Plasma de radiofrecvenţă obţinută în aer este aratată în Fig. 1, pentru o putere rf de 50 W şi o presiune a gazului de 50 mtorr. Între plasmă şi electrozi se formează un strat de separare (sheath) unde quasineutralitatea plasmei din punct de vedere al sarcinilor electrice este afectată, dând naştere unui cîmp electric. Fizic, situaţia este descrisă de fluxurile de ioni şi electroni care ajung la suprafată. Deoarece electronii sunt mult mai mobili, electrodul se încarcă negativ, ceea ce duce la atracţia ionilor spre suprafaţă. Aceştia la rîndul lor pozitivează suprafaţa pînă 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 decît a electrodului superior, împămîntat.

Fig. 1 Plasma de radio-frecventa (rf)

FormareA cristalelor in plasma RF

Microparticule cu dimensiuni de ordinul 0.1-1 µm au fost introduse în plasmă, între 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 înşurubare pe un un O-ring şi presarea acestuia pe suprafaţa braţului. Microparticulele sunt eliberate în 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 încarcă cu sarcină electrică. Sarcina atinge valoarea de echilibru Q_d când cele două fluxuri se anihilează reciproc : J_e(Q_d)+J_i(Q_d)=0, unde ambele sunt funcţii de mai mulţi parametri ai plasmei, precum temperatura electronică, şi densitatea de sarcini electrice. Comparînd configuraţia electrozilor cu cea a altor experimente raportate în 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). Cîmpul 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 Q_d·E este responsabilă pentru levitarea particulelor în stratul de separare atunci când Q_d·E=m_dg, unde m_dg este greutatea unei microparticule.

Pe electrodul inferior a fost poziţionat un inel plat, cu o înălţime de 3 mm şi rază interioară de 30 mm, care deformează stratul de separare de plasmă (sheath) în forma unei gropi de potenţial. Microparticulele încărcate electric sunt confinate în interiorul acestei zone, deasupra inelului, ca în Fig. 3. In această imagine o secţiune verticală în 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 în urma microparticulelor zone de focalizare a ionilor care devin gropi de potenţial de atracţie (‘wake potential’) pentru alte microparticule, realizîndu-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 în structuri tridimensionale numite cristale în 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 în 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 într-un tun coaxial şi este direcţionat către cristalul format în 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 încarcă şi depăşeşte tensiunea de străpungere a gazului dintre electrozi, un puls de curent trece prin circuit, ca în Fig. 6. Curentul de desărcare J produce un cîmp magnetic azimutal B în interiorul tunului, exercitînd 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 în argon la o presiune de 117 mtorr sunt arătate în Fig. 6. Cind tensiunea dintre electrozi atinge pragul de ionizare a gazului din interiorul tunului curentul de descărcare J creşte, atingînd un maxim. In acest timp tensiunea scade, după care descărcarea încetează deoarece nu mai există un cîmp electric suficient de intens care să producă ionizarea. Fenomenul se repetă ciclic cînd 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, în anumite intervale de presiune s-a observat şi o comportare neliniară de tip haotic a descărcării în tunul cu plasmă, însă acest aspect este obiectul unui studiu separat. Formarea jetului de plasmă pulsată este aratată in Fig. 7. Viteza de înregistrare 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 în spaţiul dintre electrozii plani paraleli şi rotunzi, unde se află levitat cristalul în 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 2r_d =6.07 microni) şi densitate ρ=1.51 gcm^-3 au fost introduse în plasma de RF, între 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 încarcă cu sarcină electrică şi levitează în stratul de separare (‘sheath’) de electrodul inferior. Sarcina atinge valoarea de echilibru Q_d când cele două fluxuri se anihilează reciproc : Je(Q_d)+Ji(Q_d)=0, unde ambele sunt funcţii de mai mulţi parametri ai plasmei, precum temperatura electronică, şi densitatea de sarcini electrice.  Cele două fluxuri se calculează în cadrul formalismului OML (Orbital Motion Limited) în care se consideră că momentul cinetic orbital al ionilor este conservat în timpul interacţiei cu microparticula:

,                                        (1)

unde k_B este constanta Boltzman iar T_e este temperatura electronică din plasma de RF.

Potenţialul microparticulei V_d este dependent de sarcina acumulată pe suprafaţa ei; o microparticulă sferică poate fi considerată în cazul nostru (plasmă slab ionizată cu lungime de ecranare >> r_d) un condensator sferic .

In Fig. 8(a) se observă o secţiune verticală în norul de microparticule făcută cu ajutorul unui plan de lumină obţinut din fascicolul laserului.

Fig. 8. (a) Cristal stabil în stretul de separare (sheath); jetul se apropie din partea stîngă;

(b) microparticulele sunt purtate de jet în timp ce sunt levitate deasupra electrodului RF,

(c) microparticulele au traiectorii ascendente după care încetinesc 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 n_i este concentraţia ionilor, r_d raza microparticulei, V_d este potenţialul microparticulei, v_P este viteza de curgere a ionilor în 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 între rd şi λ_D şi care interacţionează electrostatic cu microparticula:

                                                        (5)

Aici este parametrul de impact pentru o împrăştiere la 90º:

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 k_BT_e; 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 decît cea datorată impactului direct al ionilor.

                 Fig. 9. (a) Potenţialul electric V_d (în plasma de RF)               Fig. 10. Forţa ionică de impact direct F_imp şi

                         şi  (b) viteza microparticulei v_d.                                           de interacţie Coulombiană F_Coul.

In prezent desfăşurăm experimente pentru observarea interacţiei colective dintre microparticule în timpul interacţiei cu jetul de plasma.