & Sons, INC.(1994)Problem 1（习题）:Show that the time for an ion with zero initial energy to transit a collisionless Child law sheath ist=3s/u0where s is the sheath thickness, u0=(2eV0/m i)1/2 is the characteristic ion velocity and V0is voltage.Values of the function βfor different γ =log(r s/r a)βBoundary conditions:1/2()(1/)s s B d i u x u πλλ−=+(1) at the sheath edge x=x s()i s n x n =()0s x Φ=()/s e dE x T e λ=(2) at the target surface x=0(0)V Φ=−Problem 2（习题）:Give the numerical results of the potential, the electric field and the density vs the spatial variable x for different values of the collisional parameter:/d iηπλλ=。
尘埃粒子在等离子体磁鞘中的运动
尘埃粒子在等离子体磁鞘中的运动
邹滨雁;邹秀;刘惠平;邱明辉
【期刊名称】《大连交通大学学报》
【年(卷),期】2016(037)005
【摘要】采用单粒子模型数值研究了尘埃粒子在等离子体磁鞘中的运动.鞘层模型包含热电子、冷离子、中性粒子和尘埃粒子.等离子体磁鞘结构与无外加磁场的鞘层相比较其结构不同,数值模拟工作研究了尘埃粒子在有磁场的等离子体鞘层中的运动特性,讨论了尘埃粒子初始位置、初始速度对尘埃粒子运动状态的影响.模拟结果显示在等离子体磁鞘中,磁场能够调节尘埃粒子与基板间的距离,使尘埃粒子偏移远离基板.
【总页数】5页(P116-120)
【作者】邹滨雁;邹秀;刘惠平;邱明辉
【作者单位】大连交通大学理学院,辽宁大连116028;大连交通大学理学院,辽宁大连116028;大连交通大学理学院,辽宁大连116028;大连交通大学理学院,辽宁大连116028
【正文语种】中文
【相关文献】
1.正离子初速度对电负性等离子体磁鞘结构的影响 [J], 刘惠平;邹秀;邱明辉;张志华;何明
2.磁鞘等离子体密度统计建模 [J], 陈凯文;来鹏;赵凯;蒋勇
3.磁窗天线增强等离子体鞘套透波特性研究 [J], 于哲峰;刘佳琪;任爱民;张生俊;马
平;石安华
4.亚暴膨胀相近磁尾位形不稳定性模型Ⅱ.中磁尾等离子体流与近磁尾亚暴活动的关系 [J], 洪明华;濮祖荫;王敬芳;王宪民;刘振兴
5.具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构 [J], 邹秀;刘惠平;张小楠;邱明辉
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
等离子体鞘层形成的原因
等离子体鞘层形成的原因
等离子体在开始时处在准电中性状态，如果在等离子体中悬浮一个不导电的绝缘基板，此时等离子体中的离子与电子都会朝着这个基板运动，单位时间内到达基板上的电子数要远大于离子个数。
到达基板的电子一部分与离子复合，还有一部分剩余，从而在基板出现净负电荷积累，这样基板表面呈负电势。
该负电势将排斥后续电子，同时吸引正离子。
直到基板负电势达到某个值，使离子流与电子流相等时为止。
由于基板呈负电势，则在基板与等离子体交界处形成一个由正离子构成的空间电荷层，即离子鞘层。
等离子体鞘层在磁控溅射中的作用至关重要。
考虑在一个平行的平板结构，内部有均匀分布的等离子体，由于电子的质量轻，离子的质量远高于电子，在考虑壁面吸收的边界条件下，电子运动到边界，因此壁面带负电，因此在靠近壁面处，电子的数量低于离子的数量，因此相对于边界来说，为正电势，该正电势会阻止电子到壁面的运动，同时会加速离子到壁面，从而造成壁面的溅射，从而完成对对材料的刻蚀以及表面处理。
等离子体的刻蚀在等离子体的研究中具有很重要的作用，几乎所有的放电等离子体都在边界处存在鞘层。
因此鞘层的研究具有重要的意义，对于鞘层的模拟有粒子模拟和流体模拟两种方法。
空间尘埃等离子体电磁散射特性研究
空间尘埃等离子体电磁散射特性研究
李江挺;郭立新;胡红桥;张北辰
【期刊名称】《地球物理学报》
【年(卷),期】2010(53)12
【摘要】基于尘埃等离子体Mie-Debye散射模型,研究平衡态下尘埃等离子体中带电尘埃的电磁散射特性.根据输运理论计算高层大气环境中尘埃等离子体层的电磁散射场,给出电磁波垂直入射时尘埃等离子体层的反射函数,同时分析不同浓度、不同粒径分布状态下尘埃等离子体层对电磁波传播的影响.结果表明:尘埃粒子尺度对其电磁散射特性影响非常大;在对数正态分布情况下,当入射波长远大于Debye 半径时,尘埃等离子体的散射主要表现为Debye散射,而入射波长远小于Debye半径时,Mie散射占主要部分;并且尘埃等离子体层对电磁波的衰减随尘埃粒子浓度以及尘埃粒子半径的增大而明显增强.
【总页数】7页(P2829-2835)
【作者】李江挺;郭立新;胡红桥;张北辰
【作者单位】西安电子科技大学理学院,西安,710071;西安电子科技大学理学院,西安,710071;中国极地研究中心,上海,200136;中国极地研究中心,上海,200136【正文语种】中文
【中图分类】P354
【相关文献】
1.空间尘埃等离子体中尘粒电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响 [J], 石志东;李中元
2.尘埃簇团粒子的电磁散射特性探讨 [J], 贺雅奇
3.空间尘埃等离子体中尘粒电荷的相关涨落对尘埃磁声波的影响 [J], 石志东;李中元
4.等离子体隐身翼面的电磁散射特性研究 [J], 成丹;郑宏兴;
5.等离子体隐身翼面的电磁散射特性研究 [J], 成丹;郑宏兴
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究的开题报告
等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究的开题报告一、研究背景和意义等离子体在宇宙中的普遍存在性，以及等离子体与尘埃之间的相互作用，是天文学中的重要问题。
近年来，随着探测器的发展及观测手段的不断完善，对等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究越来越深入。
目前，一些太阳系内行星和宇宙中的恒星周围，被发现拥有稠密的等离子体鞘层和大量的细小尘埃粒子。
而这些尘埃粒子不仅影响着等离子体的演化和分布，也对光谱和辐射特性的观测和解释提供了重要的信息。
因此，对等离子体鞘层及尘埃在鞘层中的特性研究，不仅具有基础研究价值，而且还有广泛的应用前景，包括宇航员安全、行星防御、飞船设计等领域。
二、研究内容和方法本研究拟重点探讨以下几个问题：1.等离子体鞘层的形成和演化机制。
通过对太阳风、行星磁场、行星大气层等因素进行系统分析，揭示等离子体鞘层的形成和演化机制。
2.尘埃的运动和分布特性。
对尘埃颗粒在鞘层中的分布和运动状况进行模拟和观测研究，探究尘埃在等离子体中的作用和特性。
3.等离子体鞘层和尘埃的相互作用。
探讨等离子体鞘层和尘埃之间的相互作用机制，并分析尘埃粒子对等离子体演化和外界光学辐射的影响。
研究方法主要包括建立等离子体鞘层和尘埃颗粒的动力学模型进行数值模拟，对太阳系内行星、恒星周围等各种等离子体环境进行卫星探测和地面观测，并对观测数据进行分析和处理，从而得到等离子体鞘层和尘埃的运动和分布状况，并探究等离子体鞘层和尘埃之间的相互关系。
三、研究进展和预期结果在前期的研究中，我们已经建立了行星等离子体鞘层的动力学模型，并对尘埃颗粒在鞘层中的运动和分布状态进行了初步的研究。
预计本研究将取得以下进展和预期结果：1.进一步深入探究等离子体鞘层的形成和演化机制，解析其作用流程和物理本质。
2.对尘埃颗粒在鞘层中的运动、分布和聚集状况进行模拟和预测，揭示尘埃颗粒对等离子体鞘层演化和辐射特性的影响。
3.进一步探究等离子体鞘层和尘埃之间的相互作用机制，精确分析尘埃粒子对等离子体鞘层演化的影响，深入研究尘埃粒子的光学性质和辐射特性。
等离子个体中的尘埃颗粒
等离子个体中的尘埃颗粒21世纪以来关于等离子体的研究资料愈发详尽，等离子是由原子及正负电子组构成，原子是被夺走了一左数量电子的原子，也是因为原子被电离这些正负电子就产生了，也能理解成气体被激发电离，电离髙达一左的状态下，气体就能够成为导体，其中被电离气体内任何一个带电的粒子运动的轨迹都受到其他粒子的制约，并且它的运动也会制约附近的带电粒子。
电离气体内部的正负电荷数量一致，整体表现为电中性，这种气体状态我们称其为等离子体态.它是液态、固态、气态外，物质存在的第四种状态。
等离子体分类方式繁杂，从来源上划分：可分为人工等离子体和自然界的天然等离子体：若按照物态分类可为气体、液体和固体三类：若按照温度亦可为髙温等和低温.之中高温等离子体中的粒子温度可以高达上千万乃至上亿摄氏度,之中原因是为了使粒子能量足够完成相有效碰撞，满足核聚变反应；低温等离子体的粒子温度也可以达到达千乃至数万摄氏度,可以使分子、原子发生电离、离解、化合…所以,低温等离子体并非温度不髙，之所以称为低温，仅仅只是相对于髙温等离子体的温度.高温等离子体主要应用于能源领域的可控核聚变；低温等离子体则应用于科学技术和工业等多类领域.例如：低温等离子体常为制备纳米材料使用，温度最高可以达到100000 K 数量级，通常由气体放电生成•按照纳米材料成型过程里是否有化学反应发生，纳米材料的制造法分为两种：等离子体物理法和等离子体化学法•前者主要用在纯物质纳米材料的制备；后者主要用在化合物类纳米材料的制备.作为离子体学科的一个分支，尘埃等离子体近年受到了愈来愈多的关注。
用等离子体的不稳立现象来解释天体的运动，在微电子产业中经常遇到尘埃颗粒造成的污染以及在制造业中大规模的集成电路广泛使用等离子体技术，如利用等离子体刻蚀、镀膜。
这就进一步推动了人们对尘埃等离子体的关注和研究。
尘埃等离子体分布极广，实验室，空气里均有，属于性质比较特别的软物质。
尘埃颗粒与等离子体鞘层相互作用的数值模拟_吴静
1 ⎫ ⎡ ⎤ 2 2 ⎛ ⎞ φ 2 e v+ ⎪ 0 ⎢ ⎥ ⎟ −1 + ⎜ 1− (8) 2 ⎟ ⎢⎜ ⎥ (kTe m+ )⎬ m+ u +0 ⎠ ⎝ ⎪ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎭ 为简化方程，引入 η ≡ − eφ kTe ， ζ ≡ x λd ，
图1
尘埃温度对波姆判据的影响
1 —— γ =100；2 —— γ =10−1；3 —— γ =10−2；4 —— γ =10−3。
(2)
作者简介：吴静(1981−)，男，陕西西安人，大连理工大学博士，主要从事尘埃等离子体的理论研究及实验诊断工作。
第1期
吴静等：尘埃颗粒与等离子体鞘层相互作用的数值模拟
2
41
其中， ne 、nd 分别为电子和尘埃颗粒的密度；ne0 ， nd0 分别为鞘层边界的电子密度、 尘埃颗粒密度； Zd 为尘埃颗粒带电量；e 为电子电量； φ 为等离子体 电势，认为等离子体空间电位等于 0；k 为波尔兹 曼常数； n+0 为等离子体与鞘层边界处的正离子密
1 引言
等离子体加工过程中的粒子行为的研究是目 前尘埃等离子体中最重要的研究内容之一，通过研 究尘埃等离子体中尘埃粒子的形成机理、条件、行 为以及与等离子体的关系来达到控制及避免在半 导体生产中尘埃颗粒所造成的基片污染或提高其 它等离子体精加工质量的目的。一旦等离子体中形 成了尘埃颗粒，尘埃颗粒的输运特性对工件基片表 面的污染就会起决定性作用。因此，为了达到控制 及避免污染的目的，必须研究尘埃等离子体中的粒 子输运。多数情况下尘埃以粒子云的形式出现，且 悬浮在等离子体中。1985 年，Roth 和 Spear 等人[1] 首先利用了激光散射法在射频 (RF) 放电中观测到 尘埃粒子聚集在等离子体鞘层边界附近。 Selwyn 等人 [2] 利用视频激光扫描方法也观察到此现象。 Graves 等人[3]和 Watanabe[4]证实，在直流(DC)和射 频(RF)放电中，尘埃粒子聚集在等离子体鞘层的边 界附近。 为了控制尘埃粒子在等离子体边界的输运，必 须了解离子和尘埃粒子在等离子体鞘边的性质。人 们广泛地开展了与尘埃粒子输运相关的理论研究, 特别是尘埃受力的研究[5~9]以及尘埃粒子在等离子
电磁波在不均匀尘埃等离子体中的衰减特性
电磁波在不均匀尘埃等离子体中的衰减特性李海英;孔鹏飞;詹捷;吴振森;白璐【摘要】基于WKB近似方法,研究了高频电磁波入射不均匀尘埃等离子体中的衰减特性.对弱电离尘埃等离子体复相对介电常数的分布特征进行了分析,讨论了电子数密度、尘埃颗粒数密度对复相对介电常数虚部的影响.利用电子密度分布的抛物模型,数值计算了电磁波以不同角度入射不均匀尘埃等离子体的衰减特性,对入射角、电子数密度、尘埃颗粒半径和尘埃颗粒数密度对衰减系数的影响进行了分析.结果表明:随着电子数密度、尘埃颗粒数密度和半径增大,衰减系数也会变大.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2016(031)004【总页数】5页(P654-658)【关键词】尘埃等离子体;WKB近似方法;衰减【作者】李海英;孔鹏飞;詹捷;吴振森;白璐【作者单位】西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安710071;西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心,西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安710071;西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心,西安710071;西安电子科技大学物理与光电工程学院,西安710071;西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心,西安710071【正文语种】中文【中图分类】O451DOI 10.13443/j.cjors.2015111301引言尘埃等离子体是参杂有尘埃颗粒的电离气体,也被称为复杂等离子体,广泛存在于星际云、行星环和行星磁层等空间环境以及半导体科学、材料科学领域中.尘埃颗粒影响地球近地空间的电磁环境,会对空间通信系统产生不可预估的影响;而实验室中尘埃颗粒则会造成等离子体刻蚀半导体芯片过程中污染.尘埃颗粒的存在使得尘埃等离子体具有许多不同于传统等离子体的特点[1-2].自二十世纪八十年代开始,尘埃等离子体物理科学便吸引了大量学者的关注,成为等离子体物理的一个新的重要分支.目前,高频电磁波与尘埃等离子体的相互作用已经成为众多学者的研究兴趣之一.等离子体中的尘埃颗粒会通过与电子、离子发生碰撞,充电和电磁力等作用改变传统等离子体的物理性质,例如:使体系具有异常的电磁特性.国内外许多学者和专家从不同角度研究了尘埃等离子体的特性[3-6]以及尘埃等离子体与极区中层夏季雷达回波(Polar Mesosphere Summer Echoes,PMSE)的产生机制之间的联系.中科院电子所李芳研究员研究了等离子体中尘埃粒子的电磁波吸收效应[3],以及电磁波被尘埃等离子体散射的功率谱等问题[4].挪威特罗瑟姆大学的Havnes教授等人对有关带电尘埃粒子与PMSE现象之间的关系进行了充分的研究[7-8].Scales研究了地球中层大气中的带电尘埃云的电动结构[9].石雁祥等人讨论了充电对尘埃等离子体的介电常数和电导率的影响[6],估算了两种弱电离层尘埃等离子体的特征参量[10],给出了弱电离尘埃等离子体的介电张量表达式[11].王菊基于尘埃等离子体角度分析了微波在火箭喷焰中的衰减特性[12].考虑到中层大气和固体火箭喷焰等环境中的尘埃等离子体实际都为不均匀分布,而在电磁波传播过程中介质不均匀性是重要的影响因素之一,本文基于WKB近似方法对电磁波在不均匀尘埃等离子体中的衰减特性进行了研究,重点分析了电子密度、尘埃颗粒密度和半径对复相对介电常数以及衰减系数的影响.1.1 尘埃等离子体的复相对介电常数尘埃等离子体由尘埃颗粒、电子、离子和中性分子组成,其中电子和离子对尘埃颗粒的充放电会改变体系的总电流,从而影响体系的电导率和介电常数.石雁祥等人基于Boltzman方程和Shukla方程导出了考虑碰撞和充放电影响的尘埃等离子体相对复介电常数[11],具体表示为式中: ωpe=(4πNee2/me)1/2是电子等离子体频率; NeNdνφ/me是充电响应因子，其中νφ=ω/k; veff=vem+vei+ved是有效碰撞频率.考虑弱电离尘埃等离子体中,通常尘埃颗粒数密度Nd比电子数密度Ne小得多,因此电子-尘埃颗粒碰撞频率可以忽略不计.电子-中性分子，电子-离子的碰撞频率[13]分别为:式中： Te表示电子温度； a是中性分子半径； Ti表示离子温度.电荷弛豫速率[2]为式中： rd是尘埃粒子半径； KB是波尔兹曼常数； e是电子电荷数； me是电子质量.1.2 WKB近似方法WKB近似方法被广泛应用于研究电磁波在等离子体环境中的传播特性.尘埃等离子体具有与传统等离子体相似的性质,因此我们使用WKB近似方法研究电磁波在不均匀尘埃等离子体层中的衰减特性.由非均匀介质中的麦克斯韦方程组出发,得到非均匀介质中波动方程的WKB解[14]为:z.式中： E0是电场振幅值； k0是空气中的波数; si n θn是第n层介质的入射角正弦值.进一步可以得到电磁波入射非均匀介质的单程衰减系数[14]为:式中,.2.1 尘埃等离子体中不同参数对复相对介电常数的影响研究电磁波在尘埃等离子体中的衰减特性与复相对介电常数的虚部密切相关.本节我们分别讨论了电子数密度,尘埃颗粒数密度对复相对介电常数虚部的影响.图1给出了改变电子数密度,复相对介电常数虚部随入射波频率f的变化.其中中性分子数密度Nm=5×1014 cm-3,尘埃颗粒数密度Nd=1×103 cm-3,电子和离子温度均设为150 K,尘埃颗粒半径rd=50 nm．由图1可知:随入射波频率增大,虚部逐渐减小;对同一入射波频率,电子数密度变大,复相对介电常数虚部也增大.图2给出了尘埃颗粒数密度改变时,尘埃等离子体复相对介电常数的虚部随入射波频率f的变化.其中中性分子数密度Nm=5×1014 cm-3,电子数密度Ne=5×105 cm-3,电子和离子温度均设为150 K,尘埃颗粒半径rd=100 nm.由图2可知：频率小于200 MHz时，尘埃颗粒对复相对介电常数虚部有明显影响，频率大于200 MHz时，随频率增大，复相对介电常数虚部逐渐趋于0，尘埃颗粒影响不明显；尘埃颗粒使复相对介电常数虚部增大，但增加量小。
极区中层顶区域尘埃粒子对电磁波散射的研究
极区中层顶区域尘埃粒子对电磁波散射的研究
李海龙;吴健;黄际英;王茂琰
【期刊名称】《电波科学学报》
【年(卷),期】2008(23)4
【摘要】极区中层顶区域存在大量带电冰晶微粒,属于尘埃等离子体范畴.在此区域由于尘埃微粒的存在将引起电子密度的不规则性变化,产生异常强大的雷达回波,即极区中层夏季回波.从尘埃等离子体理论出发,应用尘埃等离子体的微分散射截面从理论上解释发生极区中层夏季回波时的雷达单位体积后向散射截面与工作频率的内在联系.结果表明:理论计算结果与实验统计结果一致.
【总页数】3页(P686-688)
【作者】李海龙;吴健;黄际英;王茂琰
【作者单位】西安电子科技大学理学院,陕西,西安,710071;中国电波传播研究所,电波环境特性及模化技术国家重点实验室,北京,102206;西安电子科技大学理学院,陕西,西安,710071;中国电波传播研究所,电波环境特性及模化技术国家重点实验室,北京,102206
【正文语种】中文
【中图分类】TN011
【相关文献】
1.极区中层顶区域重力波谱的季节变化 [J], 吴永富;徐寄遥
2.极区夏季中层顶区域尘埃粒子参数的研究 [J], 李海龙;牛军;吴健;车海琴
3.极区夏季中层顶尘埃分层的锐边界结构研究 [J], 李辉;吴健;吴军;车海琴
4.双麦克斯韦分布下极区中层尘埃粒子带电研究 [J], 帕提曼·阿不都玛洪; 王彦同; 石雁祥
5.极区中层尘埃粒子的带电效应 [J], 葛淑灿;李海龙;蒙林;王茂琰;RAUF Abdur;ULLAH Safi
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第四章幂律分布非平衡尘埃等离子体...
Then, the nonextensive statistics is applied to study the nonlinear properties of dust-acoustic solitary waves in the dusty plasmas. The investigation is based on two different assumptions. The dust charge is either unvariable or variable. If the dust charge is kept constant, according to the reductive erturbation method and the Sagdeev potential method, the dust-acoustic solitary solution with small amplitude and arbitary amplitude are derived. The influnces of the nonextensive parameters on the solitary waves are identical by analysis. Therefore, if the dust charge is variable, only the small-amplitude dust-acoustic solitary waves are studied. With these two different assumptions, the nonextensive characters have different effects on the solitary waves. The nonextensive character of electrons affects on the dust charge fluctuation and thus affects on the solitary waves indirectly, on the other hand, the nonextensive character of ions affects on the solitary waves directly.
等离子体鞘层(PPT-78)
(a) 沉积偏压为-60V
(b) 沉积偏压为-160V
偏压对N-C薄膜的表面形貌的影响
Deposition rate (nm/s)
第二章: 等离子体鞘层 (Plasma Sheaths) 1、Why study plasma sheaths? 2、Floating sheaths 3、Direct-current (DC) biased sheaths
4、Pulse biased sheaths
5、RF biased sheaths
基本方程 （无碰撞）：
离子流密度守恒： 离子能量守恒：
电子密度： Poisson equation：
ni (x)ui (x) n0u0
1 2
M iui2 ( x)
e( x)
1 2
M iu02
ne (x) n0 exp[e(x) / Te ]
d 2(x) dx2
4ene (x)
ni (x)
d 2(x) dx2
1、研究鞘层的重要性
在等离子体合成薄膜及等离子体刻蚀工艺中，通 常在基片上施加一偏压（直流、射频或脉冲偏压）， 从而在基片附近形成一非电中性的区域，即plasma sheath。鞘层电场直接控制着入射到基片上的离子能 量分布和角度分布，从而影响等离子体的工艺过程。
PLASMA Sheath Substrate (Workpiece)
(1) Etching rate (2) Profiles of etched troughs (3) Charging effects
尘埃等离子体中非线性波的分析
图１土星环及其Ｂ环上的一些奇异的轮辐结构，摘自文献ｍ图２Ｓｅｌｗｙｎ第一次在射频放电实验中观察到的悬浮于基片表面的环状尘埃云，其中的尘埃粒子是由放电室中的反应性气体聚合而成，右下角所示是其中一个直径为２０微米的尘埃粒子。
摘自文献『９１。
Ｆｉｇ．１Ｓａｔｕｒｎ’ＳｒｉｎｇｓａｎｄｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｐｏｋｅｓｉｎＳａｔｕｒｎ’８Ｂｒｉｎｇ．Ａｄａｐｔｅｄｆｒｏｍ【７】．Ｆｉｇ．２Ｒｉｎｇｓｏｆｄｕｓｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｅｎｃｉｒｃｌｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎｗａｆｅｒｓｉｎａｐｌａｓｍａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｗｈｉｃｈｗａｓｏｂｓｅｒｖｅｄｂｙＳｅｌｗｙｎｅｔａ１．ｉｎ１９８９．Ｉｎｔｈｅｉｒｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．ｔｈｅｄｕｓｔｐａｒｔｉｃｌｅｓｗ口ｅｆｏｕｎｄｔｏａｃｔｕａｌｌｙｇｒｏｗａｎｄｆｏｒｍｉｎｔｈｅｐｌａｓｍａ．Ｔｈｅｉｎｓｅｔｉｓａｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｉｍａｇｅｏｆａ２０弘ｍｄｉａｍｅｔｅｒｐａｒｔｉｃｌｅｆｒｏｍｓｕｃｈａｄｕｓｔｃｌｏｕｄ．Ａｄａｐｔｅｄｆｒｏｍ１９】．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。
从而，尘埃等离子体的研究方向涉及许多方面，例如尘埃等离子体中的波；带电尘埃颗粒在等离子体鞘层中的悬浮及运动；尘埃晶格的熔化及相变过程；尘埃晶格中的马赫锥现象：尘埃空洞、尘埃云斑图的形成；鞘层中尘埃晶格在磁场作用下的旋转；带电尘埃粒子与等离子体（或鞘层）相互作用等【２卜删。
本论文着重研究其中一个重要研究方向一尘埃等离子体中的波。
（三）、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垂Ｊｔ－－样，有理论分析和实验研究，及数值计算和模拟等三种方法。
但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。
１．尘埃等离子体的理论研究方法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。
尘埃等离子体晶格波
尘埃等离子体晶格波等离子体是一种由离子和自由电子组成的物质状态，常见于高温、高压和强电场环境中。
在这种状态下，离子和电子失去了它们原本的化学特性，形成了一种新的物质状态，具有独特的物理特性。
尘埃等离子体是一种特殊的等离子体，由离子、电子和微米级的尘埃粒子组成。
这种物质状态在天文学、热核聚变等领域中有着广泛的应用。
尘埃等离子体晶格波是指尘埃等离子体中尘埃粒子的晶格振动。
在尘埃等离子体中，由于尘埃粒子之间的库伦相互作用和弹性力的作用，尘埃粒子之间形成了一个晶格结构。
这个晶格结构可以看作是由许多弹簧和质点组成的弹性体系，可以发生振动。
当晶格中的一个尘埃粒子受到扰动时，它会向周围的尘埃粒子传递振动能量，形成晶格波。
尘埃等离子体晶格波的研究有着重要的理论和实际意义。
首先，尘埃等离子体晶格波可以用来研究尘埃粒子之间的相互作用力和弹性性质，对于理解尘埃等离子体的物理特性具有重要意义。
其次，尘埃等离子体晶格波是一种具有非常长波长的波，可以在实验室中进行研究，对于理解天体物理和宇宙学中的尘埃等离子体现象也有重要的意义。
最后，尘埃等离子体晶格波的研究还可以为新型材料的研制提供一些启示，例如可控制的晶格振动在材料科学中也有着广泛的应用。
尘埃等离子体晶格波的研究主要依靠实验和理论模拟两种方法。
实验方面，研究人员通常使用激光束或者磁场来对尘埃等离子体进行激发，观察晶格波的传播和衰减规律。
理论模拟方面，研究人员通常采用离子动力学模拟或者分子动力学模拟等方法，模拟尘埃等离子体中尘埃粒子的运动和相互作用，进而得到晶格波的传播和衰减规律。
尘埃等离子体晶格波的研究已经取得了一些重要的进展。
例如，研究人员发现尘埃等离子体中的晶格波可以分为纵波和横波两种类型，它们的传播速度和衰减规律都不同。
此外，研究人员还发现晶格波的传播速度和波长与尘埃粒子密度、粒子大小、温度等因素有关，这为尘埃等离子体的控制和调控提供了一些思路。
总之，尘埃等离子体晶格波是一种具有重要意义的物理现象，对于理解尘埃等离子体的物理特性和应用具有重要的意义。
不同颗粒组成的磁化尘埃等离子体中尘埃声波的色散关系
不同颗粒组成的磁化尘埃等离子体中尘埃声波的色散关系万桂新;段文山;林麦麦;王小云
【期刊名称】《西北师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2005(041)003
【摘要】研究了磁化尘埃等离子体中的尘埃声波,分别得到了由单一尘埃成分与多种尘埃成分组成的磁化尘埃等离子体中尘埃声波的色散关系,并对不同情形下的色散关系进行了分析.结果表明,单一成分尘埃声波的频率随ωcd和kz的增大而增大,多种成分尘埃声波的频率随ωcd的增大而增大,但与kz关系不大,而且尘埃尺寸差距越小,波的频率越小.
【总页数】5页(P34-38)
【作者】万桂新;段文山;林麦麦;王小云
【作者单位】西北师范大学,物理与电子工程学院,甘肃,兰州,730070;兰州交通大学,数理与软件工程学院,甘肃,兰州,730070;西北师范大学,物理与电子工程学院,甘肃,兰州,730070;西北师范大学,物理与电子工程学院,甘肃,兰州,730070;西北师范大学,物理与电子工程学院,甘肃,兰州,730070
【正文语种】中文
【中图分类】O53
【相关文献】
1.含有多种不同尘埃颗粒的等离子体中尘埃声波的调制不稳定性 [J], 张磊;郭鹏
2.量子尘埃等离子体中尘埃充电对尘埃声波的影响 [J], 罗荣祥;陈辉
3.任意尘埃大小分布对非磁化尘埃等离子体中包络孤波的影响 [J], 林麦麦;张晓雪;段文山;杜海粟
4.含有非热力学平衡离子和尘埃颗粒电荷变化的热尘埃等离子体中的尘埃声波 [J], 王红艳;段文山
5.非线性尘埃声波在含有2种不同温度离子的尘埃等离子体中的稳定性问题 [J], 林麦麦;段文山;王崇伶;李锋德
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
等离子体电子工程(15)-等离子体鞘层
入射速度应满足
us Te / mi
（3.57）
这就是形成正离子鞘层的玻姆判据（Bohm criterion） ，上式右边 的速度
uB Te / mi
（3.58）
被称为玻姆速度。 通过以上叙述我们知道， 等离子体与固体接触时会形成正离子鞘 层，这时鞘层边界处的电位至少比等离子体电位低 Te / (2e) 。若以
2.718 作为自然对数的底，则鞘层边界处的密度 nx n0 1/ 2 0.605n0 ，
即下降到等离子体区域的 60.5%。另一方面，鞘层边界处的离子密度 就等于玻姆速度，指向容器壁的离子通量为
i ns uB 0.605 Te / mi
（3.59）
这被称为玻姆通量。在限于形成正离子鞘层的讨论时，这个离子 通量不依赖于容器壁的电位 w ，而是由等离子体密度 n0 、电子温度 Te 以及离子质量 mi 共同决定。另一方面，通过对公式（3.2）的麦克斯 韦分布进行积分可以得到向容器壁入射的电子通量 e
J e i e e
（3.61）
当容器壁为为绝缘物或者是切断外部电路处于悬浮状态下的导 体时 J=0，即 i e 。我们把这种状态下的容器壁电位 F 称为悬浮电 位（floating potential） 。由公式（3.59）和公式（3.60）可知有以下关 系：
Te 1/2 1 8Te 1/ 2 eF / Te ) n0 ( ) e mi 4 me
e wx fe( wx )dwx
v0
n0 ve ew /Te e 4
（3.60）
其中， 积分下限是克服电位 w 壁垒可抵达容器壁所需的最小速度
v0 2ew / me ， ve 8 Te / me 。
9第九章 等离子体鞘层
9.1 无碰撞鞘层
9.1.1 鞘层基本方程
使用如下假设：（1）电子遵守温度 Te 的麦克斯韦分布；（2）离子在鞘层中无碰撞运动，
并且是冷离子（ Ti = 0 ）；（3）在等离子鞘层分界面（在 x = 0 准中性和非中性区域之间的分
界面）处 ， ne (0) = ni (0) 。像图 9.1 展示的那样，定义在 x = 0 处电势 Φ 为零，那里的离
很弱。例如氩气，在中部气压和等离子体加工鞘层电压范围，λi 是不依赖于速度的。假设 λi
是常量，将（9.26）代入（9.25），得到
ni
=
nsus (2eλi E π M )1 2
将（9.27）式代入高斯定律，得到
（9.27）
dE =
ensus
dx ε0 (2eλi E π M )1 2
（9.28）
子体区域，一定有一个有限的电场加速离子，这个区域要比鞘层宽的多，叫做预鞘层（见图
9.1）。
离子穿越预鞘层加速至玻姆速度，则有
1 2
MuB2
=
eΦ p
（9.11）
这里 Φ p 是相对于鞘层—预鞘层边界处的等离子体电势。由（9.10）式，代入玻姆速度，得
到
105
Φp
=
Te 2e
（9.12）
这在图 9.1 中已划出。鞘层边界和等离子体内部的密度比值可以从玻尔兹曼关系中得出
us 在准中性的预鞘层区域获得。
9.1.2 玻姆鞘层判据
用 dΦ 乘以(9.6)再积分到 x 就可得到第一步积分 dx
∫ ∫ Φ dΦ d ( dΦ )dx = ens
0 dx dx dx
ε0
Φ 0
dΦ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱx
尘埃颗粒大小分布对尘埃等离子体集体行为影响的研究
尘埃颗粒大小分布对尘埃等离子体集体行为影响的研究尘埃等离子体是一种特殊的物质，它由带电粒子和尘埃颗粒组成。
这种物质在空间中广泛存在，例如星际空间、行星际空间和行星际尘埃云。
尘埃等离子体的行为特性受到多种因素的影响，其中尘埃颗粒大小分布是一个重要因素。
本文将探讨尘埃颗粒大小分布对尘埃等离子体集体行为的影响。
一、尘埃等离子体的基本特性尘埃等离子体是由带电粒子和尘埃颗粒组成的复杂物质，其中带电粒子可以是电子、离子或者中性粒子。
尘埃颗粒通常是微米级别的小颗粒，它们可以是天然的尘埃、金属粉末、烟雾等。
在尘埃等离子体中，尘埃颗粒带有负电荷，因此它们会受到带正电荷的带电粒子的吸引力，从而形成一种稳定的结构。
尘埃等离子体具有许多独特的物理特性，例如电子云、离子密度分布、尘埃云结构等。
这些特性使得尘埃等离子体在空间科学研究中具有重要的应用价值。
例如，尘埃等离子体可以用来研究行星际空间的物理环境、行星际尘埃云的形成和演化等问题。
二、尘埃颗粒大小分布的影响尘埃颗粒大小分布是指尘埃颗粒在尺寸上的分布情况。
在尘埃等离子体中，尘埃颗粒大小分布对尘埃等离子体的集体行为有着重要的影响。
下面将从三个方面探讨尘埃颗粒大小分布的影响。
1. 尘埃颗粒大小分布与尘埃云结构的关系尘埃云是指由尘埃颗粒组成的空间结构。
在尘埃等离子体中，尘埃颗粒大小分布会影响尘埃云的结构特征。
当尘埃颗粒大小分布比较均匀时，尘埃云的密度分布也比较均匀。
而当尘埃颗粒大小分布比较不均匀时，尘埃云的密度分布也会出现不规则的结构。
2. 尘埃颗粒大小分布与尘埃等离子体的稳定性的关系尘埃等离子体的稳定性是指尘埃颗粒和带电粒子之间的相互作用能够维持尘埃等离子体的结构稳定。
在尘埃等离子体中，尘埃颗粒大小分布会对尘埃等离子体的稳定性产生影响。
当尘埃颗粒大小分布比较均匀时，尘埃等离子体的稳定性也比较好。
而当尘埃颗粒大小分布比较不均匀时，尘埃等离子体的稳定性也会受到影响。
3. 尘埃颗粒大小分布与尘埃等离子体的运动特性的关系尘埃等离子体的运动特性是指尘埃颗粒和带电粒子之间的相互作用能够使尘埃等离子体产生一些特殊的运动行为。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
+
k j
(
nd
k
( Rj , k ) +
k , wake
)
( 4)
其中 T e 和 n eo 分别是电子温度和鞘边电子密度 . 鞘 = - 4 e( ni - ne ) . ( 5)
u i - mn
udj + m dj g . , ( Rj, k ) 和
( 10)
这里 m dj , udj , Q dj 和 g 分别是第 j 个尘埃粒子的质 量、 速度、 电量和重力加速 度; 流势 ,
7093
图3
二维鞘层电势的等势线分布图
9 - 3
T i = 0 10 eV , T e = 2 0 eV , P n = 100 Pa,
8 - 3
0=
D
碰撞截面 ,
id 2 ( u i ) = b c1 ln 1+
)
2
,
模拟中, 选取相同大小的尘埃粒子 , 粒子的初始 位置随机放置 , 鞘层中尘埃粒子在各种力的作用下 运动 , 最后 由于中 性粒子 的阻 尼作 用而达 到稳 定 状态 . 当 N 0= 2 10 cm 时 , 鞘层结构如图 3( e) 所
9 - 3 8 - 3
P = ni k B T i ,
2 2 尘埃粒子运动模型 在鞘层 中, 尘埃粒子 所受的力有静 电力、 德拜 力、 尾流力、 离子拖拽 力、 中性气 体阻尼力及重 力. 第 j 个尘埃粒子的受力方程为 m dj d u dj = - Q dj dt + mi
id
其中 m i , e , n i , v i , T i , , P 和 k B 分别是离子质量、 电子电荷、 离子数密度、 离子速度、 离子温度、 鞘层电 势、 离子压强和玻尔兹曼常数. 电子密度采用玻尔 兹曼分布 , 即 e n e = n e0 exp k T , B e 层电势与粒子密度的关系由如下泊松方程给出:
段 萍
1) 2)
*
刘金远
1)
宫
野
1)
张
宇
1)
刘
116622)
悦
1)
王晓钢
1)
1) ( 大连理工大学三束材料改性国家重点实验室 , 物理与光电工程学院 , 高科技研究院 , 大连 2) ( 大连大学物理科学与技术学院 , 大连 ( 2007 年 4 月 14 日收到 ; 2007 年 6 月 28 日收到修改稿 )
0 0
( 14) 式中的第一项 E i = k B T i + 第二项 r en i
2 d
m i ui 是离子的能量, 2 表示 由于离子 和中
ri rd
2
3
是电极的偏压 ; 在 R = R 2 边界处 , 可以认为 R 2 R = 0; 在 R = 0 处, 考 虑到问题的对称 R = 0, u i = 0.
k k k , wake
方程 ( 1) ( 5) 组成了描述二维鞘层结构的封闭方程 组. 为简化方程引入如下无量纲量: e =, k BT e vi ui = c , is Ne = Ni = ne , n e0 ni , n i0
分别是鞘 层电势、 第 k 个 尘埃粒 子的德 拜势和 尾 Q dk Rj , k exp , Rj, k D 和 分别是离子及中性粒
in
10
9
( u i ) 是中性 粒子与氩离子之间 的电荷交换碰撞
2 2
cm 和 N 0 = 2 10 cm , 电极在径向( R 方向) 和轴 向( z 方向) 不同取值的鞘层电势的等势线分布图. 从图 3( a) , ( c) , ( e) , ( g) 可见, 当等离子体密度较大 时( N 0 = 2 10 cm ) , 鞘层变薄, 场强增大. 由图 3 ( a) , ( b) 可见 , 当 R 1 很小、 z 1 较大时 , 电极槽内都是 鞘层区. 而从图 3( g) , ( h) 可见 , 当 z 1 很小、 R 1 较大 时, 显示的基本上是一维轴向鞘层 , 只在柱边存在径 向鞘层, 在这种势场分布情况下, 尘埃会形成晶格结 构. 对其他的势场分布情况, 由于轴向和径向鞘层 耦合在一起, 尘埃会形成复杂而有趣的分布结构 . 3 2 等离子体密度对粒子分布结构的影响
12
12
exp
12
e f , k BT e 2e f Ei
( 13)
1ri
3 2 mfp
N e = exp( 2
= N i - N e.
数值计算方程( 6)
( 9) , 选取的边界条件如下: 上边 R R 2, 0 z z 1, = , 2T n mi
12
rd
.
2
( 14)
界 z = z 2 在等离子体中性区内, 故有 u i = 0, = 0, n i = n e = n 0 ; 在电极区 R 1
9 - 3
截面 , miu i in ( u i ) = 47. 05 1- 0. 0557ln 2 2 2 2 离子拖拽力 为
[ 25]
.
尘埃粒 子 受 到离 子 拖 拽 力的 半 解 析 表 达式 F i = mi 这里
id id
ui .
( 15)
= ni
id
( ui ) ui ,
其中
id
( u i ) 表示离子与尘埃粒子之间的电荷交换 c2 (b
D
. 充电方程可以表述为 ( 11) rd
D
Q d = Cd Cd = 4
0
f
, r d 1+ ,
kB T e mi kB T e 2 4 n e0来自e( 12)12
其中 C d ,
f
和 r d 分别是尘埃粒子的电容、 漂浮势和
=
是电子德拜长度 . 方程 ( 1) ( N i ui ) = 0, ( ui ) ui = ),
等 . 在等离子体材料加工中产生
的带电尘埃粒子 , 会改变等离子体鞘层的结构 , 影响 加工材料的性质 , 甚至对加工工件造成污染, 因此研 究带电尘埃在等离子体鞘层中的 分布具有重要意 义. 学者们对此做了许多研究工作 , 如尘埃充电特 性
[ 11, 12]
数值模拟区域如图 2 所示, 其中 R = R 2 , z = z 2 是模拟空间的边界 , 而 R 1 极区 . R R2 , 0 z z 1 是电
116024)
采用柱槽状电极的流体模型 , 数值模拟 了等离 子体鞘 层及鞘 层中尘 埃粒子的 分布结 构 . 研究了 尘埃粒 子数、 粒子大小、 电极尺寸等因素对尘埃分布结构的影 响 . 研究表明 : 当等离子体 密度较高 时 , 鞘 层较薄 , 反之鞘层 较厚 ; 当尘埃粒子数 少时 , 尘埃分布形成一层结构 , 反之则形成多 层结构 ; 随电 极尺寸 的不同 , 尘埃 粒子形 成一些 复杂而 又有趣的结构 .
9 - 3
时, 某个尘 埃粒 子在 其相 对位置 ( R , z ) 的尾 流势 [ 21] 为
wake
2( - Q d = 12 (6 )
D 0
)
J1
z r d M i ( R + rd )
13
13
z J0 r d M i ( R + r d )
z exp( - in z M i ) sin M - 4 12 , i ( M iz ) r d 其中 J 表示贝塞尔函数, M i =
分布 . 鞘层中尘埃粒子数不同, 其分布结构也不同. 如图 6( b) 所示, 当粒子数较少 ( 80 个 ) 时, 尘埃粒子 分布在一层上 . 这是由于粒子大小相同 , 所受重力相 同且与轴 向静电 力平衡 之故 . 当尘埃 粒子数 增多
ui 为离子的马赫数. c is
12 期
段
萍等 : 等离子体鞘层中尘埃粒子的分布特性
2 基本物理模型
图2 二维鞘层模拟空间示意图
2 1 二维鞘层模型 实验所用 柱槽状电 极的二 维鞘 层模型 如图 1
离子的密 度和速度由连 续性方程和动量 方程 描述 , 即
* 国家自然科学基金 ( 批准号 : 10605008) 和辽宁省教育厅科研计划 ( 批准号 : 2005069) 资助的课题 . 通讯联系人 . E -mail: jyliu@ dlut . edu. cn
( 5) 变为 ( 6) 1 - N i P, ( 7) ( 8) ( 9)
半径 . 漂浮势由电子电流和离子电流平衡时得到, 即 I e = I i . 电子和离子电流可以分别表示为 Ie = Ii = + r d en e r d en i 2T n mi
2 2
8k B T e me 2E i mi
、 尘埃相互作用
[19 22]
[ 13
15]
、 尘埃的悬浮
[ 16 18]
、 尘埃
的尾流效应
及尘 埃晶格的 特性
[ 23,24]
等 . 为了
较深入了解尘埃粒子在鞘层中的运动及分布特性 , 本文针对实验室等离子体发生器中的柱槽状电极采 用二维流体模型 , 数值模拟了等离子体鞘层及尘埃 粒子在鞘层中的分布结构 , 并讨论了尘埃粒子数、 尘 埃的大小以及电极尺寸等对尘埃粒子分布的影响 .
mfp
足够大, 性, 则
性粒子电荷交换碰撞引起的离子电流. 这里 T n 和 r i 分别表示中性 粒子温度和离子半径 , 子的平均碰撞自由程,
mfp
表 示离
数值计算中, 取下列参数值: T i = 0 10 eV, T e =
7092
物
理
学
报
56 卷
mfp
=
V th
in
,
式中 Vth 和
in
分别表示离子的平均热速度和中性粒 8 k BT i mi