Plasma de radiofrecvenţă obţinută īn aer este aratată īn Fig. 1, pentru o putere rf de 50 W şi o presiune a gazului de 50 mtorr. Īntre plasmă şi electrozi se formează un strat de separare (sheath) unde quasineutralitatea plasmei din punct de vedere al sarcinilor electrice este afectată, dānd naştere unui cīmp electric. Fizic, situaţia este descrisă de fluxurile de ioni şi electroni care ajung la suprafată. Deoarece electronii sunt mult mai mobili, electrodul se īncarcă negativ, ceea ce duce la atracţia ionilor spre suprafaţă. Aceştia la rīndul lor pozitivează suprafaţa pīnă se obţine un echilibru al celor două fluxuri de particule. In cazul nostru, pentru tipul de electrozi folosiţi, grosimea stratului ce corespunde electrodului inferior conectat la sursa de rf este mai mare decīt a electrodului superior, īmpămīntat.
Fig. 1 Plasma de radio-frecventa (rf)
FormareA cristalelor in plasma RF
Microparticule cu dimensiuni de ordinul 0.1-1 µm au fost introduse īn plasmă, īntre cei doi electrozi, cu ajutorul unui braţ lateral mobil ce are la capăt o cupă de 1cm3 prevăzută cu o gaură cu un diametru de 1 mm. Braţul iese din incintă printr-o flanşă specială etanşată prin īnşurubare pe un un O-ring şi presarea acestuia pe suprafaţa braţului. Microparticulele sunt eliberate īn plasmă prin scuturarea mecanică a braţului (v. Fig. 2, dreapta).
Fig. 2 Monitorizare cu camera rapida
Datorită
interacţiei cu fluxurile de electroni si ioni direcţionate dinspre plasmă spre
suprafaţa lor, microparticulele se īncarcă cu sarcină electrică. Sarcina atinge
valoarea de echilibru Qd cānd cele două fluxuri se anihilează
reciproc : Je(Qd)+Ji(Qd)=0, unde
ambele sunt funcţii de mai mulţi parametri ai plasmei, precum temperatura
electronică, şi densitatea de sarcini electrice. Comparīnd configuraţia
electrozilor cu cea a altor experimente raportate īn literatură precum şi
puterea electrică transmisă plasmei, valoarea acestor parametri este estimată la
2 -
4 eV, şi respectiv ~1015 m-3
.
Sarcina Qd este de
ordinul a 5000-15000 e, unde e este unitate elementară de sarcină (e=-1.6
·10-19
C). Cīmpul electric din stratul de sarcină este direcţionat de la plasmă spre
electrodul inferior şi este estimat la E=50-100 V/cm. Forta electrică dată de
produsul Qd·E este responsabilă pentru levitarea particulelor īn
stratul de separare
atunci cānd
Qd·E=mdg, unde mdg este greutatea unei
microparticule.
Pe electrodul
inferior a fost poziţionat un inel plat, cu o īnălţime de 3 mm şi rază interioară
de 30 mm, care deformează stratul de separare de plasmă (sheath) īn forma unei
gropi de potenţial. Microparticulele īncărcate electric sunt confinate īn
interiorul acestei zone, deasupra inelului, ca īn Fig.
3.
In această imagine o secţiune verticală īn norul de microparticule este făcută
cu ajutorul laserului. Fascicolul sub forma unui plan de lumină este
incident prin
fereastra aflată la partea superioară a incintei.
Microparticulele
sunt aliniate vertical datorită curgerii ionilor din plasmă prin stratul de
separare către electrodul inferior. Ionii pozitivi din plasmă sunt acceleraţi
prin stratul de separare şi sunt deviaţi de potenţialul electric negativ al
microparticulelor. Astfel, apar īn urma microparticulelor zone de focalizare a
ionilor care devin gropi de potenţial de atracţie (wake potential) pentru alte
microparticule, realizīndu-se astfel alinierea verticală a microparticulelor. In
Fig. 3,
puterea rf este de 5 W iar presiunea de 0.715 torr. Camera
este
setată la o rată de achiziţie de 60 imagini/secundă, telescopul
are
f# 5 şi este prevăzut
cu inel
de
extensie de 12mm.
Fig. 3. Vedere laterala a unui cristal in plasma
Microparticulele se
organizează īn structuri tridimensionale numite cristale īn plasmă, ca cel din
Fig. 4,
unde este arătată o secţiune orizontală prin cristal. Distanţa dintre
microparticule este de ordinul a 300-700 µm. Puterea transmisă plasmei este īn
acest caz de 6 W iar presiunea gazului neutru este de 0.945 torr.
Fig. 4 Plan orizontal al unui cristal in plasma
GENERAREA UNUI JET
de plasma
Un
jet de plasmă produs īntr-un tun coaxial şi
este
direcţionat către
cristalul format īn plasma.
Tunul coaxial este
conectat la un circuit de tip RC ca in Fig.
5.
si este alimentat de la o sursă de curent continuu cu max 2kV la un curent de
0.5 A. Cind condensatorul de 12 µF se īncarcă şi depăşeşte tensiunea de
străpungere
a gazului dintre electrozi, un puls de curent trece prin circuit, ca īn Fig.
6.
Curentul de desărcare J produce un cīmp magnetic azimutal B īn
interiorul tunului, exercitīnd forţa
JxB
asupra particulelor cu sarcină din plasmă, respectiv ionii şi electronii.
Acestea sunt apoi expulzate spre gura tunului cu viteze de ordinul 1-5 km/s.
Fig. 5 Circuit electric pentru tun coaxial cu plasma
Tensiunea si curentul de descărcare īn argon la o presiune de 117 mtorr sunt arătate īn Fig. 6. Cind tensiunea dintre electrozi atinge pragul de ionizare a gazului din interiorul tunului curentul de descărcare J creşte, atingīnd un maxim. In acest timp tensiunea scade, după care descărcarea īncetează deoarece nu mai există un cīmp electric suficient de intens care să producă ionizarea. Fenomenul se repetă ciclic cīnd tensiunea dintre electrozi urcă din nou la aprox. 600 V.
Fig. 6 Curentul si tensiunea in tunul coaxial
Durata unui puls este de ordinul a 8-10 µs. De asemenea, īn anumite intervale de presiune s-a observat şi o comportare neliniară de tip haotic a descărcării īn tunul cu plasmă, īnsă acest aspect este obiectul unui studiu separat. Formarea jetului de plasmă pulsată este aratată in Fig. 7. Viteza de īnregistrare a camerei video este de 125 cadre/sec cu o deschidere a shutterului de 8 ms. Din măsurători de tip time of flight s-a dedus limita inferioară a vitezei jetului de plasmă de 1 km/s. Se observă cum frontul jetului de plasmă se propagă īn spaţiul dintre electrozii plani paraleli şi rotunzi, unde se află levitat cristalul īn plasmă. Norul de microparticule se află deasupra inelului de confinare din Fig. 7. Alte caracteristici observate experimental care vor fi cercetate d.p.d.v. teoretic sunt legate de propagare intre electrozii metalici, precum devierea acestuia către golul din electrodul superior.
Fig. 7 Formarea şi propagarea jetului de plasma
Interacţia cristalelor cu jetul de plasmă
Microparticule alcătuite din Melamină Formaldehidică (MF) cu o dimensiune foarte bine definită (diametru 2rd =6.07 microni) şi densitate ρ=1.51 gcm-3 au fost introduse īn plasma de RF, īntre cei doi electrozi orizontali si paraleli, prin scuturarea unui braţ lateral mobil ce are la capăt o cupă prevăzută cu o gaură cu un diametru de 1 mm. Datorită interacţiei cu fluxurile de electroni si ioni din plasmă, suprafaţa acestora se īncarcă cu sarcină electrică şi levitează īn stratul de separare (sheath) de electrodul inferior. Sarcina atinge valoarea de echilibru Qd cānd cele două fluxuri se anihilează reciproc : Je(Qd)+Ji(Qd)=0, unde ambele sunt funcţii de mai mulţi parametri ai plasmei, precum temperatura electronică, şi densitatea de sarcini electrice. Cele două fluxuri se calculează īn cadrul formalismului OML (Orbital Motion Limited) īn care se consideră că momentul cinetic orbital al ionilor este conservat īn timpul interacţiei cu microparticula:
, (1)
unde kB este constanta Boltzman iar Te este temperatura electronică din plasma de RF.
Potenţialul microparticulei Vd este dependent de sarcina acumulată pe suprafaţa ei; o microparticulă sferică poate fi considerată īn cazul nostru (plasmă slab ionizată cu lungime de ecranare >> rd) un condensator sferic .
In Fig. 8(a) se observă o secţiune verticală īn norul de microparticule făcută cu ajutorul unui plan de lumină obţinut din fascicolul laserului.
Fig. 8. (a) Cristal stabil īn stretul de separare (sheath); jetul se apropie din partea stīngă;
(b) microparticulele sunt purtate de jet īn timp ce sunt levitate deasupra electrodului RF,
(c) microparticulele au traiectorii ascendente după care īncetinesc şi se opresc (d).
Microparticulele sunt aliniate vertical datorită curgerii ionilor din plasmă prin stratul de separare către electrodul inferior. Acceleraţia particulelor de către jetul din plasmă este datorată forţei de interacţie (drag force) care are două componente, forţa de impact direct şi forta de influenţă electrostatică de tip Coulomb :
(2)
(3)
(4)
unde ni este concentraţia ionilor, rd raza microparticulei, Vd este potenţialul microparticulei, vP este viteza de curgere a ionilor īn jetul de plasmă iar este viteza termică a ionilor, ln(L) este logaritmul Coulomb, iar este funcţia Chandrashekhar. Logaritmul Coulomb are o formă standard care descrie interacţia ionilor incidenţi ce au un parametru de ciocnire in intervalul cuprins īntre rd şi λD şi care interacţionează electrostatic cu microparticula:
(5)
Aici este parametrul de impact pentru o īmprăştiere la 90ŗ:
şi
, este parametrul de colectare a ionilor.
Ecuaţiile (1)-(5) sunt rezolvate numeric cu parametri experimentali ai plasmei. Simulările (Fig. 9-10) arată că: a) Potenţialul de echilibru a microparticulelor este de ordinul a -2.5 kBTe; b) viteza microparticulelor imprimată de jet este in acord cu valoarea măsurată experimental de 1-10 mm/s, c) forţa de tip Coulomb este cu cel puţin 1 ordin de mărime mai mică decīt cea datorată impactului direct al ionilor.
Fig. 9. (a) Potenţialul electric Vd (īn plasma de RF) Fig. 10. Forţa ionică de impact direct Fimp şi
şi (b) viteza microparticulei vd. de interacţie Coulombiană FCoul.
In prezent desfăşurăm experimente pentru observarea interacţiei colective dintre microparticule īn timpul interacţiei cu jetul de plasma.