等离子体鞘层中尘埃粒子分布特性.pdfVIP

第56卷第12期2007年12月 物 理 学报 1000，3290／2007／56(12)17090．10ACTAPHYSlCASINICA @2007 Chin．Plays．Soc． 等离子体鞘层中尘埃粒子的分布特性* 段 萍1’2’ 刘金远1’’ 宫 野1’ 张 宇1’ 刘 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116024) 2)(大连大学物理科学与技术学院，大连116622) (2007年4月14日收到；2007年6月28日收到修改稿) 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． 关键词：尘埃粒子，等离子体鞘层，电极 PACC：5225Z，5240K，5265 所示． 1．引 言 等离子体 近年来在对尘埃等离子体的研究中，人们发现 了许多奇特现象，如尘埃晶格的形成¨．41、单尘埃粒 子在鞘层中的非线性共振b_71以及尘埃晶格在磁场 作用下的旋转哺-1们等．在等离子体材料加工中产生 图1 实验室二维柱槽状电极示意图 的带电尘埃粒子，会改变等离子体鞘层的结构，影响 孳I一 加工材料的性质，甚至对加工工件造成污染，因此研 数值模拟区域如图2所示，其中R=R：，z=彳： 究带电尘埃在等离子体鞘层中的分布具有重要意 是模拟空间的边界，而R。≤R≤R：，0≤z≤：。是电 义．学者们对此做了许多研究工作，如尘埃充电特 极区． 性‘11’12|、尘埃相互作用n卜”]、尘埃的悬浮n卜18】、尘埃 的尾流效应[1P别及尘埃晶格的特性∞m1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． 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 离子的密度和速度由连续性方程和动量方程 实验所用柱槽状电极的二维鞘层模型如图1 描述，即 *国家自然科学基金(批准号和辽宁省教育厅科研计划(批准号：2005069)资助的课题 t通讯联系人．E-mail：jyliu@dlut．edu．cn 万方数据 12期 段 萍等：等离子体鞘层中尘埃粒子的分布特性 V·(n；-，，)=0， (1) 1．0eV，中性气体压强P。=100Pa，等离子体密度No 22×109 cm-3或J『、r。=2×lOscm一． (¨V)l，；=一云V≯一上li,ImiV尸， (2) P=njkBTi， (3) 2．2．尘埃粒子运动模型 其中mi，e，n；，l，；，Ti，声，P和k。分别是离子质量、 在鞘层中，尘埃粒子所受的力有静电力、德