Динамика пылевых частиц в газоразрядной плазме

• Автор: Адамович, Ксения Георгиевна
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИНАМИКА МАКРОЧАСТИЦ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ

1.1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЫ

1.1.1. НАБЛЮДЕНИЯ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР В ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЕ

1.1.2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ВИЗУАЛИЗАЦИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ

МАКРОЧАСТИЦ

1.2. ПРОЦЕССЫ ЗАРЯДКИ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ

1.2.1. ПРИБЛИЖЕНИЕ ОГРАНИЧЕННОГО ОРБИТАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ

1.2.2. ЗАРЯДКА ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В СЛАБОИОНИЗОВ АННОЙ ПЛАЗМЕ

1.3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ ПЫЛЕВЫМИ ЧАСТИЦАМИ В ПЛАЗМЕ

1.3.1. СИЛЫ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
1.3.2. ДРУГИЕ МЕХАНИЗМЫ МЕЖЧАСТИЧНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
1.4. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА ПЫЛЕВУЮ ЧАСТИЦУ В ПЛАЗМЕ
1.4.1 НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИЛЫ
1.4.2. СИЛЫ, СВЯЗАННЫЕ С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ЗАРЯДОМ МАКРОЧАСТИЦЫ
1.4.3. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СИЛ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ПЫЛЕВУЮ ЧАСТИЦУ
1.5. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССОВ В ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ
1.6 ВЫВОДЫ ПО ПЕРВОЙ ГЛАВЕ
ГЛАВА 2. КВАЗИДВУМЕРНЫЕ ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫЕ СИСТЕМЫ: ФОРМИРОВАНИЕ СЛОЕВ И УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ
2.1. ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВОГО МОНОСЛОЯ
2.1.1. ФОРМИРОВАНИЕ ПРОТЯЖЕННЫХ СЛОЕВ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ЧАСТИЦ
В ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЕ
2.1.2. УСТОЙЧИВАЯ КОНФИГУРАЦИЯ ДВУХ ЧАСТИЦ
ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
2.1.3. ФОРМИРОВАНИЕ КВАЗИДВУМЕРНОГО ПЫЛЕВОГО СЛОЯ В ЛИНЕЙНОМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
2.1.4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ФОРМИРОВАНИЯ
КВАЗИДВУМЕРНЫХ ПЫЛЕВЫХ СТРУКТУР
2.2. ПЛАВЛЕНИЕ КВАЗИДВУМЕРНЫХ СИСТЕМ С ЭКРАНИРОВАННЫМ КУЛОНОВСКИМ ПОТЕНЦИАЛОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
2.2.1. ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ В ДВУМЕРНЫХ СИСТЕМАХ
2.2.2. АНАЛИЗ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ В КВАЗИДВУМЕРНЫХ
ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВЫХ СИСТЕМАХ
2.3. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ КВАЗИДВУМЕРНЫХ СИСТЕМ С ЭКРАНИРОВАННЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
2.3.1. УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ
2.3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ПУТЕМ
ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАДАЧИ
2.3.3. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ КВАЗИДВУМЕРНОЙ ПЛАЗМЕННО-ПЫЛЕВОЙ СИСТЕМЫ

2.4. ВЫВОДЫ ПО ВТОРОЙ ГЛАВЕ
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПЛАЗМЫ НА КИНЕТИЧЕСКУЮ ТЕМПЕРАТУРУ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ
3.1. КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ЛАБОРАТОРНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЕ
3.2. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ ПЛАЗМЫ И ИХ СВЯЗЬ С КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ МАКРОЧАСТИЦЫ
3.3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗАДАЧИ
3.4. ОЦЕНКА КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ
В УСЛОВИЯХ ЛАБОРАТОР11ЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
3.5. ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ
ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЕНОСА
В НЕИДЕАЛЬНЫХ ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ
4.1. ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕ1 ЮСА В НЕИДЕАЛЬНЫХ СРЕДАХ
4.2. ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕНОСА В ДИССИПАТИВНЫХ СИСТЕМАХ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ЧАСТИЦ
4.2.1. ФУНКЦИИ ЭВОЛЮЦИИ МАССОПЕРЕНОСА ДЛЯ СЛУЧАЯ
НЕВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ЧАСТИЦ
4.2.2. ФУНКЦИИ ЭВОЛЮЦИИ МАССОПЕРЕНОСА ДЛЯ СЛУЧАЯ ГАРМОНИЧЕСКОГО
ОСЦИЛЛЯТОРА
4.2.3. АНАЛИЗ ФУНКЦИЙ ЭВОЛЮЦИИ МАССОПЕРЕНОСА
4.2.4. ФУНКЦИИ ЭВОЛЮЦИИ МАССОПЕРЕНОСА ДЛЯ СИСТЕМ
С РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ПОТЕНЦИАЛОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
4.2.5. ПАРАМЕТРЫ ЧИСЛЕННОЙ ЗАДАЧИ
4.2.6. РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.3. ПРОЦЕССЫ МАССОПЕРЕНОСА В ЛАБОРАТОРНОЙ ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМЕ
4.3.1. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
4.3.2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
4.4. МЕТОДИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПЫЛЕВОЙ КОМПОНЕНТЫ ПЛАЗМЫ
4.5. ВЫВОДЫ ПО ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

СПИСОК НАИБОЛЕЕ ЧАСТО УПОТРЕБЛЯЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
е - величина элементарного заряда (модуль заряда электрона);

Z - зарядовое число пылевой частицы;
1Р - среднее расстояние между пылевыми частицами в плазме;
те, т„ т„ и М -масса электронов, ионов, нейтралов окружающего газа и пылевых частиц, соответственно;
пе, щ, п„ и iid- концентрации электронов, ионов, нейтралов окружающего газа и пылевых частиц, соответственно;
Те, Tj и Тп — температура электронов, ионов и нейтральной компоненты плазмы в энергетических единицах;
Т и Ts - кинетическая температура пылевых частиц (кинетическая энергия их стохастического движения) и температура поверхности частицы;
Хр - длина экранирования плазмы (соответствующий радиус Дебая); ар - характерный размер частицы (радиус сферической пылевой частицы); а - радиус ячейки Вигнера-Зейтца; z = е | Z | /(арТе); т=Те/Тj;
li(e) - длина свободного пробега ионов (электронов);
/„ — длина свободного пробега атомов или молекул нейтрального газа;
Т(е) - ток ионов (электронов), поглощаем/,IX поверхностью пылевой частицы;
cre(i) - сечение поглощения электронов (ионов) плазмы поверхностью пылевой частицы;
1ф) - ток электронов (или ионов) плазмы на поверхность пылевой частицы; уд. - коэффициент трения пылевой частицы, характеризующий эффективную частоту передачи импульса при столкновениях пылевых частиц с атомами или молекулами нейтрального газа;
Е - напряженность электрического поля;
F— сила;
U - электростатический потенциал; s - плотность энергии;
Р - давление;
D - коэффициент диффузии;
Кп - число Кнудсена.

разряда, используют периодические граничные условия только по двум выбранным направлениям (9 счетных ячеек), а по оставшейся оси обычно рассматривается действие сбалансированных внешних сил.
Процедура численного эксперимента состоит в том, что на начальный момент счета частицы располагаются случайным образом в пределах центральной ячейки, затем, благодаря взаимодействию между ними, начинается процесс самоорганизации. После достижения равновесной для заданных параметров задачи конфигурации системы частиц, в память компьютера записываются данные о последовательных положениях частиц с целью их последующего анализа. Анализ динамических характеристик (скоростей и смещений частиц) проводят только для центральной ячейки.
При расчете сил межчастичного взаимодействия учитываются все частицы полной системы из 27-ми (или 9-ти, в случае решения двумерной задачи) ячеек, которые попадают в зону действия парного потенциала. При этом межчастичное взаимодействие часто обрезается на некотором расстоянии / = Lcut, которое определяется условием слабого возмущения электронейтралыюсти системы. Для систем с экранированным кулоновским

потенциалом это условие можно представить в виде: ZLcut IZ~ (Z.cut //р) exp(-Zcut//3.) « 1, где Zum - величина нескомпенсированного заряда в моделируемой системе. Откуда размер счетной ячейки L для корректного моделирования динамики макрочастиц в системах с экранированным потенциалом определяется условием L » X [34]. Для проведения большинства расчетов используют такие параметры задачи, при которых длина LCui не превышает 4-8 /р, что соответствует числу «независимых» частиц (в центральной ячейке) от 64 до 512. При этом обрезание потенциала взаимодействия не приводит к существенной погрешности при параметрах экранирования к= 1р1Я >1. При моделировании систем с к < 1 необходим учет и более дальних взаимодействий, что может быть реализовано с помощью соответствующего алгоритма (метода Эвальда), суть которого состоит в моделировании бесконечной системы путем построения большого числа трансляционных ячеек [62]. Данный метод разработан для изучения свойств кристаллов, и далеко не всегда приемлем дам моделирования динамики жидкостных систем, где отсутствует дальний порядок в расположении частиц.
Следует подчеркнуть, что обрезание потенциала на радиусе Lcut является необходимым условием для устойчивого состояния моделируемой системы, содержащей большое, но все же конечное число частиц. В ином случае, в этой системе всегда можно найти такую точку, по одну сторону от которой будет находиться большее число частиц, чем по другую. Таким образом, действие электрических сил в этой точке окажется