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

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

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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。