10keV 전자빔이 조사된 플라즈마 결정 내 회전 먼지 흐름을 연구하기 위한 실험실 플랫폼

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 940(2023) 이 기사 인용

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약 10keV의 에너지와 수십 밀리암페어의 전류를 갖는 전자빔(e-빔)을 플라즈마 결정(PC)에 조사하기 위한 새로운 실험실 플랫폼이 설계 및 구축되었습니다. 수 밀리미터 크기의 지점으로 시준된 펄스 전자빔은 무선 주파수(RF) 플라즈마에 공중에 떠 있는 먼지 입자로 만들어진 결정을 겨냥합니다. 플랫폼은 인라인으로 연결된 3개의 진공 챔버로 구성되며, 각각은 서로 다른 유틸리티를 갖습니다. 하나는 펄스형 중공 양극 페닝 방전에서 자유 전자를 생성하기 위한 것이고, 다른 하나는 \(\sim 10\) kV에서 전자 추출 및 가속을 위한 것입니다. 한 쌍의 원형 코일의 자기장에 전자빔의 초점을 맞추고 마지막 코일은 RF 구동 전극 위에 PC를 생산하는 것입니다. 주요 과제는 전자빔이 고진공(\(\lesssim 10^{-4}\) Torr)에서 형성되는 반면 PC는 적절한 가스 압력을 보장하여 안정적인 전자빔과 PC를 모두 얻는 것입니다. 훨씬 더 높은 압력(\(\gtrsim 10^{-1}\) Torr)에서 생산됩니다. 주요 진단에는 고속 카메라, 패러데이 컵 및 Langmuir 프로브가 포함됩니다. 강하게 결합된 먼지 입자에 작용하는 e-빔의 항력에 의한 한 쌍의 먼지 흐름 와류 생성 및 PC 회전과 관련된 두 가지 응용 프로그램이 제시됩니다. 먼지 흐름은 다양한 공간 규모의 소용돌이를 특징으로 하는 에너지 스펙트럼에서 알 수 있듯이 난류가 될 수 있습니다.

플라즈마 결정(PC)은 수평 및 수직 평면 모두에 주기적으로 배치된 저온 플라즈마에 담긴 전하를 띤 미세 입자(또는 먼지)의 집합체입니다1,2,3,4,5. 일반적인 실험실 설정에서 먼지 입자는 수평 전극의 플라즈마 덮개에서 공중에 떠오릅니다. 여기서 먼지 입자에 작용하는 전기력은 덮개 필드에 비례하고 중력에 반대됩니다. 그러나 척력으로 차단된 쿨롱 먼지-먼지 힘, 가스의 마찰력(또는 중성 원자에 의해 가해지는 항력), 이온 항력 및 먼지 입자를 함께 유지하는 구속력이 모두 결합되면 안정적인 플라즈마 결정이 얻어집니다. 평형6,7. 먼지 입자는 음전하를 띠고 플라즈마 Debye 길이 정도의 거리에 서로 위치하기 때문에 강하게 결합됩니다8.

플라즈마 결정은 전기장과 자기장9,10,11,12, 원심력13, 플라즈마 제트14, 레이저 빔15,16,17, 주입된 하전 입자 빔18,19,20,21 또는 그 조합에 의해 생성된 것과 같은 외부 힘의 영향을 받을 수 있습니다. 이러한 힘 중 일부(예: 레이저 및 자기장22). 이 모든 경우에 결정 내의 먼지 입자의 복잡한 역학은 먼지 음향 또는 세로 먼지 격자파23, 고체에서 액체로의 상 전이5,17,24, 전단 유도 먼지 흐름16과 같은 흥미로운 물리적 현상의 관찰로 이어집니다. 2차 방출25, 전계 방출26, 먼지 입자의 과충전, 먼지 소용돌이20 및 먼지 구조의 회전28,29,30.

이 연구에서 우리는 플라즈마에 담긴 강력하게 결합된 먼지 입자와 에너지 전자의 상호 작용을 연구할 수 있는 전자빔(e-빔)을 사용하여 PC에 대한 새로운 조사 기술을 제시합니다. 빔 내 전자의 가속 전압은 \(\sim 8\) ~ 14 kV 범위에서 달라질 수 있으며, 전자 소스(예: 중공 양극 페닝 방전)의 성능에 따라 설정된 획득 가능한 전자빔 전류는 다음과 같습니다. \(\sim\) 1~30mA 범위에 있습니다. 전자빔에는 직경이 수 mm인 원형 지점이 있습니다. e-빔의 전자 에너지는 먼지 결정이 존재하는 RF 플라즈마(몇 eV)에서 발생하는 전자의 열 에너지보다 4배 더 높습니다. RF 플라즈마에서 이러한 저온 플라즈마 전자에 의해 가해지는 먼지 입자에 대한 항력은 약하고 먼지 입자를 공중에 띄우는 전기력보다 훨씬 작으므로 무시할 수 있습니다31. 이와 대조적으로 \(\sim 10\) keV 수준의 에너지를 가진 전자빔은 먼지 입자를 밀어내고 최대 속도 \(\sim\) 1–10 mm s\(^{-)까지 가속할 수 있습니다. 1}\), 흥미로운 운동 효과를 유도합니다20,21.