Физика плазмы, 2022, T. 48, № 10, стр. 914-918

2.1. Постановка эксперимента

Идея экспериментального исследования заключается в следующем. Если для формирования пылевой структуры использовать полидисперсный порошок широкого размерного диапазона и произвольной формы частиц, то в соответствии с условиями левитации в пылевой ловушке в структуре будет отобрана определенная фракция частиц с некоторым средним размером. Меняя заданным образом условия разряда: поддерживая давление и разрядный ток, но, добавляя в гелий контролируемое количество ксенона, можно “настраивать” пылевую ловушку на определенный размер частиц. Для количественной оценки размера левитирующих частиц нужно два фактора: достаточно большое количество частиц (от 400) и выбор характерной геометрической величины полидисперсных частиц “неправильной” формы, чувствительной к вариации состава газовой смеси. Для обеспечения первого фактора мы использовали объемную пылевую структуру в стоячей страте, способную к удержанию 6000 частиц и более с плотностью 2.5–4.3 г/см³ при оптимальных условиях [15, 16]. Для выполнения второго фактора использовались проекционные (двумерные) изображения частиц и сопоставление им среднего размера, используемого в газодинамике потоков частиц [17]. По изображению проекции частицы определялась ее площадь, и извлекался квадратный корень из ее значения. Данный способ определения характерного размера оказался более чувствительным при изменении процентного состава смеси и давления газа, чем ранее использованый нами метод на основе среднего из наибольшего и наименьшего проекционных размеров [15, 16].

Выбор условий эксперимента первоначально основывался на предсказаниях поведения потоков ионов и электронов в смесях различных газов [11–13]. Если в эксперименте к основному газу с большим потенциалом ионизации добавлять газ или пары металла с существенно меньшим потенциалом ионизации, то можно ожидать изменение целого ряда параметров. Наиболее существенные из них: замена сорта иона, падение электронной температуры/энергии, возрастание скорости потока ионов и, соответственно, температуры ионов. Изменения данных параметров приведут к изменению заряда пылевой частицы (даже при сохранении ее размера). Несколько процессов способны вызвать изменения как в сторону увеличения, так и уменьшения.

Для точного выбора параметров эксперимента были проведены предварительные исследования. Во-первых, было обнаружено, что при одинаковом давлении и токе в чистых газах гелии и ксеноне пылевые ловушки неустойчивы и достаточно бедны частицами. В ксеноне ловушка эффективна при давлении не более 0.3 Тор, но в гелии она почти не заполнена при этих условиях. Поскольку, согласно [12], эффекты смешения газов работают при добавках до 5%, было решено ориентироваться на устойчивую ловушку именно в гелии, исключая работу в чистом ксеноне. Во-вторых, была изучена зависимость размера пылевых частиц в ловушке в чистом гелии в зависимости от давления. Оказалось, что частицы максимального размера в гелии удерживаются при относительно высоком давлении в 1 Торр. Кроме того, из [14] известно, что при близком давлении пылевая ловушка является устойчивой вплоть до добавки ксенона в 4%. В итоге было выбрано для проведения эксперимента давление в 1 Торр при токе разряда в 1.5 мА. При добавлении ксенона ловушка постепенно деградировала (страта переставала быть резкой), но вплоть до примеси ксенона в 10% она была способна удерживать пылевые частицы.

2.2. Экспериментальная установка и результаты эксперимента

Методика эксперимента по улавливанию и извлечению пылевых частиц из разряда описана в [15, 16]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Для исследования применялись полидисперсные частицы кварца с плотностью 2.5 г/см³. Засыпной порошок имел почти равномерное распределение по размерам в диапазоне от 1 до 25 мкм. Перед работой с каждой смесью газов разрядная трубка вскрывалась, очищалась от попавшего на нижнюю стенку порошка, откачивалась до уровня не хуже 10^–4 Торр и тренировалась в разряде планируемого газа при повышенном токе в 15 мА.

Рис. 1.

Схема экспериментальной установки: 1 – пылевая ловушка с исследуемыми частицами; 2 – стеклянная вставка, сужающая разряд; 3 – устройство для сбора частиц; 4 – катод; 5 – анод; 6 – контейнер с частицами.

Эксперимент проводился следующим образом. В приготовленной смеси газов зажигался разряд. В него вбрасывались частицы, часть которых левитировала в стратах, а часть падала вниз на горизонтальный участок трубки. Под вертикальный участок трубки подводилось собирающее устройство, и разряд выключался. Процесс попадания частиц из страты на собирающее стекло устройства контролировался визуально при осуществлении лазерной подсветки. Далее собирающее устройство извлекалось из разрядной камеры через боковой кран и помещалось под оптический микроскоп Axio Lab A1. Собранные частицы последовательно однократно фотографировались с увеличением в 600 крат. Далее, с помощью написанного для данного эксперимента пакета программ, определялся эффективный диаметр частиц (метод описан в п. 2.1) и строились гистограммы распределения. Погрешность определения диаметра не более 0.3 мкм – учитывалось качество фотографий, погрешность эталонной шкалы, эффект расфокусировки пылевых частиц (на одной фотографии могло быть до 50 частиц разных размеров). На основе гистограммы, определялся наиболее вероятный размер, путем аппроксимации нормальным распределением. Эксперимент проводился в чистом гелии и его смесях с примесью ксенона в 1, 2, 5, 10%. Дополнительно был проведен эксперимент с неконтролируемо малыми “следами” ксенона в гелии. Для этого разрядная трубка длительно тренировалась в атмосфере ксенона, но для работы наполнялась чистым гелием. По сопоставлению вольтамперных характеристик мы оценили количество ксенона как не превышающее 0.05%. Данное сравнение может быть полезным для сопоставления с моделированием движения ионов ксенона в 100% газе гелия, приведенное в [12]. Пример гистограммы уловленных частиц для смеси с 5% Xe представлен на рис. 2.

Рис. 2.

Гистограмма распределения характерного размера пылевых частиц в смеси инертных газов He и Xe. N – число частиц, d – характерный диаметр. Условия: смесь с 95% He и 5% Xe, давление 1 Торр, ток разряда 1.5 мА.

3.1. Изменение параметров разряда в зависимости от доли ксенона

На рис. 3 показано изменение характерного размера частиц при увеличении примеси Xe в смеси. Уже при 5% добавке размер частиц уменьшается вдвое. Изменение размера, отнесенное к изменению процента Xe в основном реализуется в диапазоне до 5%. При этом максимальное изменение зарегистрировано при наличии “следов” Xe – вторая точка графиков. Оценка его количества, проведенная по падению потенциала, дала значение 0.05%.

Рис. 3.

Зависимость среднего размера пылевых частиц от процентного содержания Xe в смеси (He + Xe). Условия: давление 1 Торр, ток разряда 1.5 мА.

Можно ожидать, что добавка в гелий тяжелого газа с меньшим потенциалом ионизации приведет к падению напряженности электрического поля, а также к увеличению силы ионного увлечению как из-за увеличения скорости иона при отсутствии резонансной перезарядки, так и из-за увеличения массы иона. Это должно привести к изменению баланса сил и уменьшению удерживаемых в ловушке пылевых частиц. Качественно из данных на рис. 3 следует, что наибольшие изменения при примеси до 1% могут быть вызваны именно заменой ионов.

3.2. Численные оценки и качественная интерпретация

Изменения характеристик разрядной плазмы при добавлении используемой примеси нужно изучать количественно строго по зондовым и спектральным измерениям: напряженность поля, температура электронов. Теоретические расчеты [11–13] предсказывают изменение нескольких параметров сразу. Помимо названных, это энергия и скорость дрейфа ионов, а касательно пылевой частицы, это ее заряд. Сложность заключается в том, что изменяется несколько параметров, сдвигая баланс сил частицы в разные стороны. В проводимом исследовании уловленные пылевые частицы являются своеобразным “пылевым зондом”, дающим информацию об изменении свойств разряда. Далее на основе изменения размеров (рис. 3) и данных расчетов [11–13], проведем оценку баланса удерживающих сил для пылевой частицы в чистом He и при добавке 5% Xe.

Для чистого He по характерному размеру частиц d₁ = 8.9 мкм вычислим силу тяжести $mg = 8.8 \times {{10}^{{ - 12}}}$ Н. По измеренному падению потенциала, согласно [12] при $E{\text{/}}N = 50$ Tд, примем ${{T}_{e}} = 10$ эВ, $T_{i}^{{eff}} = 600$ К, и безразмерный заряд частицы $z = {{e}^{2}}{{Z}_{d}}{\text{/}}a{{T}_{e}} = 1.6$. Тогда электрическая сила, удерживающая частицу, будет равна qE = = 10 × 10^–12 Н. Видно, что в чистом He баланс сил определяется без силы ионного увлечения F_id. Для нее проведем оценку по формуле, записанной в удобном для эксперимента виде

По сравнению со стандартной формой, в (1) скорость потока ионов выражена через электрическое поле, записанное через ток разряда I, а также учтены только наибольшие члены, связанные с  рассеянием ионов, П – модифицированный кулоновский логарифм [1], остальные обозначения стандартные. Численная оценка дает ${{F}_{{id}}} = $ = 10^‒12 Н, что составляет порядка 10% от веса частицы.

На основании [12] можно выполнить оценку при добавке к He 5% Xe. Примем ${{T}_{e}} = 7$ эВ и $T_{i}^{{eff}} = 3000$ К, при ${{d}_{1}} = 5.4$ мкм заряд $z = 1.6$, а зарядовое число ${{Z}_{d}} = 36000$. Удерживающая электрическая сила $qE = 12 \times {{10}^{{ - 12}}}$ Н, что больше веса частицы $mg = 2.5 \times {{10}^{{ - 12}}}$ Н. Для оценки ионного увлечения учитываем уменьшение частоты столкновений из-за отсутствия резонансной перезарядки. Значение ${{F}_{{id}}} = 10 \times {{10}^{{ - 12}}}$ Н, что на 25% превышает вес частицы.

Приведенное сопоставление баланса сил для чистого He и смеси с 5% Xe показывает, что причиной изменения размера пылевых частиц в том, что крупные частицы из ловушки сбрасываются силой ионного увлечения, которая возрастает до 10 пН.