尘埃粒子及物理特性

尘埃粒子及物理特性

(一) 、尘埃等离子体简介

等离子体和尘埃是已知宇宙空间中最为常见的两种成分,而二者的共存以及相可作用则开辟了一个近年来非常新兴的研究领域一一尘埃等离子体。它不仅出现在等离子体物理领域,而且也常出现在空间物理、电波传播,半导体科学、材料科学等领加工、磁约束核聚变、空间探测等领域的应用有着重要的参考价值,同时它能够揭示等离子体物理学以及其它相关领域中新的物理现象。

1.什么是尘埃等离子体

尘埃等离子体是指在等离子体巾包含了大量带电的固态弥散微粒子。尘埃粒子厂泛存在于自然界,尤其是在宇宙空间中,例如星际空间、太阳系、地球电离层以及暂星尾和行星环中都存在着各种尺度和密度的尘埃粒子。另外,尘埃粒子也存在于

实验室等离子体和工业加工等离子体中。

2.尘埃粒子的来源

在太阳系中,人们已探测到各种形态和来源的尘埃粒子,如空间物质的碎片、陨石微粒、月球的抛射物、人类对空间的”污染”物等。在星际云中,尘埃粒子可以是电介质,如冰、硅粒等,也可能是类金属的物质,如石墨、磁铁矿等物质。尘埃颗粒也普遍存在与实验室装置中,在电子学实验室中,尘埃粒子来源于电极、电介质的器壁,或来源于充入的气体等。一般尘埃粒了的可能质量范围大约为10-2~10-15g ,尺寸可能范围从几十纳米到几十微米不等。在等离子体中,这些尘埃粒子凶与电子、离子碰撞而携带电荷,携带 等离子体问题的研究比较复杂。

3.尘埃等离子体的特性

(1) .尘埃粒子具有大的荷电特性

由于球形尘埃粒子的半径a 远小于等离子体的德拜长度b ,因此尘埃小球具有的电势将使其上的电子的温度与等离子体中的电子温度同量级,即e ~kTe ,(k为玻尔兹曼常数) 。对应于这个电势,尘埃粒子上的电荷通常有很大的数值,一般尘埃粒子带有102—106电子电荷。“浸”在等离子体中的尘埃粒子会受到屏蔽作用,即由等离子体中的带电粒子形成尘埃粒子的屏蔽云.

(2).尘埃离子荷电量的可变性

当尘埃粒子间的平均距离d 远大于等离子体的德拜长度时,可不考虑尘埃粒子间

的相互作用,即孤立地研究单个尘埃粒子。尘埃颗粒所带的电荷是可变的,它由尘埃粒子本身的特性(前一时刻的带电情况) 和它周围等离子体的性质(如电子离子充电电流、二次电子发射、光电发射、尘埃粒子的速度等) 有关,同时等离子体中电荷密度扰动、温度扰动,以及一些外界环境条件的改变都可以改变尘埃粒子的带电情况。例如有以下几种方式:a 、等离子体中电子、离子的熟运动将形成对尘埃粒子的充电电流。一个带负电的尘埃粒子,它将排斥电子,吸引离子,引起电子电流减小,使离子电流增大。b 、当碰撞尘埃粒子的初次电子具有足够大的能量时,可能引起尘埃粒子的二次电子发射,从而导致尘埃粒子电势升高。C 、在尘埃粒子处于强的紫外辐射的环境时(如太阳系中的一些情况) ,尘埃粒子可辐射光电子,相当于存在一个正的充电电流。d 、尘埃粒子表面的化学反应,激光或射频电磁场的作用等都可能影响尘埃粒子的荷电状况。当尘埃粒子间的平均距离d 远大于等离子体的德拜长度这个条件不满足时,则需要考虑尘埃粒子间的相互作用。所以使得它们与等离子体中电子、离子的相互作用过程(例如电子、离子对尘埃粒子的充电及屏蔽效应) 变得非常复杂,而整个系统与外界的相互作用(例如电磁相互作用) 也将非常复杂。可能正是因为这个原因,尘埃等离子体又常被称为复杂等离子体。一般来说,尘埃粒子间的相互作用将导致尘埃粒子荷电量的减少.

(3).尘埃粒子的运动特性

与等离子体中的其它荷电粒子(电子、离子) 相比,尘埃粒子具有大的质量及大

的荷电量。而其荷质比远小于电子和离子,因此其运动形态与这些带电粒子也很不相同。研究尘埃粒子的运动,除通常要考虑的电磁作用之外,还常常要考虑重力、热压力、离子风和中性粒子的拖曳力等. 以上的这些尘埃粒子的特性使得尘埃等离子体的集体效应表现出一些“非常”特性。一是尘埃粒子产生的集体效应并非“短期”现象。也就是说尘埃粒子是一个非常有效的集体效应激发源,这是因为尘埃粒子产生的集体效应(如不稳定性等) 对尘埃粒子本身的反作用非常小,它的作用决不只限于临近它的一些集体过程。另一个特点是强的非线性效应。尘埃粒子具有势场e ϕ~kTe ,此时在尘埃粒子附近线性近似已经不能适用(线性近似条件为e ϕ

(4)尘埃等离子体的电磁特性

弱电离尘埃等离子体由分子、电子、离子和尘埃粒子组成;分子的浓度远大于其他粒子

的浓度;电子与离子的浓度近似相等并远大于尘埃粒子的浓度;离子是一次电离的,忽略空间色散,将碰撞和充电作为影响其电磁特性的两个主要因素在考虑尘埃粒子充放电的情况下,尘埃粒子的半径及其浓度对尘埃等离子体的电导率有很大影响, 这对进一步分析和测量固体火箭喷焰对微波的严重衰减有重要的指导意义.

弱电离尘埃等离子体中的微波衰减机理

微波在弱电离尘埃等离子体中传播时,微波电场对等离子体中的带电粒子做功,将一部分能量转化为带电粒子的动能,带电粒子通过碰撞可以将获

得的能量传递给其他粒子,并在下一次加速中继续从微波电场中获得能量,微波电场能转化成等离子体的内能是微波衰减的原因4 微波电场能的转化规

模与带电粒子的碰撞频率及每次碰撞所传递的能量有关. 理论分析表明,对于不含尘埃的等离子体,电子的一次有效碰撞所传递的能量的平均比率δ≈10-5. 尘埃粒子的加入会引起带电粒子对尘埃的充电,这是一个完全非弹性碰撞过程,在这一过程中,带电粒子几乎将所有能量都传递给了尘埃粒子(δ≈1). 在电场作用下,带电粒子对尘埃粒子的充电是定向的,但尘埃粒子的放电却是非定向的,充电过程可以看作是有序电流的一种流失. 可以想见,尘埃粒子将会增大尘埃等离子体对微波的衰减作用,表现为电导率的增大, 由于在电场力作用下,电子会获得比离子大得多的速度(离子速度比电子速度小m e m i --100倍),因而电子电流要远大于离子电流,在下面的分析中主要考虑电子对电导率和介电常数的贡献.

尘埃粒子充放电的shukla 方程

尘埃等离子体中,电子和离子对尘埃粒子的充电会使电荷附着在尘埃粒子上,导致尘埃粒子电量在某个值q d0附近起伏,记起伏值为q d1

,它满足如下方程

[13]:

我们将(13)式称为shukla 方程,它是描述尘埃粒子充放电物理过程的支配方程,

其中I e 1和I i 1是电子和离子对尘埃粒子的充电电流,γch 是尘埃粒子电荷弛豫速率,它

与电子、离子的浓度和温度,尘埃粒子的大小以及电量有一定量关系。

表1 中,Te 和Ne 是电子的温度和浓度;,

r d 是尘埃粒子的浓度和半径;N n 是分子的浓度;a λd 尘埃粒子间距与其德拜长度的比值,a λ

d

合作用可以忽略在尘埃等离子体中尘埃粒子的充放电过程是尘埃等离子体与普通等离子体之间的一个重大区别. 以上分析表明,电子对尘埃粒子的充放电会对尘埃等离子体的电导率产生明显的影响/ 需要强调的是,充电响应因子η 与电子浓度、尘埃粒子浓度以及尘埃粒子半径的平方这三者的乘积成正比,从某种意义上说,对于一定频率的入射波,尘埃等离子体的电导率和介电常数与充电响应因子η 的大小有 关,而不只是取决于电子的浓度,这是尘埃等离子体电磁特性与一般等离子体的不同之处, 在分析弱电离尘埃等离子体对微波的衰减及反射特性时,应该引起特别的注意.

当尘埃粒子的大小成离散分布时

(33)和(34)等式右边的第一项为不考虑尘埃时的电导率和介电常数;第二项则为尘埃充放电对电导率和介电常数的贡献! 其中ηj 和νjch 是相同尘埃粒子的充电响应因子

及电荷弛豫速率.

(5)鞘层电势分布

图3给出了等离子体密度分别为N 0=2×109Cm -3和N 0=2×108Cm -3电极在径向(R方向) 和轴

向(z方向) 不同取值的鞘层电势的等势线分布图.从图3(a),(c),(e),(g)可见,当等离子体密度较大时(N0=2×109cm -3。) ,鞘层变薄,场强增大.由图3(a),(b)可

见,当R 1很小,z 1较大时,电极槽内都是鞘层区.而从图3(g),(h)可见,当z 1很小、R 1较大时,显示的基本上是一维轴向鞘层,只在柱边存在径向鞘层,在这种势场分布

情况下,尘埃会形成晶格结构.对其他的势场分布情况,由于轴向和径向鞘层耦合在一起,尘埃会形成复杂而有趣的分布结构.

尘埃粒子在鞘层中的运动及分布特性,

模拟中,选取相同大小的尘埃粒子,粒子的初始位置随机放置,鞘层中尘埃粒子在各种力的作用下运动,最后由于中性粒子的阻尼作用而达到稳定

状态.当N 0=2×109 cm-3。时,鞘层结构如图3(e)所示,凹槽鞘层底部中心区域的等

势面平行于电极底面.在轴向,尘埃的重力被电场力平衡,受相同的轴向鞘层电场力的尘埃粒子就会在同一个平面上.在径向,由于尘埃粒子所在的中心区域受鞘层

电势的影响相对较小,尘埃粒子所受的力主要是它们之间的库仑力,平衡时它们会形成尘埃晶格结构,如图4所示.当N 。=2×108cm-3时,鞘层变厚,如图3(f)所示,鞘层的厚度覆盖整个凹槽电极,等势面不平行于电极底面,而是呈凹形,此时尘埃粒子不能被平衡在一个平面上,而是形成凹形球冠状分布,如图5所示.

总结:电极鞘层形成一个势阱,可以束缚尘埃粒子,较大的粒子会沉入鞘层的底部. 当等离子体密度大、鞘层薄时,鞘层电场增强,粒子平衡处的等势面平坦,粒子出现晶格分布,随着粒子数的增多会出现多层分布.当等离子体密度小、鞘层厚时,鞘层电场减弱,等势面是凹形的,粒子可呈球冠状分布.当柱槽状电极变得狭长时,径向鞘层电场力增大,

粒子分布的径向范围被压缩,粒子呈中空圆桶状分布.在考虑尾流效应时,发现分布在鞘层中的上层粒子对相应的下层粒子在轴向分量上有取

向一致的吸引作用.

(6)尘埃粒子的时空结构及其性质

尘埃粒子具有planck 和planck 尺度的离散时空结构: 尘埃粒子的外时空服从

Schwarschild 度规。并由a 和M 所确定. 尘埃粒子的内时空则服从,friedmann 度规并由a 和k 的关系而破缺了它的四维euculid 空间中的三维超球面的对称性,继而由球径坐标的离散化而退化为三维euculid 空间中的二维球面的对称性. 埃物质表示为存在于该球面内部的无坐标的尘埃球,因而具有最小的体积和整体的关联性. 埃粒子的内friedmann 时空与外Schwarschild 时空在r _

≈r ≈a 处相连接并使得测地线在所有坐标点上是连续的. 地线的连

续性则反映了尘埃粒子解的时空几何的完整性. 诚

然,时空度规是定义在时空坐标上的,而测地运动则由时空度规所规定并显示了尘埃粒子的引力效应,于是引力效应便具有局域的时空性质. 尘埃粒子的这种结构特性意味着可将它的质量与引力分开,使得前者对应于一种具有整体性质的时空几何并表示为一个耦合系数,而后者则对应于一种具有局域性质的时空几何并表示为一个场. 这就是由这个尘埃粒子解所揭示的物质、引力与时空的一种内在联系. 它同时也揭示了尘埃物质本身并不存在着自引力相互作用,因而尘埃粒子是非坍缩的.


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