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等离子体中灰尘颗粒带电和等离子体边缘电子损耗

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Dustparticlechargeinplasmawithionflowandelectrondepletionnearplasmaboundaries

AngelaDouglass,VictorLand,LorinMatthews,andTruellHydea)CenterforAstrophysics,SpacePhysics,andEngineeringResearch,BaylorUniversity,Waco,Texas76798-7310,USA

(Received9June2011;accepted21July2011;publishedonline19August2011)Thechargeonmicrometer-sizeddustparticlessuspendedinplasmaabovethepoweredelectrodeofradio-frequencydischargesisstudied.Usingaself-consistentfluidmodel,theplasmaprofilesabovetheelectrodearecalculatedandtheelectrondepletiontowardstheelectrode,aswellastheincreasingflowspeedofionstowardtheelectrodeareconsideredinthecalculationofthedustparticlefloatingpotential.Theresultsarecomparedwiththosereportedinliteratureandtheimportanceofthespatialdustchargevariationisinvestigated.VC2011AmericanInstituteofPhysics.[doi:10.1063/1.3624552]

I.INTRODUCTIONDusty,complex,orcolloidalplasmaphysicsispartofthefieldofsoftcondensedmatter,similartogranularmate-rialphysicsandthephysicsofcolloidalsuspensions.1,2In

dustyplasmaexperiments,smallparticles,typicallymicro-meter-sized,areimmersedinplasma.Duetothecollectionofelectronsandionsfromtheplasma,theparticlesobtainalargenegativecharge.Asaresult,theycanbemanipulatedwithelectricfieldsandexhibitinter-particleinteractions.Duetothelargedustparticleinertia,dustyplasmasystemsallowthestudyofsolidstatephenomena,fluiddynamics,turbulenceandmuchmore,onlength-andtimescalesacces-siblewithordinaryopticaltechniques.3,4

Inlaboratorydustyplasmaexperiments,thestrongelec-tricfieldpresentinfrontofthepoweredelectrodeallowsthedustparticlestobelevitatedagainsttheforceofgravity.Theoretically,thechargingofmicro-particlesinplasmaisdescribedbyorbitalmotionlimitedtheory(OML)5andthe

electricfieldinwhichtheparticlesaresuspendedisusuallyassumedtovarylinearlywiththeheightabovetheelec-trode.6Manyexperimentalstudieshavebeenperformedto

determinetheparticlecharge,mostofwhichdependonper-turbingtheplasmaparametersorperturbingthedustpar-ticlesintheplasma,sinceprobemeasurementsindustyplasmasystemsarenotreliable.7–9

Tworecentexperiments,however,wereperformedtomeasuredustparticlechargewithoutperturbingtheplasmaparameters.Bothexperimentswereperformedinradio-fre-quency(RF)plasmadischargesandusedonlyafewdustpar-ticlestoactastracerparticleswithintheplasma.Thefirstemployedarotatingelectrode,causingrotationofthesus-pendedparticlesduetorotationalflowoftheneutralgas.10

Multipleparticlesizeswereusedtoprobedifferentpositionswithinthedischarge.ThisexperimentconcludedthatthedustchargebecomesmorenegativethanpredictedbyOMLtheoryastheparticlesmoveclosertotheelectrodesurface.

Thesecondinvolvedplacementoftheentiredischargecellontoacentrifuge,allowingtheeffectivegravitationalforcetobeenhancedandtheparticlestobepushedclosertotheelectrodesurface.11Thisexperimentconcludedthatthedust

chargebecomeslessnegativeastheparticlesmoveclosertotheelectrodesurface.Notonlydotheresultsfromtheseexperimentsseemtocontradicteachother,theyalsobringtheusualassumptionsaboutdustparticlechargingandlevi-tationindustyplasmaexperimentsintoquestion.Wewillpresentaself-consistentfluidmodel12whichshowsthatthe

twoaboveresultsareinfactconsistentwithoneanother.Thismodelallowsustocomputethedustpotentialand,inturn,thedustchargeasafunctionofheightaboveapoweredelectrodebytakingtheeffectsofionflowandelectrondepletionduetotheplasmaboundaryintoaccount.

II.DUSTCHARGINGINCLUDINGIONFLOWANDELECTRONDEPLETIONNEARAPLASMABOUNDARY

Adustparticleinplasmacollectsionsandelectrons,which,fortypicallaboratorysettings,isthedominantcharg-ingprocess.13Theparticlewillreachitsequilibriumchargewhenthecollectedplasmacurrentscancel

IeþXiIi¼0;(1)

wherethesubscriptedenoteselectronsandidenotesthedif-ferentionspecies.Inthispaper,weconsiderionizedargonastheonlyionspecies.Thesecurrentscanbecalculatedbyintegratingoverthevelocitydistributionoftheplasmaspecies,fe,i(ve,i),including

thecrosssectionforcaptureoftheplasmaparticlebythechargeddustparticle,re,i(ve,i),whichiscalculatedusingOMLtheory5

Ie;i¼Çeðve;ife;iðve;iÞre;iðve;iÞd3ve;i:(2)Intheplasmaabovetheelectrodewherethedustislevi-tated(usuallyassumedtobethesheathregion),theelectrona)

Electronicmail:Truell_Hyde@baylor.edu.

1070-664X/2011/18(8)/083706/6/$30.00VC2011AmericanInstituteofPhysics18,083706-1

PHYSICSOFPLASMAS18,083706(2011)Downloaded 22 Aug 2011 to 129.62.200.177. Redistribution subject to AIP license or copyright; see http://pop.aip.org/about/rights_and_permissions

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空间等离子体环境效应

空间等离子体环境效应


电离层等离子体也受太阳活动影响很大。
发生太阳耀斑时，日冕辐射出大量X射线、 紫外线和高能粒子与高层残余大气发生 相互作用，造成电离层电离度增加，电 离层结构破坏，使电离层呈混乱状态， 层次不清，造成短波通信受到严重破坏 甚至中断，这种现象叫做电离层暴。
三、航天器带电
带电是造成航天器在轨故障与失效的重
二、空间等离子体环境
1、 空间等离子体的形成 太阳和恒星都是热的几乎全部是电离的，星际
空间由于恒星辐射的作用，也是电离的，地球 上空从60km开始，残余大气也开始电离，这就 意味着宇宙空间充满了等离子体。在太阳系， 空间等离子体的形成主要来源于太阳。太阳是 影响日地空间的电磁辐射和粒子辐射的来源。 太阳的活动性改变了太阳的辐射和粒子输出， 造成日地空间等离子体环境的相应变化。
2.2 磁层等离子体： 一般认为在距地球表面1000km以上到磁层边界，
残余大气基本是完全电离的，带电粒子运动基 本上受地磁场控制，因此称为磁层。磁层是地 球控制的最外层区域，它直接与太阳风、行星 际磁场接触。磁层边界是太阳风与地磁场相互 作用形成的。当太阳风与地磁场相遇时，由于 太阳风电导率很高，不能穿透地磁场，从地磁 场边界周围扫过，使地球外层空间的磁场受太 阳风的压缩而变形。地磁场与太阳风之间的边 界形式由两者间的压力平衡决定。
等离子体环境与航天器带电一、等离子概述 1、等离子体的定义
等离子体是由带电粒子组成（也可包括
部分中性粒子），在电磁力作用下表现 出集体行为的一种准中性物质，被称为 物质的第四态。
按聚集态形式划分，物质有四种形态： 固态：粒子间的结合最紧密，粒子被结合力
（离子键、共价键、分子键、金属键）规则地 聚集在一起，形成空间点阵。粒子被束缚在固 定位置，不能随便移动。 液态：物质从外界获得的能量超过固态物质空 间点阵的结合能，空间点阵结构被破坏，粒子 仅在很小范围内、短暂时间中排列保持一定规 则性，叫做近程有序，粒子具有流动性。
带电微粒在等离子体中的传输特性

带电微粒在等离子体中的传输特性

带电微粒在等离子体中的传输特性等离子体是一种存在于高温、高压、高能射线环境下的物质状态。

在等离子体中存在着大量离子、电子和微粒，这些离子和电子的运动产生了电磁场，同时微粒会受到电场和磁场力的影响而发生运动。

带电微粒的传输特性是等离子体研究中的重要问题之一。

带电微粒在等离子体中的运动和输运过程对等离子体的性质、能量传递和热力学平衡等方面都具有重要的作用。

带电微粒受电场力和磁场力的影响而发生运动，其中电场力是指电场作用下对带电微粒的力，磁场力是指磁场作用下对带电微粒的力。

如果只有电场作用而没有磁场作用，带电微粒在电场力的作用下会受到电场力线的影响而发生漂移运动，即沿着电场力线方向匀速移动。

而在等离子体中，磁场力也是存在的，因此带电微粒受到电场力和磁场力的共同作用，使得它在等离子体中的运动变得更加复杂。

在强磁场和弱电场的情况下，带电微粒在等离子体中的运动可以分为两个方向：感应电场方向和磁场力方向。

在磁场力方向上，带电微粒沿着磁场力线方向旋转。

在感应电场方向上，带电微粒沿着电场力线方向漂移。

在弁场和弁场同时存在的情况下，带电微粒的漂移速度和旋转速度之间的相对大小会决定它的运动轨迹。

当漂移速度强于旋转速度时，带电微粒沿着电场力线方向移动，当旋转速度强于漂移速度时，带电微粒则沿着磁场力线方向进行旋转。

当带电微粒在等离子体中的运动速度达到等离子体粒子的速度时，它们之间就会发生碰撞，产生能量交换。

带电微粒与等离子体粒子之间发生的能量交换是等离子体传输过程中的一种重要现象。

带电微粒对等离子体的传输特性影响很大。

在等离子体传输过程中，带电微粒可以传输能量、动量和电荷等。

在等离子体的电磁场中，带电微粒产生的扰动会对等离子体的传输和储能等方面产生影响。

因此，带电微粒的传输特性对等离子体的理论和应用具有重要的意义。

为了更深入地了解带电微粒在等离子体中的传输特性，需要进一步进行基础研究，同时结合实验和仿真等方法，深入探究其运动轨迹和输运机制，以期为等离子体应用和理论研究提供参考和启示。

空间环境第四章

空间环境第四章

第四章空间等离子体在地球空间环境中，能量低于100keV（千电子伏）的带电粒子构成空间等离子体。

因其相对于宇宙线和地球辐射带的粒子（通称为高能粒子）能量要低，故有时又称为低能粒子。

它不仅受空间磁场（参见第3章）控制，还受空间电场（参见第3章）支配。

按其能量或温度的不同，又可分为高温等离子体（≥10eV）和冷等离子体（<10eV）两类。

空间等离子体是航天环境的重要组成部分，它几乎充满着整个日地空间，其主要分区如图4.1所示。

图4.1 近地空间等离子体主要分区。

空间等离子体环境是等离子体研究的最理想的天然实验室。

空间等离子体环境对人类活动有着重要的影响。

它对运行其中的航天器系统的主要影响有：1) 高温等离子体引起航天器的高充电／放电，可引起航天器系统工作异常；2) 高密度冷等离子体（电离层等离子体）引起高电压太阳阵电流泄漏及弧光放电造成电源功率损耗，影响电源效率；3) 引起大的高电压系统的重要的离子曳力而影响轨道正常运行；4) 引起传播效应，影响通信及测控等系统的正常工作。

为了人类活动需要和确保航天器系统的安全、有效，必须对空间等离子体环境及其与航天器的相互作用进行研究，给出预报。

空间等离子体环境已是构成航天器充电设计指南或标准的必不可少的重要内容，它是人类航天活动所需要的重要环境。

在研究方法上，有宏观的磁流体力学方法和微观动力论方法两类，具体研究方法的选用取决放研究对象的时间与空间尺度。

由于空间等离子体涉及能量、密度、分布的不同，所处不同区域其它空间环境因素（如电场、磁场、中性粒子、性状等）亦不一样，它涉及很多复杂的运动学及动力学过程，我们只从掌握背景情况的角度出发，给出简况介绍并辅以必要的图表示例。

§4.1 基本的等离子体特征参数和几个重要现象§4.1.1 德拜长度与准中性等离子体中一个带电粒子在周围产生的电位，由放有其它带电粒子影响，不是点电荷的库仑中位，而是德拜电位： 2/12/⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=-e n T r e CONST V e e D r DκλλλD 就是德拜长度（Debye length ），是德拜电位被屏蔽的距离，也称德拜半径。

分析等离子体中的粒子输运和等离子体激发

分析等离子体中的粒子输运和等离子体激发

分析等离子体中的粒子输运和等离子体激发1. 等离子体的基本概念和特性等离子体是第四态物质，由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成，整体呈电中性。

等离子体是自然界中最常见的物质状态之一，存在于太阳、星际空间、地球磁层等地方。

在实验室中，通过高温、高压或强电场等方式也可以产生等离子体。

在等离子体中，粒子之间存在着复杂的相互作用和输运过程。

2. 等离子体粒子输运过程粒子输运是指在等离子体中粒子的运动和传输过程。

主要包括扩散、对流和漂移三种方式。

2.1 扩散扩散是指粒子由于热运动而发生的无序传输过程。

在扩散过程中，粒子会从高浓度区域自发地向低浓度区域传播。

扩散系数是衡量扩散速率的重要参数，它与温度、压强和种类有关。

2.2 对流对流是指由于外部力场作用下引起粒子流动的过程。

外部力场可以是温度梯度、电场或磁场等。

对流可以加速粒子的输运速度，并对等离子体的性质产生重要影响。

2.3 漂移漂移是指粒子在电场或磁场作用下发生的有序运动。

在等离子体中，电场漂移和磁场漂移是主要的漂移方式。

电场漂移是指粒子在非均匀电场中受到力的作用而发生的运动，而磁场漂移则是由于粒子带有电荷而受到磁力作用而发生的运动。

3. 等离子体激发和能量交换过程等离子体激发是指外部能量输入导致等离子体中能级分布产生变化，并引起粒子之间能量交换和转化过程。

3.1 碰撞激发碰撞激发是指由于碰撞引起粒子能级变化的过程。

在等离子体中，带正电荷的离子和带负电荷的电子之间会进行碰撞，从而导致能级分布产生变化。

碰撞激发对于等离子体中物理过程和性质具有重要影响。

3.2 电子碰撞激发电子碰撞激发是指电子与离子碰撞后引起能级变化的过程。

在等离子体中，电子与离子的碰撞是主要的能量交换方式，从而导致等离子体中能级分布的变化。

3.3 辐射激发辐射激发是指由于等离子体中粒子之间相互作用而引起辐射能量释放的过程。

在等离子体中，粒子之间相互作用会导致能级分布的变化，从而引起辐射过程。