（等离子体物理专业论文）非均匀等离子体中尘埃离子声波的传播.pdf

中国科学技术大学硕士论文 摘要 我们在一个热阴极直流放电的稳态尘埃等离子体装置e l , 引入尘埃 散播器，并对其中的等离子体状态和( 尘埃) 离子声波的传播的进行研 究。( 研究发现： a ) 引入尘埃散播器以后，由于等离子体被散播器吸附，散播器内 的等离子体密度变得非均匀，密度梯度标长约5 7 c m 。 b ) 我们在尘埃等离子体装置中产生了露高达4 0 的尘埃等离子 体。当散播器中的尘埃足够多时，宓与散播器的转速基本上成 正比。在我们实验中的等离子体密度范围内和实验误差内， 翻z 随等离子体密度的增加而增加。尘埃的加入加剧了散播器 内等离子体密度非均匀性。 c ) 我们对非均匀等离子体中( 尘埃) 离子声波的传播进行了实验研 究和理论分析，得到这样的结论：( 尘埃) 离子声波在非均匀等 离子体中传播，要受到碰撞阻尼、朗道阻尼等的阻尼效应作用， 在我们的实验条件下，( 尘埃) 离子声波的阻尼主要是碰撞阻尼。 同时，( 尘埃) 离子声波沿着密度衰减的方向传播，还会受到因 为密度梯度引入的增长效应。在不同的气压下，因为密度梯度 引入的增长效应和阻尼效应互相竞争，( 尘埃) 离子声波在散播 器内会出现衰减、既不衰减也不增长和增长等不同的现象，实 验结果和理论分析以及数值计算结果都比较符合。 d ) 我们观察到加入尘埃以后离子声波的相速度增加，空间衰减减 小。加入尘埃以后对离子声波相速度的改变和应的关系跟理论 给出的南比较符合。加入尘埃以后，电子密度梯度变得 更陡，使密度梯度引起的增长效应更显著，从而减小了离子声 波的空间阻尼。) m s d i s s e r t a t i o nt i t l e e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h e i o na c o u s t i ca n dd u s t i o na c o u s t i cw a v e si ni n h o m o g e n e o u sp l a s m a s a u t h o r ：x i a o p i n gl i a n g a d v i s o r ：j i n x i um a ，j i a n z h e n g d e p a r t m e n t ：d e p a r t m e n t o fm o d e r n p h y s i c s a b s t r a c t w ed e s c r i b ead u s t yp l a s m ad e v i c e ，w h i c hc o n s i s t so fad o u b l e p l a s m ad e v i c ea n da r o t a t i n g d u s t d i s p e n s e r b a s e d o nt h e m e a s u r e m e n to ft h ep l a s m as t a t ei nt h ed u s t yp l a s m a d e v i c e ，b o t hi o n a c o u s t i ca n dd u s ti o na c o u s t i cw a v e si nt h e i n h o m o g e n e o u sp l a s m a h a v eb e e ns t u d i e d d u et ot h ea b s o r p t i o no f p l a s m ab y t h ed u s t d i s p e n s e r , t h ep l a s m a b e c o m e si n h o m o g e n e o u sa f t e r a d d i n gt h ed i s p e n s e ri n t ot h ed o u b l e p l a s m ad e v i c e t h es c a l el e n g t ho ft h ep l a s m ad e n s i t yg r a d i e n ti s a b o u t 5 - 7 c mi nt h ei n t e r n a lr o o mo f t h e d i s p e n s e r t h e e x p e r i m e n t s h o w st h a ta d u s t yp l a s m a o fw h i c h u p t o4 0 n e g a t i v e c h a r g e s i sa r a c h e dt od u s t g r a i n s c a nb ep r o d u c e di nt h e d e v i c e ，a n d 翻，zd e c r e a s e sa sp l a s m ad e n s i t yd e c r e a s e s t h eg r a d i e n to ft h e p l a s m a d e n s i t yb e c o m e ss t e e p e rw i t hd u s t o n b o t ht h ee x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lb e h a v i a ro fi o na c o u s t i ca n d d u s ti o na c o u s t i cw a v e si n s p a t i a li n h o m o g e n e o u sp l a s m a sh a v eb e e n s t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a la n dt h et h e o r yb o t hs h o wa s p a t i a lg r o w t hw h e n t h ew a v e sp r o p a g a t ei nt h ed i r e c t i o no f d e c r e a s i n gd e n s i t y b yu s i n gt h e m e a s u r e d d e n s i t yp r o f i l e ，g o o da g r e e m e n ti sf o u n db e t w e e ne x p e r i m e n ta n d t h e o r y , a sw e l la st h en u m e r i c a lr e s u l t s a st h ef r a c t i o no f n e g a t i v ec h a r g ep e r u n i tv o l u m eo nt h ed u s ti n c r e a s e s t h ew a v e p h a s ev e l o c i t yi n c r e a s e s ，i ti si na g r e e m e n tw i t ht h et h e o r i e so f d u s ti o na c o u s t i cw a v e s t h e d a m p i n go f i o na c o u s t i cw a v ed e c r e a s e sw i t h d u s to n ，i ti st h ec o n s e q u e n c eo f t h e g r o w t h o f t h e d e n s i t yg r a d i e n t 中国科学技术大学硕士论文 作者简介 作者简介 r 0 s 9 8 9 8 梁小平，女，l9 7 4 年9 月出生于广西北海市。l9 9 3 年毕业于广西北海市北海中学，同年考入中国科技大 学近代物理系。19 9 7 年7 月获理学学士学位，9 月被 免试攻读中国科技大学近代物理系等离子体专业硕 士，导师马锦秀教授、郑坚讲师。2 0 0 0 年6 月通过中 国科技大学硕士学位论文答辩。攻读硕士学位期间， 主要参与国家自然科学基金支持的尘埃等离子体的实 验研究。 致谢 本论文是在俞昌旋教授，马锦秀教授以及刘万东教授的悉心指导f 完成的。感谢这三年来三位老师对我的耐心指导、严格的要求。他 们严谨求实的研究作风、渊博的j ，只、丰富的研究经验和关键阶段 对我的支持和鼓励使我受益匪浅。 衷心感谢郑坚老师和庄革在理论和实验上给予我的指点和帮助，、三 们为我提供帮助，传授经验，而且使我学会了不少实验技能。感i i 王从容老师在机械设计方面给予我的指点和帮助。感谢胡希伟、：j 一之、詹如娟、陈银华老师在各方面对我的热情帮助。 感谢王成和潘阁生同学多次在实验器材上给予我的援助。感谢皂， 予我各种帮助的实验室同仁谢锦林、付成江、迟霁、赵凯、吴征廖：、 周静、王毅、于治、欧阳亮、王哲斌等。 中国科学技术大学硕士论文第一罩综述 第一章综述 尘埃等离子体是含有线度在亚毫米范围固体颗粒的等离子体。尘 埃颗粒可以是绝缘介质、金属或其它材料。尘埃粒子广泛存在于宇宙 空间中 i - 4 ，例如星际物质，地球电离层，星环和彗星尾部，也存在于 实验室等离子体和工业加工等离子体中。尘埃的质量范围大约为 m 。1 0 一l o 。5 9 ，所带电荷范围大约为q ( 1 0 3 1 0 6 弦，大小范围从 几十纳米到几十微米。这么大范围的空间尺度以及带电量，使得尘埃 等离子体问题的研究变得比较复杂。尘埃加入等离子体中以后不仅要 受到等离子体以及电磁场力的影响，还会显著地改变等离子体的许多 原有性质。近些年来，随着尘埃等离子体物理在空间物理、工业等离 子体加工中的应用，尘埃等离子体物理已经发展成为一个比较活跃的 研究领域。 下面简单地回顾一下尘埃等离子体物理发展的历史，概括地总结 一下目前的研究现状和学科意义。 第一节尘埃等离子体物理发展的简单回顾 尘埃等离子体物理是等离子体物理中才进入比较活跃发展阶段的 一个分支领域。尘埃等离子体物理的发展源于空间物理，其早期发展 可追溯到1 6 8 3 年卡希尼( g c a s s i n i ) 对黄道f l l ( z o d i a c a ll i g h t ) 的描述和解 释，而尘埃等离子体物理真正作为一个分支学科的历史仅有半个世纪 左右。早期的研究一方面着重在太阳系等的演化上，认为构成太阳系 的早期星云就是尘埃等离子体。另一方面着重在个体尘埃粒子的带电 中国科学技术大学硕士论文 第一章综述 研究上【5 】，例如人造飞船的带电等。 空间尘埃等离子体物理的一个快速发展是在八十年代初期。由于 旅行号飞船在土星环中发现了奇怪的轮辐( r a d i a ls p i k e s ) 结构卜”，人们 无法仅根据引力理论来解释这种现象。后来，随着在实验上对带电尘 埃粒子物理特性的研究以及对孤立带电尘埃粒子在引力与静电力共同 作用下在行星或彗星的电离层中运动的研究，人们更好地了解了尘埃 粒子在这些环境中的轨道演化和空间分布。最近由伽利略号飞船探测 到的从木星不时地喷发出的高速的尘埃流，进一步推动了这一领域的 研究工作。 到了八十年代后期，通过对尘埃等离子体集体模式的理论研究， 不仅发现了许多新的模式和不稳定性，同时也刺激了尘埃等离子体物 理实验研究的发展。r a o 等a - ( 1 9 9 0 ) 首先在理论上预言了尘埃声波模 的存在，b a r k a n 等a ( 1 9 9 5 ) t 9 1 五年后就在实验室中观察到了这种低频的 尘埃声波模。m e r l i n o 等a ( 1 9 9 8 ) 1 0 j 接着对尘埃等离子体中的离子回旋 波、离子声波进行了实验研究。y n a k a m u r a 等a 、( 1 9 9 9 ) f 1 在实验上观 察到离子声激波。 另一个令人瞩目的发展就是等离子体晶格的发现。i k e z i ( 1 9 8 6 ) f 1 2 1 和 f a r o u k i 等a 。( 1 9 9 2 ) 1 3 1 先通过计算和模拟提出了在尘埃等离子体中形成 库仑晶格的可能性。到了1 9 9 4 年，c h u ，t h o m a s 和h a y a s h i 1 4 - 1 6 1 同时在 实验室中实现了库仑晶格。 第二节尘埃等离子体物理的发展现状 尘埃等离子体物理的研究对象和所关心的问题有关。对于尘埃粒 子稀疏的情况即“尘埃在等离子体中”，关心的是尘埃的个体行为。例 如尘埃粒子的生长和带电，尘埃本身的鞘层结构，等离子体对尘埃的 中国科学技术大学硕士论文 第一章综述 影响，电磁场以及电子，离子，和中性气体分子对尘埃粒子的作用等。 在尘埃粒子数密度大的情况下，粒子间距小于德拜长度或与德拜长度 相当，粒子间的相互影响很强，尘埃粒子的集体效应起主要作用，这 时系统可称“尘埃等离子体”。对于这种系统，所关心的问题是等离子 体中的集体行为，例如尘埃等离子体的波和不稳定性，尘埃等离子体 鞘层，等离子体晶格，晶格波等。本节就以下几个方面概述尘埃等离 子体物理的发展现状。 1 2 1 尘埃粒子带电方面 尘埃粒子带电机制的研究是非常复杂的。构成尘埃材料的成分有 导体的也有绝缘的，尘埃的形成环境以及几何现状都很复杂。在等离 子体中的尘埃颗粒能通过收集电子和离子、光电发射以及二次电子发 射等过程带上电荷，这主要取决于尘埃粒子所处的环境和构成尘埃颗 粒的材料。如在低温实验室等离子体中尘埃的带电基本上是收集等离 子体中的电子和离子。但在空间或高温等离子体环境中，尘埃颗粒会 由于光电子发射或电子离子碰撞的二次电子发射而带电。在某些特定 的环境下，尘埃粒子会由于热电离发射( 如飞船进入地球大气层时) 或 场致发射而带电。根据不同的尘埃大小，等离子体中尘埃的电荷量可 从几十到几万个基本电荷。关于尘埃的带电机制，最简单和最常用的 带电模型是有限轨道探针模型( o r b i t 1 i m i t e dp r o b em o d e l ) 。 假设粒子的大小( 半径口) 、粒子的德拜长度旯。和中性气体与电子或 离子的平均碰撞自由程旯咖之间满足关系 口 九 - ，- m v 。2 式中尘埃的电荷q 。= a ( 屯一九) 。 电子和离子的充电电流为 ，= 嘲矿( v ) 仃( v ) 布 热电子电流和热离子电流： ，。：一嬲：吼【要一e x p f 喙业】 翮p。 扣耐 ； 1 - 萼掣】 册n ：j 上述二电流之和即是尘粒的电荷变化： i l = ( 1 - 3 ) ( 1 4 - 1 ) ( 1 4 - 2 ) 中国科学技术大学硕士论文 第一章综述 平衡时，墼：0 ，由此得出： 鲁唧c 掣却加序一半， m s ， 此方程确定了尘粒表面与等离子体之间的电位差( 屯一线) 。 根据静电理论，球形尘粒的电容c = 4 嬲。口 因此尘粒的电荷q 。= c ( 纯- # o ) = 4 n 6 。a ( o o 一丸) 上述探针模型只是一个最简单的近似模型，它至少有以下三个缺 陷：i ) 假定尘粒是球形，这仅在g 0 1 微 米) 通常聚集在鞘边附近，而较小的尘埃粒子有的聚集在放电装置中部 等离子体电势最大的地方，尘埃粒子聚集的地方通常称为“粒子 阱”( p a r t i c l et r a p s ) 3 9 4 2 _ 43 4 引。激光散射实验表明这些粒子阱的寿命能持续 几十分钟；并且，其一般出现在被加工基片表明形成的鞘层边缘附近， 由这些悬浮在基片寿命的污染粒子构成形似基片的构型 2 7 , 4 3 , 4 5 。s e l w y n 和p a t e r s o n l 4 引通过改进电极设计来控制污染粒子的位置 1 2 3 强耦合尘埃等离子体 从1 9 8 6 年尘埃晶格的预测u 2 1 到1 9 9 4 年尘埃晶格的实现 1 4 - 1 6 1 至今， 尘埃晶格的研究工作已有很大的发展。其研究的内容包括各种放电环 境下尘埃晶格形成的条件；尘埃晶格的静态结构；相变和升华以及晶 格波的传播和不稳定性；尘埃分子的形成；尘埃库仑团簇等等。 i k e z i ( 1 9 8 6 ) m 1 和f a r o u k i 等人( 1 9 9 2 ) 1 1 3 首先通过计算和模拟提 出了在等离子体中形成库仑晶格的可能性。r o s e n b e r 和m e n d i s ( 1 9 9 5 ) 4 9 1 讨论了在紫外诱导光电子发射情况下带正电的尘埃粒子形成等离子体 晶格的可能性。n a m b u ，v l a d i m i r o v ，i s h i h a r a ，s h u k l a 和s a l i m u l l a h 等人 1 5 0 - 5 6 认为尘埃等离子体中等低频静电涨落的集体相互作用是带电的尘 埃粒子形成晶格的原因。这种观点类似于超导体中的库柏对。s c h w e i g e r t 等人( 1 9 9 6 ) 5 7 】根据离子在鞘层中运动的蒙特卡罗模拟，认为在尘埃粒子 下游形成的正的空间电荷是尘埃粒子相互吸引的原因。 t h o m a s 等人( 1 9 9 6 ) 【5 8 】观测到了只有几层点阵面厚的二维晶格。预 言在微重力下可以形成三维的尘埃晶格。m e l z e r 等人1 5 9 “1 1 实验测量了 构成库仑点阵的尘埃粒子所带的电荷，并认为离子束流是构成点阵的 尘埃粒子取向一致的原因。c h u 等人【6 2 。6 6 1 对尘埃等离子体晶格中的低 频波的色散关系，涨落，不稳定性以及点阵波进行了研究。l i ni ，t h o m a s 中国科学技术大学硕士论文 第一章综述 和m e l a n d s o 等人【6 7 - 7 0 1 对等离子体晶格的相变进行了实验研究。m o r r i l l - - 等a ( 1 9 9 6 ) t 7 1 - 7 2 1 综述了等离子体晶格方面的发展。l i ni 等人1 7 3 1 还对尘 埃库仑团簇进行了实验研究。 研究尘埃等离子体晶体的典型装置为采用平板电容的射频放电等 离子体装置，见图1 2 。 c c 0v i d e oc a m e r a m a c r oi e n s 图1 2 研究尘埃等离子体晶格的典型实验装置示意图 1 2 4 尘埃等离子体中的波和不稳定性 对尘埃等离子体中的集体现象的研究一直是尘埃等离子体物理中 的比较活跃的一个领域。带电尘埃粒子的存在对等离子体的电中性、 各种波动及其稳定性产生影响。一方面，尘埃的大小、形状、质量、 所带电荷以及空间分布数密度的可能取值范围很大，对等离子体的影 响不尽相同。另一方面，尘埃电荷对等离子体环境的参数极为敏感， 等离子体中电子，离子的密度和温度变化都会引起尘埃电荷的相应变 化。这是尘埃与一般重离子的本质区别。因此带电尘埃作为一种新的 组分存在于等离子体中，不仅增加了等离子体的低频集体模式如尘埃 声波，尘埃晶格波等，同时也影响了电子离子等离子体的其他集体模 中国科学技术大学硕士论文 第一革综述 式和相应的不稳定性。 g o e r t z 7 4 l 和b l i o k h t 7 5 1 分别讨论了太阳系、土星环的尘埃等离子体 波。r a o 等a ( 1 9 9 0 ) t 8 1 预测了尘埃声波的存在：电子和离子在自洽的静 电场中处于各自温度的热平衡中，尘埃流体提供惯性。离子回旋波， 离子声波1 7 6 1 以及漂移波【7 7 1 等静电波也被证明能存在于尘埃等离子体 中。d ，a n g e l o t 7 6 , 7 9 1 用流体理论导出了均匀磁化尘埃等离子体的低频色散 关系。他们的研究发现了四种低频模式：1 ) 尘埃声波d a 模式，它是一 个频率范围在k v 。， k v ，的低频集体振荡，v 。、v ，分别是尘埃和离 子的热速度，这是与尘埃动力学相关的新模式。2 ) 尘埃离子声波d i a 模式，频率范围为k v ， 珊 2 0 c m ) ，半对数坐标下的探针特性 曲线的直线部分逐渐不明显，这说明随着电子的大量损失，电子的碰 撞次数减少，电子速度分布有可能逐渐偏离麦氏分布，电子温度这一 概念已逐渐不适用。同时，由于筒内深部电子密度很小，德拜长度和 中国科技大学硕士论文第二章尘埃等离子体装置及其等离子f i 状态 探针尺寸可比，探针理论已不完全适用，所以这里只给出筒边缘到筒 的前半段的轴向距离的电子温度。 三离子束流 我们用一个马赫探针测量尘埃等离子体装置中的离子束流，图2 6 为我们实验中所用的马赫探针的示意图。探针为直径0 8 m m 的钨丝， 探针底座为耐高温的绝缘陶瓷。在我们实验中，由于离子流速度方向 是由灯丝架一端指向散播器内部，即z 轴的正方向。我们给探针加固 定的正偏压( 我们实验中加+ 4 5 v ) ，设上游和下游的探针收集电流为 ，。和厶，那么马赫数可以简单表示为 m ：鱼：! 厶 一csj 。+ jd 图2 7 是我们实验中固定放电电压3 4 v ，气压3 0 x 1 0 _ 2 p a 测出的 马赫数的轴向变化。由图2 7 我们可以看出尘埃散播器外的离子流速 度基本上为一恒定值，且很小；在散播器内马赫数沿轴向从o 0 2 ( z = 0 c m l 增加到0 5 5 ( z = 10 c m ) 。 最初尘埃散播器和阳极简体( 大地) 相通，为了减小筒内电子密度 梯度，我们设法把尘埃散播器和阳极筒体绝缘，在散播器和阳极之间 加一d h l 7 1 8 d 一5 型直流电源，使散播器相对阳极之间可以悬浮、相 通、加一正偏压或负偏压，看各种情况下筒内的电子密度轴向分布。 由图2 8 可以看出不管散播器和阳极相通、悬浮、相对阳极正偏或负 偏，在筒内都存在比较大的密度梯度。 图2 9 为不同情况下不同位置探针的悬浮电位，由其变化可以估 计纵向电场的大小。由图2 9 可以看出，散播器和阳极相通或相对阳 极加正偏压，筒内悬浮电位的轴向分布相似：在筒外到筒内的前半部， 悬浮电位缓慢减小；在筒内的后半部分，悬浮电位逐渐增大；纵向电 中国科技大学硕士论文 第二章尘埃等离子体装置及其等离子体状态 场较小，约为o 2 v c m 。而散播器相对阳极加负偏压或散播器悬浮时， 筒内纵向电场约为0 6 v c m ，大约与双极扩散电场同量级。 由此可以得出结论：无论是使散播器和阳极相通、绝缘、还是散 播器和阳极间加正偏压或负偏压，筒内较大的密度梯度无法消除，其 他条件相同的情况下，散播器和阳极相通或相对阳极加正偏压的纵向 电场较小。所以以下实验都是在散播器奔口阳极相通的情况下进行的。 o d e 3 c o 至 一一 图2 6 本实验所用的马赫探针示意图。 z ( c m ) 图2 7 尘埃等离子体装置中离子流的轴向分布。气压 3 1 0 - 2 p a ，放电电压3 4 v 。 中国科技大学硕士论文第一二章尘埃等离子体装置及其等离子体伏态 图2 8 散播器悬浮、和阳极相通、相对阳极加正偏 压或负偏压时的电子密度分布。灯丝电流3 6 a ( 8 根 灯丝) ，气压3 1 0 p a ，放电电压3 4 v 。 z ( e m ) 图2 9 散播器悬浮、接地或相对阳极( 大地) 加正偏压 时探针悬浮电位的轴向分布。灯丝电流4 2 5 a ，气压 3 1 0 p a ，放电电压3 4 v 。 中国科技大学硕士论文 第二章尘埃等离子体装置及其等离子体：状态 以上实验结果中电子密度的测量误差不超过5 ，散播器外的半 对数坐标下的探针特性曲线直线部分比较明显，电子温度的测量浞差 不超过5 ，散播器内的半对数坐标下探针特性曲线的直线部分逐渐 不明显，电子温度的测量误差较大，但是不超过1 5 。 2 2 2 加尘埃后的等离子体状态 本实验所用的尘埃是经过筛选的s i o ：粉末，如图2 1 0 所示。尘 埃颗粒的形状不规则，线度从l p m 到4 0 p m ，平均直径约为1 0 u m 。 圆2 1 0 s | o2 的s e m 照片 为了考虑尘埃充电过程的影响，这里估计一下尘埃颗粒的充电时 间与空间尺度。在本实验中，尘埃颗粒充电过程涉及电子和氩离子的 收集。尘埃颗粒类似于一个悬浮探针，在氩等离子体中，其悬浮电位 约为弘2 t j e 【7 6 】。若把半径为a 的尘埃颗粒看作一球形电容器，其电 容为c = 4 x o a ，取a = 1 0 1 t m 、e = l o e v ，则尘埃颗粒上所带电荷量 9 = c 风1 4 1 0 5 e 。尘埃颗粒上的收集电流卜4 x a 2 ( p 胛。k 幽) ， v , t 厂2 x 1 0 8 c m s ，若取n 。= 1 0 8 c l l l ，则充电时间伊q 扎l x l 0 s 。对于我 们所感兴趣的集体现象，如尘埃离子声波，其时间尺度远大于尘埃的 充电时间，同时由于尘埃颗粒的下落速度约为l m s ，尘埃充电过程中 所运动的距离极短，所以尘埃充电可以视为一个瞬时、局域的过程。 中国科技大学硕士论文第二章尘埃等离子体装置及其等离子体状态 尘埃颗粒的平衡电荷量由它所在的空间点处的等离子体参数所决定。 如果不考虑筒内径向上等离子体参数的变化，则可以认为尘埃等离子 体中尘埃的充电电荷量是一个常数，至少可以认为处于等离子体上方 的尘埃与下方的尘埃充电量是对称的。 直接测量散播器中下方给定面积上的尘埃积累量可以估算出尘埃 粒子的空间密度。实验中，我们用一长尺收集散播器在一定时间内落 下的尘埃，由接收面积、所收集的尘埃总质量、收集时间、尘埃颗粒 的密度和平均直径、尘埃下落的平均速度( 1 m s ) ，可以估算出尘埃 的空间数密度门，= 1 0 1 1 02 c m 一。 本实验主要通过一个可以在轴线上移动的平面朗缪尔探针( 直径 1 0 m m ) 来测量尘埃等离子体参数。设尘埃粒子与离子的数密度之比 为凸则有n 厂积j ，h e = ( 1 一e z ) n j 至r l n ，锣p 为尘埃所带电荷占等离子体 中负电荷的比例。若尘埃的加入不影响等离子体的离子密度，7 即可 视为加入尘埃以后的电子密度与未加尘埃时的电子密度之比。由探针 在有尘埃和没有尘埃两种情况收集到的电子饱和流之比即可直接给出 这个参数， 有 t l = d ( d u s t ) d ( n o _ d u s t )( 2 - 1 ) 如果尘埃的加入影响离子密度，使离子饱和流也大大减小，那么 叩= 丽d ( d u s t ) 篙d ( 等d u s t p l a ) 。，( 押d 加，) + ) 、7 我们实验中发现尘埃的加入对离子饱和流几乎没有影响，所以以 下我们所说的，7 都是指通过式( 2 1 ) 求出的值。 实验中发现，加入尘埃，经过短时间以后，即使把嗽播器停下来， 探针收集到的电子饱和流也只能恢复到加尘埃之前的9 5 9 9 左右， 这是由于尘埃被吸附在探针表面，从而使探针的实际收集面积减小造 成的。经过长时间的实验后，探针上积累的尘埃越来越多，实际收集 面积越来越小，因此在做实验时，要对探针经常清洗。我们在散播器 中国科技大学硕士论文 第二章尘埃等离子体装鬣及其等离子体状态 外径向加入一个用柔软的金属栅网做成的探针清洗装置，当探针表面 污染很严重时，给探针加一直流负偏，然后用探针清洗装置轻轻地拭 擦探针表面。实验表明，探针清洗装置可以使探针的收集面积恢复到 没有尘埃污染之前的9 0 左右。我们实验中所得到的叩都考虑了实验 中探针被尘埃污染的情况。 从图2 1 1 的探针特性曲线可以看出，加入尘埃以后探针收集的电 子饱和流明显减少，当把散播器停下之后，探针收集的电子饱和流可 以恢复到没加尘埃之前的9 5 9 9 。其它等离子体参数不变的情况 下，灯丝电流较大时等离子体密度较大，尘埃带电荷量所占的比例较 小：灯丝电流较小时等离子体密度较小，相应的尘埃所带电荷量占的 比例也较大。 固定放电参数，当电机转速在0 - 1 8 转秒的范围内变化。当尘埃 散播器中的尘埃足够多时，通过内筒栅网落下的尘埃只占落在内筒栅 网上面的尘埃的极少一部分，这时筒内的尘埃空间数密度主要由毛刷 振动内筒栅网的频率决定。散播器转得越快，毛刷使内筒栅网震动得 越快，落下的尘埃也越多，单位时间下落的尘埃总量与转速成正比。 若尘埃颗粒的电荷量不变化，必即与尘埃散播器的转速成正比关系， 见图2 1 2 ( a ) 。由图可以看出，当散播器的转速达到1 5 转秒时，尘埃 所带电荷占负电荷比例e z 可达4 0 。这一结果和a b a r k a n 等人的实 验结果是一致的。 散播器内的尘埃较少时，舌2 和电机转速的关系如图2 1 2 ( b ) 所示。 在散播器内尘埃量的多少影响了z 和电机转速的正比关系。因 此，我们经过一段时间以后就重新加尘埃，以保证上述正比关系。 固定尘埃散播器的转速，以随等离子体密度的变4 j c - 如图2 1 3 所 示。由图可以看出，在相同的尘埃转速下，必基本上随等离子体密度 增大而减小。因为留= 丝z ，而散播器的转速一定则意味着一定， 喝 若假设z 不变，那么亿随n ，增大而减小是显而易见的。如果我们要看 中国科技大学硕士论文第二章尘埃等离子体装置及其等离予体状态 z 随等离子体密度的变化，就要求翻，z ( = n _ a _ en j z = z ) 随等离子体密 即 度的变化，见图2 1 4 。 1 03 6 7 8 8 0 1 3 5 3 4 03 6 7 8 8 o 3 5 3 4 1 03 6 7 8 8 0 1 3 5 3 4 0 0 4 9 7 9 一 i ii 。2 0。1 d01 02 03 0 1 ，4 1 02 03 04 0 ( o ) v o l t a g eo fp r o b e ( v ) 图2 1 l 不同灯丝电流下尘埃的加入对探针特性曲线 的影响。气压2 3 x 1 0 p a ，放电电压3 4 v ，探针位 霞z = f c m 。 ( a ) 4 2 5 a ，( b ) 4 l a ，( e ) 3 8 5 a 1 一加尘埃之前的探针特性曲线 2 一加尘埃以后，再把散播器停下的探针特性曲线 3 一加尘埃时的探针特性曲线 中国科技大学硕士论文第二章尘埃等离子体装置及其等离子体状态 6z r o t a t i o nv e l o c i t yo fd i s p e n s e r ( r s ) 图2 1 2 ( a ) 散播器内尘埃较多时，髓随散播器转速的变化。 r o t a t i o nv e l o c i t yo fd i s p e n s e r ( r s ) 图2 1 2 ( b ) 散播器内尘埃较少时，露随散播器转速的变化。 中国科技大学硕士论文 第二章尘埃等离子体装置及其等离子体状态 c n i z ( 1 0 8 c m n 。( 10 8 c m 3 ) 图2 1 3彪随电子密度的变化。 散播器1 转每秒，探针的位置z = 6 c m n 。( 10 8 c m 。3 ) 图2 1 4 单位体积的尘埃颗粒上所带的电荷数随等 离子体密度的变化。 中国科技大学硕士论文第二章尘埃等离子体装置及其等离子体状态 由图2 1 4 可以看