10 keVの電子ビームが照射されたプラズマ結晶内の回転ダスト流を研究するための実験用プラットフォーム

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 940 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

エネルギー約 10 keV、電流数十ミリアンペアの電子ビーム (e ビーム) をプラズマ結晶 (PC) に照射するための、新しい実験用プラットフォームが設計および構築されました。数ミリメートルサイズのスポットにコリメートされたパルス電子ビームは、高周波 (RF) プラズマ内に浮遊するダスト粒子からなる結晶に向けられます。このプラットフォームは、インライン接続された 3 つの真空チャンバーで構成されており、それぞれに異なる用途があります。1 つはパルス化された中空陽極ペニング放電で自由電子を生成するため、もう 1 つは \(\sim 10\) kV での電子の抽出と加速用、および一対の円形コイルの磁場で電子ビームを集束させ、最後のコイルは RF 駆動電極の上で PC を製造します。主な課題は、電子ビームが高真空 (\(\lesssim 10^{-4}\) Torr) で形成されることを考えると、適切なガス圧力を確保することによって、安定した電子ビームと PC の両方を取得することです。はるかに高い圧力 (\(\gtrsim 10^{-1}\) Torr) で生成されます。主な診断には、高速カメラ、ファラデーカップ、ラングミュアプローブが含まれます。一対の塵流渦の生成と、強く結合した塵粒子に作用する電子ビームの抗力による PC の回転に関する 2 つの応用例を紹介します。エネルギースペクトルが示すように、塵の流れは乱流になる可能性があり、さまざまな空間スケールでの渦が特徴です。

プラズマ結晶 (PC) は、水平面と垂直面の両方に周期的に配置された低温プラズマに浸漬された帯電微粒子 (または塵) の集合です 1、2、3、4、5。典型的な実験室の設定では、塵粒子は水平電極のプラズマシース内に浮遊します。塵粒子に作用する電気力はシース場に比例し、重力に対抗します。しかし、安定したプラズマ結晶は、斥力スクリーンされたクーロン塵-塵力、ガスの摩擦力(または中性原子によって加えられる抗力)、イオン抗力、および塵粒子を一緒に保つ閉じ込め力がすべて揃ったときに得られます。平衡6、7。ダスト粒子は負に帯電しており、プラズマのデバイ長程度の距離で互いに離れて配置されているため、それらは強く結合しています8。

プラズマ結晶は、電場および磁場9、10、11、12、遠心力13、プラズマジェット14、レーザービーム15、16、17、注入された荷電粒子ビーム18、19、20、21、またはそれらの組み合わせによって生成される外力を受ける可能性があります。これらの力の一部、たとえばレーザーや磁場22。これらすべての場合において、結晶内のダスト粒子の複雑な力学は、ダスト音響または縦方向ダスト格子波23、固体から液体への相転移5、17、24、せん断誘起ダスト流16などの興味深い物理現象の観察につながります。二次放出25、電界放出26、ダスト粒子の過充電18、19、27、ダスト渦20、ダスト構造の回転28、29、30。

この研究では、電子ビーム (e ビーム) による PC の新しい照射技術を紹介します。これにより、高エネルギーの電子と、プラズマに浸された強く結合したダスト粒子との相互作用を研究することができます。ビーム内の電子の加速電圧は \(\sim 8\) から 14 kV の範囲で変えることができますが、得られる電子ビーム電流は電子源 (つまり中空アノードのペニング放電) の性能によって設定されます。 \(\sim\) 1 ～ 30 mA の範囲内。電子ビームには直径数 mm の円形のスポットがあります。電子ビーム内の電子のエネルギーは、塵の結晶が存在する RF プラズマで発生する電子の熱エネルギー (数 eV) よりも 4 桁高くなります。 RF プラズマでは、これらの低温プラズマ電子によって塵粒子に及ぼされる抗力は弱く、塵粒子を浮遊させる電気力よりもはるかに小さいため、無視できます 31。対照的に、\(\sim 10\) keV レベルのエネルギーを持つ電子ビームはダスト粒子を押し出し、最終速度 \(\sim\) 1 ～ 10 mm s まで加速することができます\(^{- 1}\)、興味深い運動効果を誘発します20,21。

ここでは、PC への電子ビーム照射の 2 つの新しいアプリケーションを紹介します。最初の図では、PC 内で電子ビームによって引き起こされる 2 つの大きな対称ダスト流渦の形成を示します。また、特に低い電子ビーム電流では、塵の流れが乱流になる可能性があることも示します。 2 番目のアプリケーションは、電子ビームが横から照射され、対称性を維持する PC の完全な回転に関係します。

電子ビーム照射によって生成されるプラズマは、シリコンウェーハの製造に使用される半導体エッチングなどの工業プロセス 32,33,34,35,36 から実験室および宇宙プラズマ 37,38,39 に及ぶ応用および基礎物理学のいくつかの分野で興味深いものです。、40。電子ビームはプラズマ中のダスト粒子を操作するための重要なツールであり、せん断、層流、乱流ダスト流などのいくつかのユニークな特性を備えたダイナミクスを誘発することができます20。また、最終的に乱流を引き起こす可能性がある単純な複数の渦の生成など、強く結合した荷電流体で観察される新しい集団現象の物理学をより深く理解するのにも役立ちます41,42,43,44,45,46,47,48 49.

PC 照射技術の説明を図 1 に示し、実験室のプラットフォーム全体を図 2 に示します。セットアップは、それぞれ専用の目的を持つ 3 つのインライン接続された真空チャンバーで構成されます。最初の真空チャンバーではパルス状のペニング放電が発生し、そこで自由電子が生成されます。 2 番目の真空チャンバーは、電子ビームが形成され、引き出し電極に対する高電圧 (HV) 電位 (\(\sim 10\) kV) によって加速されるビームチャネルです。この電極は接地電位にありますが、ペニング放電自体は電子を加速するのに必要な HV でバイアスされます 50。 3 番目の真空チャンバーは、2 つの平行平板電極間の RF 放電で PC を製造するためのものです。電子ビームはこの最後のチャンバーに引き継がれて注入され、浮遊する塵粒子に向けられます。以下では、各真空チャンバーの特徴と主な動作特性について説明します。

実験室プラットフォームの詳細 (縮尺は一定ではありません): 右から左へ、最初の真空チャンバーはパルスペニング放電で自由電子を生成するためのもので、2 番目の真空チャンバー (電子ビームチャネル) は電子ビームを形成するためのものです。 3 番目の真空チャンバーは、RF プラズマでのダストクリスタル (PC) の生成専用です。ペニング放電から抽出され加速された自由電子はビームに集束され、さらに 0.5 mm のオリフィスを通って RF プラズマチャンバーに入り、浮遊するダスト粒子に向けられます。

ペニング放電では、ニードルバルブを通して導入された圧力 \(\約 10^{-3}-10^{-1}\) トルの空気が使用されます。プラズマは、ディスク状の 2 つのカソードと、それらの間に挿入された中空円筒形のアノードの間で生成されます50。電極構成は図 1 に示されており、自由電子を生成するユニットと電極の画像は図に示されています。それぞれ2と3。

\(\sim 10\) keV 電子ビームで照射された PC 内の回転ダスト流を研究するための実験用プラットフォーム。

中空のアノードは、図3aの側面に示されているように、電子の軌道を制限する磁場を生成するコイルで囲まれています。軸方向の磁場は、コイルを流れる 150 mA の定電流で 650 ガウスに達することがあります。２つの陰極にはそれぞれ、ニードルバルブから空気を導入するための直径１ｍｍの穴と、電子を取り出すための直径３ｍｍの穴が設けられている（図に示す）。それぞれ3b、c。

ペニングシステムは 2 つのカソードと 1 つのアノードで構成されます。カソードは、HV グラスマン電源の負の極性 (たとえば、-10 kV) でバイアスされます。図3cに示すように、放電から電子を抽出して加速するために、接地された歯付きリング電極が陰極から \(\sim 2\) mm の位置に配置されています。電子は、バイアスされたカソードと接地されたリング電極の間の電場で加速されます。この電場は 50 kVcm\(^{-1}\) 程度です。

パルスペニング放電の主要部分: (a) 両端にテフロン絶縁体が挿入された黄銅製の中空陽極。 2 つのカソードはこれらのテフロンリングの上に取り付けられます。コイル (茶色で表示) は軸方向に挿入され、固定ロッドに収められています。 (b) 電極セットアップの一端に空気挿入用の 1 mm オリフィスを備えた最初のカソード。 (c) 3 mm の穴 (照明された画像の中央) と円錐形の歯付き抽出電極を備えた第 2 の陰極: 自由電子は、この穴を通ってペニング放電から抽出されます。電子は、カソード（HVの「-」極性にバイアス、例えば-10 kV）と接地された歯付き電極の間で加速されます。

社内に設置した発電機から波高値0.6～1.5kVのパルス電圧を印加することでプラズマを形成します。図4aには、ペニング放電の典型的なI-V特性が示されています。電圧が \(\sim ~1\) kV に達すると放電が開始され、電流はピーク値 1.7 A まで急速に増加します。その後、電圧は約 0.5 ミリ秒で徐々に低下し、電流はゼロになります。 150 \(\upmu\) 秒後。パルスは 21.7 ms 後に回復しますが、これは 46 Hz の繰り返し周波数に相当します。パルスの FWHM 持続時間は \(\およそ 30~\upmu\) 秒ですが、その周波数は 46 ～ 180 Hz の間でいくつかのプリセット値に変更できます。

ペニング放電の電圧および電流パルスは 46 Hz の周波数に設定されました。電子ビームは、矢印でマークされた時間間隔中に形成されます。

抽出された電子は、\(10^{-5}\) Torr の基本圧力でポンプダウンされた大きな (\(\sim 10\) cm 内径) の管状真空チャンバーに送られます。このチャンバーに沿って、2 つの大きな外部コイル (FC1 および FC2) が設置され、中心から測定して互いに 20 cm の位置に配置されます。それぞれが最大 200 ガウスの軸方向磁場を生成します。これらのコイルに 1 ～ 5 A の電流と約 3 ～ 10 V の電圧を供給することにより、磁場構成により、抽出された電子がチャンバーの軸に沿って確実に平行になります。

もう一方の端では、電子ビームチャネルが専用のフランジを介して RF プラズマチャンバーに接続されています。形成された電子ビームは、直径 0.5 mm のオリフィスを通って RF プラズマチャンバーに送られます (図 1 を参照)。フランジは、異なる直径や形状のオリフィスに対応するために、中央部分を交換できるように設計されています。このオリフィスを通過する前の電子ビームの断面直径は、集束磁場によって決まります。適切に集束すると、RF プラズマチャンバー内で最大 30 mA のピーク値でオリフィスを通過する電子ビーム電流を得ることができますが、チャネル内の電子ビーム電流全体は 150 ～ 200 mA にも達する可能性があります。

オリフィスの直径は制限する必要があり、電子ビームチャネル内の高真空要件により 0.5 mm を超えて大きくすることはできません。そうしないと、RF プラズマチャンバーからのガスがチャネルを満たすことになります。 RF プラズマチャンバー内の圧力は最大 3 桁高くなります。高真空を維持する別の方法は、電子ビームを薄い分離膜に通すことですが、この可能性は私たちのセットアップではテストされていません51。この場合、膜の両側の圧力差による膜の引張強度を十分に評価する必要があります。また、材料内の電子の阻止力も慎重に評価する必要があります。そうしないと、膜が電子ビームをブロックする可能性があります（たとえば、エネルギー 14 keV の電子ビームが Al サンプル内で完全に減衰するまでの範囲は \(\おおよそ\ ）3〜4ミクロン）。

図5aに示すように、入射する電子ビームは、2つの平行平板電極間の容量結合RFプラズマで生成される浮遊結晶に向けられます。結晶を形成する微粒子は、出力 20 mW (\(\lambda =680\) nm) の赤色レーザービームで照射され、Photron 高速 CCD カメラで水平または垂直ビューポートを通して画像化されます。下部電極は、図 5a に示すように、高さ 1 mm の浅い円形カットが設けられた直径 50 mm のディスクで、整合ネットワークを介して 13.56 MHz の高電圧を供給する RF 電源に接続されています。電極に供給できる RF 電力の範囲は 1 ～ 100 W です。直径 71 mm の上部電極はリング状で、接地されています。ダスト粒子は、スポイトを使用して上部電極の切り込み (直径 30 mm) を通って RF プラズマ中に放出され、下部 RF 駆動電極のシース内にプラズマ結晶を形成します。メラミンホルムアルデヒド (MF) やシリカ、PMMA などの他の材料で作られた球形または円筒形の粉塵粒子を使用できます。単分散の塵球の場合、直径はサブミクロンレベルから数十ミクロンの範囲にあり、最小の球と最大の球についてそれぞれ約 0.04 ～ \(0.14~\upmu\)m という小さな標準偏差があります。 RF プラズマは、50 ～ 200 mTorr の圧力のアルゴン中で生成されます。

下部電極の浅い切り込みは、水平面内で自由に移動するダスト粒子をプラズマシースの内側に閉じ込める役割を果たします。切断付近ではプラズマシースが湾曲しており、電場には電極の中心に向かうわずかな水平成分があります。半径方向の電気力が近くの塵粒子に作用し、塵粒子を電極の中央部の上の領域内に留めます。切断の高さは、電子ビームが PC に到達し、粒子を側面から視覚化できるように、十分に小さく (浮遊高さよりも小さく) 選択されました。

接続されたチャンバーのシステム全体の真空は、電子ビームチャネルに取り付けられたポンプシステムによって実現されます。これは、5.4 m\(^3\)h\(^{-1}\) で動作するドライスクロールポンプと、排気速度 250 L\(\textrm{s}^{-1} のターボ分子ポンプで構成されています) \)。ポンピングシステムは、高真空中での平行電子ビームの生成と、別のチャンバー内でのはるかに高い圧力での PC の同時生成に適切な圧力領域を確保します。

電子ビームを浮遊した PC に衝突させるために、電子ビームの画像化に高輝度スクリーンを使用する位置合わせ手順が導入されました。図5bに示すように、蛍光体（ZnS:Ag Type 1330 - P22ブルー）検出器をRF駆動電極の近くに配置しました。電子ビームはスクリーン上に直径約 5 mm の明るいスポットを生成しました。スクリーンが取り外された後、電子ビームは塵雲の浮遊位置と一致する数ミリメートルの高さでRF電極の全範囲を横切りました。電子ビームの軸は、RF 駆動電極の中心と位置合わせされました。 PC の不均一な照射、たとえば PC の側面領域の露出の場合、軸外の位置に PC を閉じ込める、電極の中心に対してわずかに非対称な浅いラウンドカットを使用できます。

(a) RF プラズマチャンバー内の RF 信号によって駆動される上部接地電極と下部電極 (テフロンで絶縁されており、合計サイズが 10 mm 長くなります)。電子ビームは 100 mTorr の Ar で満たされたチャンバーに入り、PC (図示せず) が浮遊する電極間を通過します。細い長方形は塵の結晶の浮上位置を示します。左側のテフロン製ダストスポイトのアームは電子ビームを遮断し、照射されると蛍光色になります。 (b) 電子ビーム方向に沿った軸方向の図: 蛍光体スクリーンが RF 駆動電子の近くに配置され、電子ビームを結像して電極表面に対する電子ビームの高さを調整するために使用されます。

この実験装置の主な課題の 1 つは、\(\sim\) 8 ～ 14 kV で加速される安定した電子ビームと、ペニング放電内のガス圧力、電子の影響を考慮した PC の両方を同時に生成することです。 - ビームチャネルと RF プラズマチャンバーは数桁異なります。これは、小さなオリフィスを介して連通する真空チャンバー内に適切な圧力値を設定することによって実現できます。図 6 に示すように、最適な作業体制は長方形でマークされています。

最初の操作ステップでは、ターボポンプを使用して真空チャンバーのシステム全体を真空引きしました。第 2 ステップでは、電子ビームが生成され、RF プラズマ内で結晶が生成されました。 RF プラズマ中の電子の密度 \(n_e\) と温度 \(T_e\) は、市販のラングミュアプローブ (Impendans Ltd.) を使用して測定されました。プローブは、13.56 MHz の周波数とその 1 次高調波と 2 次高調波を補償しました。放電に供給される RF 電力に応じて、測定値は \(n_e\about 1\times 10^{14}-6\times 10^{14}\) m\(^{-3}\ の範囲内でした。 1 ～ 5 W の RF 電力の場合、それぞれ ) と \(T_e\およそ 3\)–4 eV。

ペニング源内部の圧力 \(P_{Penning}\) および RF プラズマチャンバー \(P_{RF}\) と電子ビームチャネル内部の圧力 \(P_{e-beam}\) の関係。最適な動作体制は次のとおりです。長方形でマークされています。

電子ビームパルスが取得され、その時間的プロファイルが解析されました。電流は、電子ビームによって運ばれる電荷の尺度です。ビーム電流を測定する標準的な方法は、ファラデーカップ (FC)52 に基づいています。実験には Kimball Physics モデル FC-72A が使用されました。それは、RF チャンバー内の RF 電極の隣に配置されました。 FC の入口開口部の正確な位置は、RF 電極の端にほぼ対応していました。ＦＣの開口直径は１１．３ｍｍであり、電子ビーム直径の約２倍であった。 FC の信号は、BNC 空気/真空インターフェースを介して 50 オームのインピーダンスを持つスコープに送信され、電子ビームパルスの波形はリアルタイムで監視できました。

測定された電子ビームパルスを図2および図3に示します。図７および図８では、選択されたパルスを１つだけ示している。図１〜図４において、図7a～cでは、電子ビームパルス波形はそれぞれ10、11、12、13 kVの加速電圧に対応しています。これらは、可変電圧でバイアスされた 2 つのコイル FC1 および FC2 内の特定の磁場構成に対して得られました。したがって、\(B_{FC1}=29\) G および \(B_{FC2}=126\) G について 10 kV での波形が得られました。 11 kV および 12 kV での波形は、環境内の比較的一定の磁場で得られました。最初のコイルと 2 番目のコイルのわずかに高い磁場: \(B_{FC1}=25\) G、\(B_{FC2}=136\) G および \(B_{FC1}=27\) G、\( B_{FC2}=145\) G、それぞれ。 13 kV の場合、より高いエネルギーの電子は、\(B_{FC1}=65\) G と \(B_{FC2}=145\) G に閉じ込められるために、最初のコイル内でより高い磁場を必要としました。 FWHM での電子ビームのパルス幅は約 \(40~\upmu\) 秒でした。 4 つのケースすべてで、ピーク電流は 13 ～ 29 mA でした。パルス繰り返し周波数は 46 Hz に設定され、RF チャンバー内のガス圧力は \(3.5\times 10^{-4}\) Torr でした。

異なる加速電圧に対して、RF 電極の端近くの FC で測定されたビーム電流: (a) 10 kV、(b) 11 kV、(c) 12 kV、(d) 13 kV、RF 真空チャンバー内、圧力 \(3.5\times 10^{-4}\) Torr。パルス周波数は４６Ｈｚであった。

図１〜図４において、 8a ～ ca にはパルス電子ビーム波形の 2 番目のセットが示されていますが、93 Hz のより高い繰り返し周波数で生成されています。この場合、RF 真空チャンバー内のガス圧力は \(1.6\times 10^{-2}\) Torr でした。パルス幅は以前の測定と同じでしたが、振幅は低くなり、最大ピーク電流値は 10 kV で 12 mA に達しました。磁場は、図 1 と 2 に示す 9 kV パルスと 10 kV パルスで比較的近い値を示しました。 8a、b: \(B_{FC1}=15\) G、および \(B_{FC2}=124\) G および \(B_{FC1}=18\) G、\(B_{FC2}=134\ ）G、それぞれ。 11 kV および 12 kV パルスの場合、安定した電子ビームを得るには、最初のコイルでより高い磁場が必要でした: \(B_{FC1}=67\) G, \(B_{FC2}=128\)それぞれ G と \(B_{FC1}=63\) G、\(B_{FC2}=136\) G です。

異なる加速電圧で RF 電極の端近くの FC で測定されたビーム電流: (a) 9 kV、(b) 10 kV、(c) 11 kV、および (d) 12 kV、RF 真空チャンバー内、圧力 \(1.6\times 10^{-2}\) Torr。パルス周波数は９３Ｈｚであった。

以前の研究で、我々は、PC に入射する電子ビームが個々の塵粒子に作用する電子の抗力によって結晶内に塵の流れを引き起こす可能性があることを初めて示しました。流速ベクトルは 2D でマッピングされており、空間と時間におけるそれらの進化により、複数の小さな速度の渦が同時に形成されます 20,21。塵の流れは結晶の空間限界に向かって消散した。電子ビームによって及ぼされる抗力は、数 mms-1 程度の終端速度まで加速を加えるのに十分でした。主な反対の力は、中性ガスとの摩擦と、隣接する粒子によって加えられるクーロン反発力でした。それらの場合、電子ビーム電流は \(\sim 4\) mA と小さかった。電子ビームによる塵粒子の同伴により、塵と塵の衝突を伴う結晶内の局所的な乱れが生じた。この効果は、電子ビームからの新しい電子の注入によって部分的に影響を受けた、プラズマ中のダストの確率的帯電と相まって、ダスト粒子をよりランダムな軌道で移動させ、最終的に流れの方向に沿って渦を形成しました。

keV 電子ビームは、二次電子放出 (SEE) によって大きなダスト粒子 (直径 \(\sim 10~\upmu\)m) に無視できるほどの帯電を引き起こします。あるいは、隣接する粒子による散乱電子から、さらに熱化され、表面に閉じ込められています。 SEE 電流は \(10^{-11}-10^{-10}\) A 程度ですが、プラズマから引き出される電子充電電流は少なくとも 1 桁大きくなります (\(\およそ 10^{ -9}\) A)21. プラズマ中の微粒子の帯電時間が数 \(\upmu\) 秒程度であることを考慮すると、電子ビームパルスの持続時間は 40 \(\upmu\) 秒で、パルス間の期間は数十です。 ms の場合、SEE と電子の散乱によって引き起こされる電荷変化は、微粒子が下部電極上の浮遊高さを変更しないように、プラズマ電流によって設定される平衡値に急速に回復します21。しかし、プラズマ中に浮遊する直径 \(\lesssim\) 2 ～ 3 \(\upmu\)m の小さな塵粒子との電子ビームの相互作用を研究することは興味深いことです。この場合、SEE は粒子の帯電プロセスにおいてより重要な役割を果たすことができます。同時に、ビームからの高エネルギー電子が反対側から出てくる塵粒子を通過すると予想されます。

ここでは、ピーク電流が 30 mA のより強力な電子ビームが、図 9 に示すように PC のセクション全体にわたってはるかに長い層状ダスト流を誘発できることを実証します。ビーム内の電子は 13 kV で加速されました。パルス周波数は９３Ｈｚであった。準 2D 結晶の上面図を図 9a に示します。結晶は、観察に影響を及ぼさなかった、最上層の下にランダムに捕捉された少数の塵粒子を除いて、２Ｄ（すなわち、塵粒子の単層を有する）であった。直径 \(11.8~\upmu\)m の MF 製ダスト粒子を使用しました。図9bに示すように、照射軸の両側に2つの大きな対称渦が形成されており、基本的に結晶を2つに分割していることがわかります。粒子画像流速測定 (PIV) によって得られる画像は流れの方向を示し、流線は取り込まれたダスト粒子の閉じた軌道を示します。ダスト流の最高速度は電子ビーム方向に沿って測定され、5.8 mms\(^{-1}\)に達しました。我々は、速度や構造などのダストの流れの特性が電子ビームのパラメータ（電流、加速電圧、幅と方向）に依存することを発見しました。

私たちの実験プラットフォームは、電子ビームパラメータを調整できる一方で、PC のプロパティを変更できるという意味で多用途です。電子ビームの電流、そのエネルギー、さらにはその断面積さえも調整できます（たとえば、PC チャンバー内の電子ビームの入口穴を変えることによって）。また、結晶が存在するプラズマシースの内部の電場プロファイルとともに、プラズマの電子密度と中性ガス密度を変更することもできます。さらに、さまざまな質量密度（さまざまな材料によって与えられる）と単分散または多分散サイズを持つさまざまな種類のダスト粒子を常に使用できます。

PC は、ガス圧力の低下などの外部制約の作用下で固体状から液体状の状態へ相転移することがあり、中性ガスとの摩擦が減少します53。融解プロセス中、クーロン結合パラメータ \(\Gamma\) は、強結合結晶の \(\Gamma \sim 10^3\) から、融解した結晶の \(\Gamma \lesssim\) 100 ～ 200 まで減少します。私たちの場合、電子ビームが照射されると結晶が局所的に溶ける可能性があります。帯電したダスト流体は非ニュートン流体であり、特に低いせん断速度でせん断減粘を特徴とし、その粘度は \(\Gamma\) で大きく変化することが実証されています54。異なる空間スケールおよび広範囲の渦度で複数の渦の形成を観察すると、低い電子ビーム電流、たとえば 4 mA で低いせん断速度を達成できます20。帯電ダスト流の粘度を調整するということは、そのレイノルズ数を変更できることを意味します。これは、当社のプラットフォームの重要な資産の 1 つです。これにより、帯電した粉塵流体を用いた実験における乱流の始まりを研究するために直接アクセスできますが、乱流はもちろん多くのパラメーターの影響を受けます。

帯電ダスト流は粘弾性流体として挙動し、小さなスケール長（粒子間距離程度、つまり数百ミクロン）では弾性特性がより顕著になり、大きなスケールではより粘性特性が高くなります55。粘弾性流体の乱流は、ニュートン数よりもはるかに低いレイノルズ数で発生することが示されています 56。これは、直径 11.8 \(\upmu\)m の単分散荷電ダスト粒子で構成され、数ワットの RF 電力および 84 mtorr 中性点で 4 mA および 13 keV の電子ビームによって押し出されたダスト流の場合です。ガス圧力: レイノルズ数は \(\textrm{Re}\simeq 50\)20 です。この塵の流れは、\(\約 -10...10\) s\(^{-1}\) の範囲の大きな渦度の渦を特徴とする乱流であり、その長さに沿って常に生成および消散します。結晶面内、流れ軸に沿った、特定の瞬間における PIV によって取得された 2D 速度ベクトルを使用した、流れのスペクトル乱流エネルギーの解析が図 10 に示されています。スペクトルは、傾き \(-5/3\)57 のコルモゴロフべき乗則によく適合する慣性範囲を特徴としています。

(a) 大型擬似 2D PC の上面図 (b) 照射方向に対して対称な 2 つの渦を形成する電子ビーム誘起ダスト流の PIV 画像。流線は流れの形状を示し、流速はカラーバーから推測されます (ダスト流の渦を含む補足ムービーファイルを参照)。

擬似 2D プラズマ結晶内で電子ビームによって誘発されたダスト流の乱流エネルギースペクトル。破線は、理論上の慣性範囲の \(-\frac{5}{3}\) の傾きを示しています (乱流のダスト流を含む補足のムービーファイルを参照)。

以前に提示された実験と同様のダスト粒子で作られた疑似 2D 結晶に、参考文献 30 に提示されたのと同様の方法で、結晶の中心に対してわずかに位置をずらして電子ビームを照射しました。したがって、結晶の側面は他の部分よりも電子ビームにさらされ、端に位置する照射された塵粒子に電子ビームが衝突します。ここで、電子ビームは 14 kV で加速され、ビーム電流は 4.5 mA、周波数は 46 Hz でした。 RFシース電位によって閉じ込められたダスト粒子は、その強い結合力によって保持され、PC全体に作用するトルクが発生します。最終的な結果は、図 11 に示すように、電子ビームの方向に結晶が回転しました。PC の上面図を図 11a に示します。照射された結晶を構成するダスト粒子の軌道は、専用ソフトウェアパッケージで利用可能な粒子追跡速度測定（PTV）技術を使用することによって得られた図11bに示されています58、59。集中リングは、集中リング間の交差線によって描写されるいくつかのジャンプを除いて、結晶の構造が広く保存されていることを示しています。結晶の中心近くに位置するいくつかの塵粒子は、いくつかの離散的なジャンプと位置の交換をたどり、結晶の対称性を破壊することなく新しい位置でさらに回転しました。粒子の速度は、結晶中心に近い内部ダスト粒子の \(\約 0.2\) mm\(\textrm{s}^{-1}\) から \(\約 0.6\) mm\(\ textrm{s}^{-1}\) エッジダストパーティクル用。粒子間の平均距離は 0.52 mm で、回転角速度 \(0.25\pm 0.05\) rad\(\textrm{s}^{-1}\) となりました。

(a) 擬似 2 次元 PC の上面図。(b) 電子ビームによるプラズマ結晶の回転と、PTV 技術を使用して得られたダスト粒子の軌道。各塵粒子の軌道は異なる色を持っています (結晶の回転を含む補足ムービーファイルを参照してください)。

私たちは、電子ビームとプラズマ中に浮遊する強く結合した塵粒子との相互作用を研究することに特化した新しい実験室プラットフォームの主な機能を紹介しました。このプラットフォームは、ペニング放電からの自由電子の抽出、その後の約 10 kV での加速、これらの電子の電子ビームへの平行化、RF で形成された PC の照射など、いくつかの要素を単一の方法で組み合わせています。放電。私たちは、電子ビームによって塵粒子に加えられる抗力の結果として PC 内で塵流渦が形成されることに関するいくつかの新しい結果を提示することにより、プラットフォームの機能を実証しました。また、円形の電子ビームへの不均一な照射により、側面のダスト粒子をより速く押すトルクが発生し、PC が回転することも実証しました。このプラットフォームは、荷電クーロン結合流れの独特の動的特性、層流状態から乱流状態への移行、およびダスト渦の形成を研究するのに特に適しています。ほんの数個の塵粒子が、塵の流速を超える異常な突然の高速加速など、他の新しい現象も研究される予定です。これは電子ビームによる塵粒子の余分な帯電に関連している可能性が最も高いです。照射されたダストクラスターのクーロン爆発。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。このファイルには 3 つのビデオファイルが含まれています。1 つは回転プラズマ結晶、2 つ目はダスト流内に形成された二重渦、3 つ目は乱流ダストを示しています。流れ。

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著者らは、契約 PN LAPLAS VI、VII 16N、30 N (2018-2023) による研究、イノベーション、デジタル化省からの支援を認めます。

国立レーザー・プラズマ・放射線物理研究所、077125、ブカレスト、ルーマニア

D. ティコシュ、E. コンスタンティン、ML ミトゥ、A. スクルトゥ、CM ティコシュ

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DT と CMT がプラットフォームを考案し、DT、EC がセットアップを構築し、DT、EC、MLM、AS、CMT が実験を実施してデータを分析しました。 CMT と DT が原稿を書きました。著者全員が原稿をレビューしました。

CM ティコシュへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Ticoş, D.、Constantin, E.、Mitu, ML 他。 10 keV の電子ビームが照射されたプラズマ結晶内でのダストの回転流を研究するための実験用プラットフォーム。 Sci Rep 13、940 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-28152-8

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受信日: 2022 年 8 月 25 日

受理日: 2023 年 1 月 13 日

公開日: 2023 年 1 月 18 日

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