Лабораторная платформа для исследования вращательных пылевых потоков в плазменном кристалле, облученном электронным пучком с энергией 10 кэВ

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 940 (2023) Цитировать эту статью

863 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Разработана и изготовлена ​​новая лабораторная платформа для облучения плазменного кристалла (ПК) электронным пучком (электронным пучком) с энергией около 10 кэВ и током в десятки миллиампер. Импульсный электронный луч, коллимированный в пятно размером в несколько миллиметров, направлен на кристалл, состоящий из частиц пыли, левитирующих в радиочастотной (РЧ) плазме. Платформа состоит из трех вакуумных камер, соединенных в линию, каждая из которых имеет различное назначение: одна для генерации свободных электронов в импульсном разряде Пеннинга с полым анодом, другая для извлечения и ускорения электронов при \(\sim 10\) кВ и для фокусировка электронного луча в магнитном поле пары круглых катушек и последняя для изготовления ПК над электродом с радиочастотным управлением. Основная задача состоит в том, чтобы получить как стабильный электронный пучок, так и ПК, обеспечив соответствующие давления газа, учитывая, что электронный луч формируется в высоком вакууме (\(\lesssim 10^{-4}\) Торр), в то время как ПК производится при гораздо более высоких давлениях (\(\gtrsim 10^{-1}\) Торр). Основная диагностика включает в себя высокоскоростную камеру, чашку Фарадея и зонд Ленгмюра. Представлены два приложения, связанные с созданием пары вихрей пылевых потоков и вращением ПК силой сопротивления электронного луча, действующей на сильносвязанные пылевые частицы. Поток пыли может стать турбулентным, о чем свидетельствует энергетический спектр, в котором присутствуют вихри на разных космических масштабах.

Плазменные кристаллы (ПК) представляют собой совокупность заряженных микрочастиц (или пыли), погруженных в низкотемпературную плазму, периодически расположенных как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях1,2,3,4,5. В типичной лабораторной установке частицы пыли левитируют в плазменной оболочке горизонтального электрода, где действующая на них электрическая сила пропорциональна полю оболочки и противоположна силе гравитации. Однако стабильный плазменный кристалл получается, когда экранированные кулоновские силы пыли и пыли, сила трения газа (или сопротивление, оказываемое нейтральными атомами), сила ионного сопротивления и удерживающая сила, которая удерживает частицы пыли вместе, находятся в единстве. равновесие6,7. Поскольку пылевые частицы заряжены отрицательно и расположены друг от друга на расстояниях порядка дебаевской длины плазмы, они сильно связаны8.

Плазменный кристалл может подвергаться воздействию внешних сил, например, создаваемых электрическими и магнитными полями9,10,11,12, центробежными силами13, плазменными струями14, лазерными лучами15,16,17, пучками инжектированных заряженных частиц18,19,20,21 или их комбинациями. некоторых из этих сил, например, лазера и магнитного поля22. Во всех этих случаях сложная динамика пылевых частиц внутри кристалла приводит к наблюдению интересных физических явлений, таких как пылевые акустические или продольные волны пылевой решетки23, фазовые переходы из твердого тела в жидкость5,17,24, пылевые потоки, вызванные сдвигом16, вторичная эмиссия25, автоэмиссия26, перезарядка пылевых частиц18,19,27, пылевые вихри20 и вращение пылевой структуры28,29,30.

В данной работе мы представляем новый метод облучения ПК электронным пучком (электронным пучком), который позволяет исследовать взаимодействие энергичных электронов с сильносвязанными пылевыми частицами, погруженными в плазму. Ускоряющее напряжение электронов в пучке можно изменять в диапазоне от \(\sim 8\) до 14 кВ, а получаемый ток электронного пучка, определяемый характеристиками источника электронов (т.е. пеннинговского разряда с полым анодом), составляет в диапазоне \(\sim\) 1–30 мА. Электронный луч имеет круглое пятно диаметром несколько мм. Энергия электронов электронного пучка на 4 порядка превышает тепловую энергию электронов, возникающих в радиочастотной плазме (которая составляет несколько эВ), где находится пылевой кристалл. В радиочастотной плазме сила сопротивления пылинки, оказываемая этими низкотемпературными электронами плазмы, слаба, намного меньше электрической силы, которая поднимает частицу пыли в воздух, и поэтому ею можно пренебречь31. Напротив, электронный луч с энергией на уровне \(\sim 10\) кэВ может толкать частицы пыли и ускорять их до больших предельных скоростей \(\sim\) 1–10 мм с\(^{- 1}\), вызывая интересные кинетические эффекты20,21.