尘埃等离子体

1    引言
       近年来人们对等离子体的研究越来越深入，等离子的组成是由原子及正负电子组成，原子是被剥夺了一部分电子的原子，这些正负电子也是因为原子被电离而产生的，也可以认为是气体被激发电离，达到一定的电离程度，气体就能够导电，而被电离的气体中每一个带电的粒子发生的运动都受到其他带电粒子的影响，同时它的运动也会牵动其周边的带电粒子。电离气体内的正电荷数和负电荷数一样多,呈现出电中性，这种气体状态我们称其为等离子体态.它是液态、固态、气态外，物质存在的第四种状态。等离子体的分类方式有很多，从来源上可分为人工等离子体和自然界的天然等离子体两类；按物态可分为气体等离子体、液体等离子体和固体等离子体三类；按温度可分为高温等离子体和低温等离子体两类.其中高温等离子体中的粒子温度高达上千万乃至上亿度,这是为了使粒子有足够的能量相碰撞,达到核聚变反应；低温等离子体中的粒子温度也达上千乃至数万度,可使分子、原子离解、电离、化合等.因此,低温等离子体温度并不低,所谓低温,仅是相对高温等离子体的高温而言的.高温等离子体主要应用于能源领域的可控核聚变；低温等离子体则应用于科学技术和工业的许多领域.制备纳米材料的等离子体通常为低温等离子体,最高温度可达100000 K数量级,通常由气体放电产生.根据纳米材料形成过程中有无化学反应发生,纳米材料的制备可分为等离子体物理法和等离子体化学法两种.前者主要用于纯物质纳米材料的制备；后者主要用于化合物类纳米材料的制备.
       尘埃等离子体作为物理等离子体学科的一个分支近年来受到了越来越多人的关注。用等离子体的不稳定现象来解释天体的运动，在微电子产业中经常遇到尘埃颗粒造成的污染以及在制造业中大规模的集成电路广泛使用等离子体技术,如利用等离子体刻蚀、镀膜。这就进一步推动了人们对尘埃等离子体的关注和研究。
       尘埃等离子体广泛的存在于空间、实验室以及人们的日常生活中。它属于软物质里的一种，是性质比较特别的等离子体。 这种等离子体由电子、离子、中性气体以及带电微粒组成。这种微粒在等离子体中(通常)带负电，而且所带的电荷不是常数，是随着等离子体各种参数的变化而改变的。这种带电微粒的每一个粒子都能带很多的基本电荷，但它的荷质比却比离子小很多，所以带电颗粒与电子和离子的动力学行为完全不同。研究尘埃粒子的运动，除通常要考虑的电磁作用之外，还常常要考虑重力、热压力、离子风和中性粒子的拖曳力等.以上的这些尘埃粒子的特性使得尘埃等离子体的集体效应表现出一些“非常”特性。一是尘埃粒子产生的集体效应并非“短期”现象。也就是说尘埃粒子是一个非常有效的集体效应激发源，这是因为尘埃粒子产生的集体效应(如不稳定性等)对尘埃粒子本身的反作用非常小，它的作用决不只限于临近它的一些集体过程。另一个特点是强的非线性效应。微粒的尺寸也很小，最小的能到纳米量级、最大的可到几微米或几十微米最多到毫米量级，微粒的形状也是非常多变的，有时候是规则的,有时候是不规则的.颗粒的运动主要受电磁力的作用，除此之外还有重力。这样的特性让尘埃等离子体更加特别，会出现非常多的新的物理现象，这和含负离子的等离子体有很大的差异。尘埃等离子体还具有这电磁的特性，弱电离尘埃等离子体由分子、电子、离子和尘埃粒子组成；分子的浓度远大于其他粒子的浓度；电子与离子的浓度近似相等并远大于尘埃粒子的浓度；离子是一次电离的，忽略空间色散，将碰撞和充电作为影响其电磁特性的两个主要因素在考虑尘埃粒子充放电的情况下，尘埃粒子的半径及其浓度对尘埃等离子体的电导率有很大影响, 这对进一步分析和测量固体火箭喷焰对微波的严重衰减有重要的指导意义。就更加激发了人们的研究兴趣。
       尘埃等离子体的发展是从对天体的研究观测开始，等离子体学科刚刚开始发展的时候Langmuir等人观察到的固体表面的原子、分子获得动能从固体的表面溅射出来能吸附电子现象，便也有了对实验室里的尘埃等离子体的研究。1989年Sewlyn等人发现在微电子工业中遇到的颗粒污染的问题是由于放电过程结束后颗粒失去电场力的作用由于重力跌落在硅片上造成了污染。这个现象一经报道尘埃颗粒在等离子体材料处理方面和空间里的尘埃粒子有一样的特性，这俩个领域开始融合，尘埃等离子体物理的发展又前进了一步。1994年,实验中发现的尘埃等离子体晶体结构，是由我国X国立中央大学的伊林等人以及德国马普研究所的Morfill等人第一次实现的。这无非又一次丰富了尘埃等离子体物理学科的研究。紧接着，1995年尘埃等离子体波即在稳态等离子体中观测到的，由于尘埃粒子的运动而被激发的声波也就是尘埃声波，是XIowa大学的Barkan等人发现的。这一发现让人们对尘埃等离子体中的不稳定性以及它的整体波动性产生了极大的研究兴趣。以及这样的实验发现使得对二维状态下的尘埃晶体当中的尘埃粒子进行进一步的操作控制的研究成为热点。在尘埃声波中激发晶格让其波动和当波源的运动速度高于波速形成马赫锥现象，经常通过在电极上加一个扰动电压，让格点开始振动，由于粒子之间的相互作用力而形成可能是纵波也可能是横波的晶格波^[9].也可以利用在晶体表面下的导线上加一个负极电压脉冲的方法,在晶体表面中激起冲击波.我们发现尘埃粒子广泛的存在于微电子工业中，空间里，还有材料处理的过程中。而在磁约束聚变托卡马克装置的边缘区域发现的由于离子轰击而产生的尘埃微粒对等离子体的输运也有很大的影响。以及目前人们对尘埃等离子体的理论研究和实验研究上升到了微重力的条件下，人们也期待在没有重力影响的国际空间站中对尘埃等离子体的实验有更近一步的发现。前人所作出的成就更加激励我们利用现在已经有的条件，不断的创新，不断的探索，发扬科学精神，在尘埃等离子体物理领域作出突出的成就。

       我们的这次实验主要研究了尘埃颗粒在等离子体的环境中发生的整流输运。我们前面介绍了等离子体，尘埃等离子体的组成，性质以及获得的科学成就。那么什么是尘埃颗粒？尘埃颗粒在自然界中随处可见。各种各样的尘埃颗粒分布在太阳系中，如在陨石中的微粒、存在于空间里的一些物质的碎片等。尘埃粒子也存在于星际云中，在星际云中以电介质或者是类金属的物质存在，比如冰粒，硅粒或者是石墨等。电子科学实验装置中的尘埃颗粒来自充入的气体或者是实验装置中的电极或者是电介质的器壁。而尘埃等离子体是一个体系，这个体系包含了电子、离子和中性原子组成的等离子体和“浸”在其中的尘埃颗粒。如今的科学研究逐渐转向对等离子体中的尘埃颗粒的研究。如在微电子工业中利用尘埃颗粒的性质在等离子体的环境中完成刻蚀及溅射镀膜技术；由于尘埃粒子带电以及其浓度和半径的大小对电磁波的衰减程度不同，对电磁波的传播造成的影响也是人们研究的一个方向；这些研究的结果都具有十分有价值的作用，被人们应运在不同的领域。如计算Debye散射场的无旋分量及由它引起的电磁波的能量损耗，是源自于尘埃颗粒在等离子体中对电磁波的吸收作用；而在气体放电的实验中，我们发现的尘埃晶格的产生以及受外磁场力尘埃晶格发生旋转，尘埃空洞的形成这些现象都是由于尘埃粒子的存在所产生的。这些都可能在以后的研究中开辟出新的道路。
       随着尘埃颗粒在等离子体环境中的性质和特性越来越受到关注，本次论文的实验对象就是等离子体中的尘埃颗粒。我们想进一步探究尘埃颗粒在等离子体的环境中是否能发生整流运动，如果可以发生那么我们通过什么方法改变它的运动方向？而对使它发生定向整流运动的原因是什么我们也做了进一步的探究。通过设计实验，对实验过程的细致观察和记录以及对结果的分析，我们得出了满意的结论。