научная статья по теме ЗАХВАТ И УДЕРЖАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ ЛОВУШКАМИ Физика

Текст научной статьи на тему «ЗАХВАТ И УДЕРЖАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ ЛОВУШКАМИ»

ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 3-10

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ

УДК 533.9

ЗАХВАТ И УДЕРЖАНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИМИ ЛОВУШКАМИ

© 2015 г. Д. С. Лапицкий, В. С. Филинов, Л. В. Депутатова, Л. М. Василяк,

В. И. Владимиров, В. Я. Печеркин

Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: dmitrucho@yandex.ru Поступила в редакцию 25.09.2013 г.

С помощью метода броуновской динамики найдены условия захвата и удержания заряженных пылевых частиц в линейных ловушках Пауля при атмосферном давлении в воздухе в широком диапазоне параметров, характеризующих как динамические ловушки, так и удерживаемые частицы. Показано, что вязкость газовой среды оказывает сильное влияние на захват и удержание пылевых частиц. Результаты моделирования согласуются с результатами эксперимента по созданию и удержанию устойчивого кулоновского кластера из заряженных пылевых частиц в квадрупольной ловушке.

Б01: 10.7868/80040364415010160

ВВЕДЕНИЕ

Заряженные пылевые частицы часто присутствуют во многих энергетических устройствах, где они могут играть положительную или отрицательную роль. В качестве примера упомянем установки плазменного травления, в которых образующиеся частицы необходимо удалять. Удаление радиоактивных микрочастиц из воздуха в установках атомной промышленности является чрезвычайно важной задачей. Как следствие, необходимы эффективные технологии по захвату и удержанию пылевых частиц в различных условиях для устранения их вредного воздействия на другие процессы или для очистки воздуха. Необходимо изучение структур, образуемых в плазме пылевыми частицами, а также разработка способов их удержания в определенной области рабочего пространства. С другой стороны, изучение поведения пылевых частиц в плазме может привести к разработке новых технологий, в которых они положительно влияют на физические процессы. Это открывает новые возможности их практического применения. Примерами таких систем являются плазмохимические реакторы по синтезу новых веществ и установки по преобразованию ядерной энергии [1, 2].

Плазма с пылевыми частицами широко распространена в космосе [3—8] и является интересным объектом исследований. История изучения пылевой плазмы насчитывает чуть меньше 100 лет, впервые она была получена в эксперименте Ленг-мюра в 1924 г. Фундаментальные исследования пылевой плазмы и разработка основ технологиче-

ского использования плазменно-пылевых структур относятся к актуальным проблемам физики [9-12].

Пылевые частицы могут приобретать большой заряд, зависящий от параметров плазмы. Потенциальная энергия их взаимодействия может намного превосходить их среднюю кинетическую энергию. Это приводит к возникновению пространственно-упорядоченных жидкостных или кристаллических структур. При исследовании этих структур наблюдались фазовые переходы типа "газ-жидкость" или "жидкость-твердое тело". Образование упорядоченных структур существенно влияет на физические свойства и поведение ансамбля пылевых частиц, а также на возможности их практического применения.

Теоретически свойства сильно заряженных пылевых частиц в плазменных средах могут быть описаны с помощью модели однокомпонентной сильно неидеальной плазмы [13, 14]. Возможность кристаллизации пылевой подсистемы в неравновесной газоразрядной плазме теоретически исследовалась Икези в 1986 г. [15]. Экспериментальные работы с аргон-ксеноновой плазменной средой [16, 17] показали возможность образования пылевых кристаллов из пылевых частиц микронных размеров. Упорядоченные структуры пылевых частиц наблюдались экспериментально в 1990-х гг., сначала в плазме ВЧ-разряда вблизи границы прикатодной области [13, 14, 18-20], где за счет большой величины электрического поля возможна компенсация силы тяжести. Поведение заряженных пылевых частиц исследовалось в термиче-

ской плазме при атмосферном давлении [21—23]. Упорядоченные пылевые структуры были получены в положительном столбе тлеющего разряда [24—26], а также в ядерно-возбуждаемой плазме [27—29], где плазменная среда создается жестким ионизатором.

В экспериментальных исследованиях пылевые частицы обычно вводятся непосредственно в исследуемую область специальным устройством. В естественных условиях помимо внешней инжек-ции возможно их самопроизвольное возникновение в среде, например, за счет конденсации, приводящей к появлению твердых частиц или капель. Процесс образования пылевых частиц в плазме характерен также для плазмы, адиабатически расширяющейся в вакуум или в канале МГД-генератора [30, 31]. Частицы могут появляться в результате химических реакций [32] или за счет эрозии электродов или стенок газоразрядных камер. При этом наблюдается рост самих частичек, например, за счет рекомбинации на частичках, приводящей к постоянному осаждению на их поверхность ионов вещества.

В технологических установках, использующих плазменные процессы, присутствие пылевых частиц часто играет негативную роль, и возникает необходимость в очистке среды. Поэтому в настоящее время ведутся поиски путей устранения пылевых частиц, в частности, в установках термоядерного синтеза. Изучаются пространственные структуры из пылевых частиц, а также возможности их захвата и удержания в определенной области пространства, например, для очистки газовых сред.

Идея построения ловушек для заряженных частиц возникла в физике молекулярных пучков, масс-спектрометрии и физике ускорителей частиц. Первым примером применения электродинамических ловушек можно считать квадруполь-ный масс-спектрометр [33]. Согласно теореме Ирншоу, электростатическое удержание заряженных частиц невозможно. Действительно, для удержания заряженной частицы внутри ловушки необходимы поля, которые бы удерживали ее в определенной точке пространства, например, так, чтобы частица двигалась в параболическом потенциале Ф = (ах2 + вУ2 + У£2) в области локального минимума. Однако согласно уравнению Лапласа ДФ = 0 выполняется соотношение а + в + у = = 0. Для выполнения этого условия в простейшем случае можно принять следующие значения: а = = 1 = —в, у = 0 или а = в = 1, У = —2. Во всех этих случаях создается потенциальное поле седлового

типа, например, Ф = Ф0(х2/х^ + у2/у0 — 2г2До), где х0, у0 и z0 — характерные размеры исследуемой области. Частица, совершающая в таком поле колебания, в силу случайных взаимодействий со средой будет уходить в неустойчивую область пространства и покидать ловушку. Для компенса-

ции этого эффекта можно использовать поле, периодически меняющее свое направление. Например, "седловое" поле может осциллировать с некоторой частотой ю, фокусируя частицу попеременно то по осям х—у, то по оси z. Анализ системы уравнений Матье, описывающих движение частицы в таких полях, позволяет сформулировать условия устойчивого движения частиц внутри ловушки.

Первая динамическая ловушка описана в работах 1958—1959 гг. [33—37]. Первая демонстрация удержания пылевых частиц в динамических ловушках была выполнена в 1955 г. [38]. Винтер и Ортъёхан удерживали одиночную пылевую частицу более двух месяцев в вакууме [39]. Дальнейшие исследования электродинамических ловушек проведено в [40], где движение частицы было разделено на две компоненты: круговое движение частицы, совершаемое в силу "вращения" потенциального поля, и микродвижение. Круговое движение является усредненным движением частицы в течение времени, много большего, чем период колебаний потенциала. Микродвижение представляет собой малые колебания, совершаемые в поперечном направлении по отношению к траектории кругового движения. Микродвижения являются следствием осцилляций электрического поля.

Чем больше частиц удерживается в ловушке, тем больше кулоновское межчастичное взаимодействие будет влиять на поведение частиц, а пространственный заряд — на потенциал ловушки. При этом условия устойчивости одиночных частиц, следующие из анализа уравнения Матье, могут нарушаться. Для частиц с одноименным зарядом куло-новское отталкивание будет препятствовать их удержанию. Динамика сильно взаимодействующих заряженных частиц в ловушке нелинейна, и для получения количественных и качественных результатов необходимо проводить либо длительные экспериментальные испытания, либо компьютерное моделирование динамики частиц. Моделирование методом молекулярной динамики движения сотен зарядов, удерживаемых в ловушке в вакууме, было проведено в работе [41]. При моделировании учитывались микродвижения захваченных частиц и межчастичное куло-новское взаимодействие. Когда межчастичное взаимодействие велико, частицы формируют концентрические оболочки, которые осциллируют под действие переменного поля, в то время как частицы внутри оболочки формируют двухмерную гексагональную решетку [42].

В данной работе проведено моделирование динамики заряженных пылевых частиц в линейной ловушке Пауля в воздухе при атмосферном давлении методами броуновской динамики. В результате исследований обнаружены области устойчивости пылевых образований заряженных частиц в

широком диапазоне параметров частиц и ловушки, а также вязкости газовой среды.

МОДЕЛЬ РАСЧЕТА ПОВЕДЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ

Для моделирования поведения пылевых структур необходимо задать силы, действующие на пылевые частицы, а также силы межчастичного взаимодействия. В настоящее время в литературе обсуждается несколько физических возможностей. В данной работе рассмотрен случай потенциальных сил. Влияние газовой среды учитывалось величиной ее вязкости и действием стохастических сил. Для описания временного поведения пылевых частиц использовался метод броуновской динамики, учитывающий стохастические силы, действующие на пылевые частицы благодаря столкновениям с нейтральными и плазменными частицами. Учитывались также регулярные силы взаимодействия пылинок с электродами ловушки, силы взаимодействия пылинок между собой и сила гравитации. Таким образом, эволюция подсистемы пылевых частиц описывалась системой динамических уравнений Ланжевена:

тр = ) + /ы(п) - 6кцгр ^ + + ^, (1) ш

и

где ■ = 1, ..., Ыр; Ыр - число пылевых частиц; тр -масса пылевой частицы; гр - радиус пылевой частицы; п - динамичес

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.

Показать целиком