等離子體磁鞘中塵埃粒子的運動范文

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《大連交通大學學報》2016年第5期

摘要:

采用單粒子模型數值研究了塵埃粒子在等離子體磁鞘中的運動．鞘層模型包含熱電子、冷離子、中性粒子和塵埃粒子．等離子體磁鞘結構與無外加磁場的鞘層相比較其結構不同，數值模擬工作研究了塵埃粒子在有磁場的等離子體鞘層中的運動特性，討論了塵埃粒子初始位置、初始速度對塵埃粒子運動狀態的影響．模擬結果顯示在等離子體磁鞘中，磁場能夠調節塵埃粒子與基板間的距離，使塵埃粒子偏移遠離基板．

關鍵詞:

塵埃粒子;磁場;等離子體鞘層

0引言

近年來，隨著等離子體材料加工技術的廣泛應用，塵埃等離子體物理［1-18］倍受關注，成為比較活躍的一個研究領域．在半導體器件刻蝕、薄膜沉積等工藝中，在放電器壁或材料表面的等離子體鞘層區域不可避免地會產生塵埃粒子．這些塵埃粒子常常聚集在鞘層區域，污染被加工的材料，嚴重地影響加工產品的質量．因此，為了控制消除等離子體鞘層中塵埃粒子，必須了解塵埃粒子在鞘層中的運動特性．帶電的塵埃粒子與其它粒子相比，其具有比較可觀的質量和電量，因此在研究塵埃粒子的運動過程中需要考慮到靜電力、重力、中性氣體粘滯力和洛侖茲力等．許多研究工作［1-5］研究了塵埃粒子在無外加磁場作用下的等離子體邊界鞘層中的受力、輸運以及分布等情況．2000年Liu等人［1］分別使用單粒子模型和流體模型研究了鞘層中的塵埃粒子特性．結果顯示塵埃粒子在鞘層中的密度分布曲線出現了震蕩，攜帶負電荷的塵埃粒子可以懸浮在鞘層內，位置由粒子的大小和受力等因素決定．同年，劉德泳等人［2］使用動力學方法研究了塵埃粒子在直流輝光放電的陰極鞘層中的運動狀況，并討論了塵埃粒子的電量、受力及懸浮位置等．2007年段萍等人［3］采用柱槽狀電極的流體模型，數值模擬了等離子體鞘層及塵埃粒子的分布結構．2010年劉金遠等人［4］數值研究了磁約束聚變環境中塵埃粒子的帶電、運動及溫度特性．2012年吳靜等人［5］采用穩態無碰撞的塵埃等離子體鞘層模型，研究了塵埃等離子體中塵埃顆粒以及其它粒子的密度分布特性．此外，還有很過研究工作［6-9］研究了無外加磁場作用下的塵埃等離子體鞘層的玻姆判據．考慮外加磁場的作用，在1999，2003兩年，Baishya［10-11］在工作中采用了均由玻爾茲曼分布來描述的離子和電子密度分布．基于流體近似的研究結果表明帶電塵埃粒子的存在影響了極板附近的等離子體鞘層區的形成和特性，鞘層的厚度隨著磁場傾斜角度增加而增加．在2005年，奚衍斌等人［12］利用流體模型，數值模擬了在調制磁場作用下的圓柱形等離子體發生器中的電子、離子及塵埃粒子的運動情況．2006年以及2014年，我們在研究工作中［13-14］用利用流體模型數值研究了外加斜磁場中的塵埃等離子體鞘層，分析討論了塵埃粒子密度的分布．近期國內外還有一些研究工作［15-18］利用流體模型數值研究塵埃等離子體磁鞘．2007年Duan等人［19］，使用單粒子模型數值模擬外加磁場作用下等離子體鞘層的特性，他們的研究工作只考慮了磁場對塵埃粒子的作用力，沒有考慮磁場對離子流的影響，也沒有討論磁場大小對塵埃粒子的影響．本文使用單粒子模型數值研究塵埃粒子在鞘層中的運動特性．同時考慮外加磁場對離子流和塵埃的作用．詳細討論磁場大小、塵埃粒子初始位置、初始速度對塵埃粒子運動狀態的影響．希望得到的結果有助于利用外加磁場調控和消除等離子體鞘層中的塵埃粒子．

1理論模型和基本方程

建立一個平板型等離子體下鞘模型，即等離子體中的基板水平放置，包含一維坐標空間三維速度空間，如圖1所示．假設鞘層中含有熱平衡的電子、冷的離子、中性粒子、以及帶負電的塵埃粒子．外加斜磁場B→位于(x，z)平面內，與x軸正方向夾角θ．磁場方向單位矢量為B^0=cosθx^+sinθz^．在鞘層邊界x=0處，靜電勢=0．鞘層系統中的電子，處于熱平衡狀態，滿足玻爾茲曼分布，不考慮磁場的影響［10-14，19］，電子的數密度為:ne=ne0exp(e/Te)(1)式中:Te是電子溫度．冷離子的運動滿足流體的連續性方程和運動方程:•(niv→i)=0(2)mi(v→i•)v→i=－eφ+ev→i×B→/c(3)式中:ni，mi，vi分別是離子的數密度，質量和速度．描述塵埃粒子的動力學方程為:mddv→d/dt=－qd+fotx^+qdv→d×B→/c(4)式中:md，vd和qd分別為塵埃粒子的質量，速度以及電量．fot=fg+fn，其中fg=4πR3ρdg/3是塵埃粒子的重力，在x軸方向上，把塵埃看成是質量均勻分布的球形粒子，半徑為R，ρd是塵埃物質的質量密度;fn=－6πηeffRVd是中性氣體粘滯力［5-7、19］，ηeff=0．68RP/V—n，P是氣體壓強，V—n=(8Tn/πmn)1/2是平均熱速度，Tn和mn分別是中性氣體的溫度和質量．塵埃表面勢d=qd/R．系統滿足泊松方程:2/x2=－4π［e(ni－ne)+qdδ(x)］(5)在鞘邊x=0處，由準中性條件ne0=ni0．在低溫等離子體中，塵埃粒子攜帶電荷的原因是由于收集電子和離子．塵埃粒子的充電時間非常短，在充電時間內可以忽略塵埃粒子的位移．因而，塵埃粒子穩態時靜電流為零，即Ii+Ie=0(6)根據軌道理論對塵埃粒子充電的電子電流和離子電流為［5-7，19］:Ie=－neπR2e［8Te/(πme)］1/2Ke(qd)(7)Ii=πR2enivi［1－2eqd/(Rmiv2i)］(8)當qd＜0時，Ke(qd)=exp［eqd/(RTe)］;當qd＞0時，Ke(qd)=1+eqd/(RTe)．考慮鞘層厚度遠遠小于其它空間尺度，取物理量只有x方向的空間變化，即→(/x)x^．為了簡化方程，引入下列無量綱量:Φ=－e/Te，ξ=x/λD，Zd=qd/e，Φd=ed/Te，u→i=v→i/cis，u→d=v→d/cds，Ne=ne/ne0，Ni=ni/ni0，f0=zTe/λD，τ=t/τ0，τ0=λD/cds．其中:λD=(Te/4πn0e2)1/2是電子德拜長度，cis=(Te/mi)1/2為離子聲速，cds=(zTe/md)1/2為塵埃粒子聲速，z=RTe/e2．經過無量綱化處理，由式(1)～(8)可以得到:Ne=exp(－Φ)(9)Ni=Mi/uix(10)uixu→i/ξ=Φ/ξx^+γiu→i×B^0(11)du→d/dτ=(ΦdΦ/ξ+Fot)x^+Φdγdu→d×B^0(12)2Φ/ξ2=Ni－Ne－zΦdΔ(ξ)(13)其中:式(10)中Mi=vix0/cis為離子馬赫數，式(11)中γi=ωic/ωpi為離子回旋頻率和離子等離子體頻率的比值．離子回旋頻率ωic=eB/mic，離子等離子體頻率ωpi=(4πni0z2e2/mi)1/2．式(12)中Fot=fot/f0．γd=(zmi/md)1/2γi．由式(9)～(13)我們可以數值模擬等離子體磁鞘結構以及塵埃粒子在磁鞘中的運動情況．

2分析和討論

在數值計算中，取氬等離子體為研究對象，等離子體濃度為n0=1015m3，Te=3eV，塵埃粒子半徑為R=3×10－6m，密度為ρd=2×103kg/m3，鞘邊電場取Φ/ξ|ξ=0=0．01，離子馬赫數Mi=1．相應的氣體壓強為13．33Pa，溫度為290K．圖2顯示了鞘層的結構，包含了無量綱化以后的電子密度、離子密度和電勢的分布．與沒有外加磁場的鞘層相比，磁鞘(B=0．5T，θ=30°)的結構有明顯的不同［19］．由于洛倫茲力的存在，離子密度和電子密度分布曲線下降更為迅速，無量綱化電勢分布曲線上升也更為迅速，鞘邊的電場強度更強，作用于塵埃粒子上的電場力更大．圖3顯示了塵埃粒子在磁鞘中的x軸方向的運動．取塵埃粒子初始位置x0=5λD，初始速度udx0=cds．外加磁場對運動的塵埃粒子產生洛倫茲力，加上磁鞘結構的變化使塵埃粒子受到的電場力也發生改變．在合力的作用下，在x軸方向上，塵埃粒子仍能在一段時間振動之后懸浮在鞘層中某個位置．從圖3可以看出，隨著磁場磁感應強度增強，塵埃粒子的懸浮位置靠近鞘邊，即遠離基板．當磁場足夠強時(B=0．6T)，塵埃粒子在合力的作用下可以離開鞘層．圖4顯示了θ=30°時塵埃粒子在磁鞘中的運動軌跡．對比兩種狀況B=0．05T和B=0．10T，隨著磁場增強，塵埃粒子會遠離基板．塵埃粒子在x方向振動的同時，向y軸和z軸正半軸方向產生位置的偏移，這是由于洛倫茲力的作用．磁場越強，偏移越明顯．圖5顯示了B=0．3T，θ=30°時，塵埃粒子在磁鞘中的運動軌跡．在x軸方向塵埃粒子振動之后擁有相對固定的x軸坐標，即滿足受力平衡．在洛倫茲力作用下，塵埃粒子向z軸負半軸方向漂移．同樣大小的塵埃粒子在x軸方向受力平衡的位置應該相同．當在磁鞘中運動的塵埃粒子具有不同的初始位置或者不同的初始速度時，從圖6和圖7可以看出，大多數情況塵埃粒子還是“懸浮”于同一x軸坐標平面．但是也有例外，在圖6中，當塵埃粒子離鞘邊較遠時會受到較大的電場力，被加速后的塵埃粒子在洛倫茲力作用下可能離開鞘層．在圖7中，當具有較大初始速度時，塵埃粒子在洛倫茲力作用下可能離開鞘層．

3結論

本文建立了一個外加斜磁場作用下的等離子體鞘層模型，數值模擬了塵埃粒子在磁鞘中的運動．得到以下結論:

(1)帶電的塵埃粒子在磁鞘中x軸方向受力平衡后會“懸浮”在鞘層中的某個平面，即x軸坐標固定;

(2)隨著外加磁場的增強，這個“懸浮”位置將遠離基板，同時塵埃粒子會在“懸浮”平面內漂移，方向由洛倫茲力決定;

(3)當塵埃粒子在鞘邊具有較大速度時，在洛倫茲力的作用下，它可能離開鞘層．因此，可以利用磁場改變塵埃粒子的運動方向，使之偏移遠離基板，甚至離開鞘層區域．

參考文獻:

［2］劉徳泳，王德真，劉金遠．塵埃粒子在直流輝光放電陰極鞘層中的運動及懸浮［J］．物理學報，2000，49(6):1094-1097．

［3］段萍，劉金遠，宮野，等．等離子體鞘層中塵埃粒子的分布特性［J］．物理學報，2007，56(12):7090-7099．

［4］劉金遠，陳龍，王豐，等．聚變等離子體中塵埃雜質的帶電和運動特性及溫度變化研究［J］．物理學報，2010，59(12):8692-8700．

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［12］奚衍斌，張宇，王曉剛，等．調制磁場清除柱形等離子體發生器中的塵埃顆粒［J］．物理學報，2005，54(1):164-172．

［14］鄒秀，劉惠平，鄒濱雁，等．外加磁場對氬等離子體鞘層塵埃粒子密度分布的影響［J］．大連交通大學學報，2014，35(增刊):183-186．

作者:鄒濱雁 鄒秀 劉惠平 邱明輝 單位:大連交通大學理學院