尘埃等离子体中涡流及尘埃分子的研究

发布时间：2020-04-11 04:14

【摘要】：尘埃等离子体是等离子体和带电尘埃颗粒共同存在、相互作用的产物。它不仅在空间等离子体、等离子体处理技术、生物系统、凝聚态物质等方面有所应用,而且是研究纳米流体、相变以及传输过程等的理想模型。由于尘埃等离子体中的尘埃粒子带有大量的电荷,其表现出了许多的集体效应,例如:涡流、波和振荡。尽管涡流现象在一些研究中已经被发现,但是,这些涡流的产生是在微重力条件下或者有外加磁场的情况,且多为双涡流,其形成机制仍不明确。针对于此,我们设计了不对称锯齿射频容性辉光放电装置,首次在水平面上获得了二维单涡流,该涡流沿锯齿的长边方向做定向旋转。通过实验研究发现:1)非对称锯齿中尘埃粒子的分布和运动与气体压力、放电功率和尘埃粒子数等有关,给出了涡流旋转速度随控制参数的定量曲线;2)通过对比实验,发现锯齿结构的非对称性对涡流的旋转起着重要作用。进一步,通过理论分析发现,由于系统的不对称性,局部离子流和等离子体鞘层电场产生的合力具有非零的旋度,从而使得涡旋实现持续旋转。同时,我们利用分子动力学对锯齿中尘埃涡流在水平面上的定向旋转运动进行了数值模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。此外,我还通过实验研究了尘埃颗粒之间非相互的作用。在玻璃圆环约束条件下,当尘埃颗粒数较多时,尘埃子系统在竖直方向上呈现两层分布。我们观察到上下相邻两层的尘埃粒子以尘埃分子的形式存在。通过使用高空间分辨率的测量,研究了尘埃分子的形成和分离。尘埃分子速度相关运算结果表明,当上下两个尘埃粒子之间的距离小于临界距离时,这两个尘埃粒子会以尘埃分子的形式存在,下面的尘埃粒子会跟随上面的尘埃粒子运动,表现出协同运动。当它们之间的距离大于临界距离时,尘埃分子会分离,分离后的尘埃粒子有可能和其相邻颗粒形成新的尘埃分子。尘埃颗粒相互作用以及集体效应的研究对深入理解尘埃等离子体动力学具有重要意义。
【图文】：

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图 1-1 尘埃等离子体的存在：其中（a）是宇宙中的尘埃等离子体，摘自百度图片；（b）是 Seiwyn等人第一次在射频放电实验中，在基片表面观察到的尘埃粒子，摘自文献 24；（c）是我们在尘埃等离子体实验中拍摄的尘埃粒子，摘自文献 43.尘埃等离子体的存在可谓天地之间[9-16]，例如：宇宙空间（星际空间，行星环，彗星尾，地球大气层……），半导体工业领域，以及聚变等实验。如图 1-1 所示，给出了不同环境下一些尘埃等离子体存在的照片。在这里，对尘埃等离子体里包含的尘埃粒子,是需要做一下特别说明。首先，对尘埃粒子的来源：可以分为自发产生和人为产生，也就是说，在一些尘埃等离子体中，尘埃粒子是与生俱来的，，即等离子体放电过程中自发产生尘埃粒子，例如图 1-1（b）中的尘埃粒子为放电过程中放电室内的一些气体发生化学反应产生[16-18]。而有些尘埃等离子体中的尘埃粒子是人为的向等离子体系统撒入的外来颗粒，如图 1-1（c）中的尘埃粒子是我们在放电产生等离子体后撒入的已知颗粒物。其次，尘埃粒子的带电性：尘埃粒子源于和等离子体中的电子和离子碰撞，紫外辐射光电子发射，离子溅射，二次电子发射等过程而带电，其带电性可以为正电，也可以为负

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河北大学理学硕士学位论文第三章不对称锯齿中尘埃涡流的旋转研究对于尘埃等离子体中尘埃粒子的研究，人们首先考虑到的就是通过外力（例如：激光推动，探针扰动，外加磁场…….）作用，观察尘埃粒子在等离子体中会出现怎样的的现象或者运动。在这些不同方式的作用下，类似各个行星绕太阳运动或者龙卷风这样的涡流运动、尘埃空洞、尘埃晶格、尘埃波等众多富含物理机制的现象在尘埃等离子体中出现。本文不同于以上作用方式，而是利用非对称的锯齿结构约束尘埃粒子。3.1 实验结果
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53

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