بخشی از مقاله
چکیده
در این کار، ساختار غلاف پلاسماي غباري در حضور میدان مغناطیسی مایل مورد مطالعه قرار می گیرد. براي شبیه سازي رفتار غلاف، یک مدل سه سیالی که شامل بیشتر نیروهاي اعمالی بر روي غبارها است استفاده می شود. بعلاوه، اثرات جذب ذرات پلاسما توسط ذرات غبار در معادلات سیالی پلاسما در نظر گرفته می شوند. بطور کلی، اثرات ناشی از تغییر شدت میدان مغناطیسی، فشار گاز، و اندازه گرادیان منفی دماي خنثی بر روي ساختار غلاف مورد بررسی قرار گرفته اند و نشان داده می شود که با افزایش شدت میدان مغناطیسی ضخامت غلاف بطور متناوب کاهش و افزایش می یابد. همچنین با افزایش فشار گاز خنثی و اندازه گرادیان منفی دماي الکترونی ضخامت غلاف افزایش می یابد.
مقدمه
مطالعه اثرات ذرات غبار روي مشخصه هاي غلاف پلاسمایی از اهمیت بالایی در صنعت، مانند رشد نانوساختارها بر روي زیرلایه ها با استفاده از پلاسما، پاکسازي اجسام پلیمري و تولید مدارات میکروالکترونی، و تحقیقات همجوشی دارد .[1] در پلاسماهاي از نظر گرمایی نامتعادل و کم دما، به دلیل بیشتر بودن دماي الکترون ها از دماهاي یونها و همچنین اختلاف جرم زیاد یون ها و الکترون ها، سرعت گرمایی الکترون ها بسیار بیشتر از سرعت گرمایی یون هاي می باشد. این اختلاف سرعت منجر به منفی شدن پتانسیل دیواره - در اثر جذب الکترون هاي گرم - و جدایی بار فضایی در ناحیه اي کوچک مقیاس در مجاورت دیواره محصور کننده پلاسما شبه خنثی و یا هر سطحی که درون پلاسما قرار داده می شود.
نیروي ناشی از میدان الکتریکی ایجاد شده در جهتی است که یون ها را به سمت دیواره سوق می دهد و الکترون هاي را از آن دور می کند. درنتیجه غلافی با بار خالص مثبت بین دیواره و پلاسماي شبه خنثی شکل می گیرد. به دلیل تفاوت اندازه هاي بخش اصلی پلاسما و غلاف، توابع توزیع ذرات در این دو ناحیه یکسان نیستند. بنابراین لازم است که این دو ناحیه بطور جداگانه اي مورد مطالعه قرار گیرنداخیراً. مطالعه ساختار غلاف مغناطیسی، بدون حضور ذرات غبار و با حضور ذرات غبار با در نظر گرفتن چند نیرو بر این ذرات، بصورت گسترده اي بوسیله شبیه سازي کامپیوتري مورد بررسی قرار گرفته است .[4-2] هدف اصلی از این کار در نظر گرفتن تمام نیروهاي مؤثر در حرکت ذرات غبار، برخوردهاي ممکن بین ذرات درون غلاف و همچنین نقش جذب الکترون ها و یون ها توسط ذرات غبار می باشد تا بتوان شرایط واقعی درون یک غلاف را بوسیله حل معادلات سیلالی شبیه سازي کرد.
معادلات غلاف و روش شبیه سازي
مدل شبیه سازي شده در شکل 1 نشان داده شده است، که بیانگر غلاف مغناطیسی است که بین یک دیواره بایاس شده با ولتاژ s و پلاسماي خنثی - - z 0 شکل می گیرد. راستاي میدان الکتریکی و و نیروي گرانش در راستاي عمود بر دیواره و به سمت آن می باشند و بردار میدان مغناطیسی در صفحه x, z است و نسبت به آنها زاویه دارد. غلاف در شرایط ایستا، مغناطیسی و متشکل از سه گونه الکترون ها، یون ها، و ذرات غبار در نظر گرفته می شود.
ذرات غبار را می توان بصورت کنترل شده به درون محیط پلاسما اضافه کرد و یا این ذرات در اثر تجمع ذرات کوچکتر درون محیط تولید می شوند. این ذرات به همراه ذرات پلاسما وارد غلاف شده و در آنجا تحت تاثیر نیروهاي مختلف به سمت دیواره سوق داده می شوند. براي شبیه سازي غلاف از معادلات چند سیالی حاکم بر تحول الکترون ها، یون ها، و ذرات غبار استفاده می کنیم. در معادلات مربوط به یون ها و الکترون ها اثرات یونیزاسیون و جذب بوسیله ذرات غبار و برخوردهاي آنها با ذرات خنثی و ذرات غبار را لحاظ کرده ایم. در محاسبه بار ذرات غبار از مدل برخوردي باردار شدن غبار [5] بهره گرفته می شود. این مدل بادار شدن غبار، افزایش جذب یون ها توسط غبار در فشارهاي بالا را شامل می شود و بار واقعی غبار را محاسبه می کند. فرم کلی معادلات سیالی حاکم بصورت زیر می باشد.
نتایج شبیه سازي
شکل 2 اثر افزایش شدت میدان مغناطیسی را بر روي ساختار غلاف نشان می دهد. همانطوري که از روي شکل آشکار است اندازه غلاف با افزایش شدت میدان رفتار غیرخطی را نشان می دهد. علت این رفتار، کم و زیاد شدن اندازه بار منفی ذرات غبار با افزایش شدت میدان مغناطیسی می باشد .[2] با افزایش شدت میدان چگالی یون ها و الکترون ها افزایش می یابد - شکل - - a - 2 ولی افزایش چگالی یونی بیشتر است در نتیجه یون هاي بیشتري جذب غبار می شوند و اندازه بار منفی غبارها کاهش می یابد.
با افزایش بیشتر شدت میدان، این بار چگالی الکترون ها بیشتر از چگالی یون ها افزایش یافته بنابراین اندازه بار منفی غبار بیشتر می شود. با توجه به اینکه در پلاسماي غباري، جداي از بار مثبت کل حاصل از توزیع یون ها و الکترون ها، بار کل ذرات غبار تعیین کننده اندازه غلاف - به عنوان ستونی از بار مثبت - می باشد. بنابراین کاهش اندازه بار منفی غبار منجر به تشکیل غلافی با ضخامت کمتر می شود و یا به عبارت دیگر، لایه اي کوچکتر از بار مثبت
پلاسما
لازم است تا اثر پتانسیل منفی دیواره را درون پلاسما شبه خنثی به صفر برساند - برقراري شرط پتانسیل صفر در مرز غلاف با پلاسما - . به همین صورت با افزایش اندازه بار منفی - غبار با بار منفی بزرگ - لایه اي بزرگتر از بار مثبت براي پرده پوشی - پرده پوشی دباي - اثر پتانسیل دیواره لازم است - غلاف بزرگ می شود - . با افزایش بیشتر شدت میدان این رفتار براي بار دیگر نیز تکرار می شکلشود - . - 2 با افزایش فشار گاز خنثی در دماي ثابت، چگالی ذرات خنثی افزایش می یابد.
