ОРБИТАЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В МАГНЕТРОННОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ РАЗРЯДЕ: СИЛА ИОННОГО УВЛЕЧЕНИЯ ИЛИ ВЕТРА НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ
А. Ф. Пальа'ь, А. Н. Рябинкина, А. О. Серова, Н. А. Дяткоь, А. Н. Старостинь, А. В. Филипповь*
а Научно-исследовательский институт ядерной физики «л«. Д. В. Скобельцына, Московский государственный университет «л«. М. В. Ломоносова 119991, Москва, Россия
ЬГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных ■исследований Ц2190, Троицк, Московская. обл., Россия.
Поступила в редакцию 26 мая 2011 1".
Осуществлено удержание микрочастиц размерами до 130 мкм и проведены одновременные измерения скорости и диаметра частиц в плазменно-пылевой ловушке магнетронного высокочастотного разряда с магнитным полем арочного типа. Проведено численное моделирование движения газа на основе уравнения Навье-Стокса под действием циклотронных токов электронов и ионов. Полученные экспериментальные и численные результаты подтвердили механизм орбитального движения пылевых частиц в плазме магнетронного разряда, связанный с орбитальным движением нейтрального газа, ускоренного дрейфовыми потоками электронов и ионов в скрещенных электрическом и магнитном полях.
1. ВВЕДЕНИЕ
Частицы микронных размеров в плазме приобретают большие отрицательные заряды и могут левитировать в областях, где выполняется баланс всех сил, действующих на частицы в плазмен-ио-пылевых ловушках [1]. На частицы в плазме действуют силы различной природы, часть из них связана с наличием у частицы электрического заряда. В высокочастотном (ВЧ) разряде вблизи электродов образуются приэлектродные слои области с положительным в среднем за период колебаний зарядом. Среднее электрическое поле в приэлектрод-ных слоях направлено к электродам, и вызванная им электростатическая сила может компенсировать силу тяжести и силу ионного увлечения, действующие на частицу. В случае существования градиента температуры на частицу действует термофоретиче-ская сила. На движущуюся частицу также действует сила трения со стороны нейтрального газа.
В плазме возможны как индивидуальные вра-
E-mail: favö'triniti.ru
щательные движения отдельных частиц (спиновые [2 5], орбитальные [6 8]), так и вращения плазмен-но-пылевых структур как целого [9]. Причины движений связаны с различного рода асимметриями нерегулярностью формы частицы [10], неравномерностью распределения заряда по ее поверхности, вызывающей асимметрию плазменных потоков [3 5], действующих на частицу (в том числе обусловленных наличием внешнего магнитного поля) и др.
Магнитное поле может сильно изменить пространственную конфигурацию плазменно-пылевых ловушек и характер движения частиц в них. Оказывается возможной дипольная зарядка частицы (с формированием больших дипольных моментов в распределении заряда по ее поверхности), вызванная дрейфом ионов в «скрещенных полях», приводящая к ее спиновому движению [11]. Во внешнем магнитном поле спины частиц и соответствующие магнитные моменты ориентируются преимущественно вдоль поля, обнаруживая парамагнитные свойства [2].
В работе [12] наблюдалось вращательное движение пылевого облака в разряде постоянного то-
ка поело наложения вертикального магнитного поля. С увеличением магнитного поля частота вращения пропорционально увеличивалась. Орбитальное движение сферических микрочастиц в ловушке над электродом ВЧ-разряда в слабом вертикальном магнитном поле (ионы но намагничены) наблюдалось в работе [13]. В зависимости от разрядных условий плазменный кристалл или вращался как целое с одной угловой скоростью, или угловые скорости частиц зависели от их удаленности от центра ловушки. При значительном повышении разрядного напряжения частицы могли изменять направление вращения. В той же работе представлена аналитическая модель, согласно которой причиной, приводящей частицы в движение, является сила ионного увлечения, вызванная ионным дрейфом в скрещенных электрическом (удерживающем частицы в ловушке в горизонтальном направлении) и магнитном полях.
Движение частиц в ловушке в магнитных полях различной величины изучалось в работе [14]. При наложении слабого магнитного поля частота вращения была пропорциональна индукции магнитного поля, а в сильном магнитном поле наблюдался эффект «насыщения» (частота вращения переставала увеличиваться с ростом величины магнитного поля). В статье [15] для объяснения результатов [14] предложена модель, основанная на теории столкно-вителыгой жидкости, применительно к случаю частично замагниченных ионов. Вращение в магнитном поле пылевых кластеров с разным количеством частиц наблюдали в работах [16, 17]. В статье [17] исследована зависимость порогового значения магнитного поля, необходимого для начала вращения пылевого кластера, от количества частиц в ном. Там же проводилось сравнение экспериментальных данных с предсказаниями теоретических моделей работ [13, 15, 18]. Модель [13], давая качественное согласие с экспериментом (пропорциональность движущей силы произведению Ег и В), по объясняла наблюдаемых величин скоростей частиц: рассчитанная по этой модели сила ионного увлечения была на два порядка меньше необходимой для того, чтобы обеспечить наблюдавшиеся скорости вращения. Модель [15] давала значения скорости, близкие к измеренным, но не объясняла зависимости этих скоростей от количества частиц и наблюдаемую величину магнитного поля «насыщения», хотя, как отмечается в работе [17], модель могла быть неприменима, поскольку длина свободного пробега ионов была сравнима с размером плазменного кристалла. Аналитическая модель [18], объясняющая вращательное дви-
жение пылевого кластера действием силы Лоренца и гармоническими колебаниями частиц, для условий работы [17] предсказывала значения частоты вращения, на три порядка меньшее наблюдавшихся.
В работе [19] пылевые частицы левитировали в ловушке, сформированной при помощи кольцеобразного профилирования поверхности электрода ВЧ-разряда. Ловушка находилась в зоне влияния постоянного магнитного поля магнетронного распылителя, которое в месте ее расположения не превышало 1 2 Гс и не влияло на левитацию микрочастиц. После включения магнетронного разряда постоянного тока, который создавал поток распыленных атомов, направленных на пылевое облако, наблюдалось круговое движение частиц. Для объяснения эффекта в работе [20] были проведены оценки силы ионного увлечения па основе моделей [21, 22], которые показали, что расчетные скорости вращения частиц отличаются от наблюдаемых. При этом оценки на основе модели [21] показали, что расчетные скорости частиц на порядок меньше измеренных, а на основе подхода [22] на 30 % больше. Нужно отметить, что магнитное поле в экспериментах [19] было порядка 1 Гс, поэтому последняя оценка вызывает сомнения, поскольку слабые магнитные поля не могут оказать заметного влияния на движение тяжелых ионов аргона.
Более полувека назад было экспериментально показано, что наложение внешнего магнитного поля может вызывать движение плазмообразующего газа. В работе [23] вращающееся магнитное поле приводило во вращение плазму, что фиксировалось при помощи малоинерционной вертушки, расположенной в разрядной колбе. Вращающаяся плазма в разряде между двумя цилиндрами, расположенными в постоянном магнитном поле, наблюдалась в работе [24].
Впервые на необходимость учета движения газа при рассмотрении механизма вращения пылевых частиц было указано в работе [25]. В статье [26] тоже показано, что при рассмотрении вращения плазмен-но-пылевых структур необходимо учитывать вращение газа, возникающее под действием направленного потока ионов. В работе [27], кроме того, показана необходимость учета передачи импульса частицам от электронов через нейтральную компоненту. В работе [28] показана необходимость одновременного учета силы ионного увлечения и силы, связанной с вращением газа, при наложении магнитных полей.
Целыо настоящей работы является исследование роли нейтрального газа, приводимого во вращение циклотронными токами электронов и попов, во вра-
13 ЖЭТФ, выи. 3
609
щательном движении пылевых частиц в плазме маг-нетронного ВЧ-разряда в аргоне и водороде.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
В эксперименте исследовалось движение частиц, захваченных в ловушку в плазме магнетронного ВЧ-разряда [29]. Измерялись скорости движения частиц в различных разрядных условиях и сила, действующая на миниатюрный объект, помещаемый в плазму в область расположения ловушки для этих частиц. Эксперименты проводились в цилиндрической вакуумной камере, на плоском дне которой располагался ВЧ-электрод, отделенный от дна тонким слоем диэлектрика. Перемещаемая магнитная система располагалась снаружи камеры под электродом. Схематичное изображение электродной системы, линий магнитного поля и области локализации ловушки для частиц показано на рис. 1.
ВЧ-разряд поддерживался в аргоне или водороде, частота ВЧ-напряжения составляла 7.5 МГц, напряжение разряда (пик-пик) изменялось в диапазоне 240-600 В, соответствующее отрицательное самосмещение нагруженного электрода составляло 65-200 В, давление аргона изменялось в диапазоне 4-14 Па. Максимальная величина магнитной индукции над электродом составляла 5 • 102 Гс.
Арочная конфигурация магнитного поля над электродом способствует концентрации плазмы в кольцевой области над ним, между полюсами магнитной системы. Ионный ток в этой области увеличивается, что приводит к уменьшению толщины приэлектродного слоя и к искажению эквипотенци-
Рис. 1. Схема электродной системы и расположения плазменно-пылевой ловушки: 1 — поверхность электрода, 2 — магнитная магнетронная система, темные области над электродом — области плазменно-пылевой ловушки. Изогнутые линии над электродом — эквипотенциальные поверхности электрического поля
Рис.2. Треки движущихся прозрачных микросфер. Луч, подсвечивающий сферы, направлен поперек направления их движения
альных поверхностей, что в конечном итоге совместно с силой тяжести приводит к образованию электростатической ловушки для пылевых частиц. Отметим, что максимальная величина магнитной индукции над электродом такова, что замагниченными в наших условиях оказы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.