Способ ускорения микро- и наноразмерных заряженных пылевых частиц в послесвечении газоразрядной плазмы

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ УСКОРЕНИЯ МИКРО- И НАНОРАЗМЕРНЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ПОСЛЕСВЕЧЕНИИ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Могилевский государственный университет имени А.А.Кулешова(72) Авторы Филатова Ирина Ивановна Трухачв Федор Михайлович Ажаронок Виктор Васильевич Чубрик Николай Иванович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Могилевский государственный университет имени А.А.Кулешова(57) Способ ускорения микро- и наноразмерных заряженных пылевых частиц в послесвечении газоразрядной плазмы, в котором получают пылевую плазму, содержащую указанные частицы заданного химического состава в качестве пылевой компоненты, а затем максимально быстро отключают поддерживающий плазму разряд с одновременным воздействием на пылевые частицы, сохранившие при распаде плазмы остаточные электрические заряды, внешним электрическим полем заданной полярности. Изобретение относится к способам ускорения микро- и наноразмерных частиц с применением пылевой плазмы и может быть использовано для получения микро- и наноструктурных покрытий, очистки плазменных реакторов, сепарации частиц по размерам и зарядам, создания новых систем лазерной печати и др. 17727 1 2013.12.30 Как известно, твердые частицы микронного и субмикронного размеров приобретают в плазме отрицательный заряд величиной 100- 10000 е (1,610-19 Кл - элементарный заряд), обусловленный столкновениями с электронами плазмы, имеющими большую подвижность, чем ионы 1. Величина заряда зависит от параметров плазмы и размеров частиц. Свойство пылевых частиц сохранять электрический заряд в распадающейся плазме 2, 3 открывает новые перспективы для развития нанотехнологий благодаря возможности управления движением наноразмерных частиц в послеразрядный период под действием внешних электрических полей. Рассмотрим известные способы ускорения заряженных нано- и микрочастиц с использованием плазменных технологий. Известен способ получения потока пылевых частиц путем наложения на пылевую плазму внешних электрических и магнитных полей 4. Электрическое поле используется для ускорения частиц, магнитное - для удержания плазмы. Величина и конфигурация магнитного поля подбираются таким образом, чтобы электроны и ионы плазмы были замагничены и не могли покинуть разрядную камеру. Тяжелые пылевые частицы слабо задерживаются магнитным полем и, ускоряясь под действием внешнего электрического поля, покидают плазменный объем. Способ имеет ряд недостатков. Во-первых, ускоряющее электрическое поле прикладывается к плазме, что приводит к необходимости учета следующих нежелательных факторов экранировка электрического поля плазмой, снижающая эффективность ускорения частиц, и влияние прикладываемого электрического поля на параметры плазмы, уменьшающее диапазон энергий ускоренных частиц. Во-вторых, в магнитном поле происходит сепарация частиц по скоростям, зарядам и массам, что может быть нежелательно при создании композиционных покрытий со сложной структурой. В-третьих, для реализации упомянутого способа требуется использование магнитных систем и соответствующих устройств экранировки электрооборудования и персонала. Задачей заявленного изобретения является создание способа ускорения во внешнем электрическом поле микро- и наноразмерных частиц, присутствующих в качестве пылевой компоненты в распадающейся пылевой плазме и сохраняющих при определенных условиях остаточный электрический заряд в течение нескольких секунд после ее распада. Для выполнения поставленной задачи предложен способ ускорения микро- и наноразмерных заряженных пылевых частиц в послесвечении газоразрядной плазмы, в котором получают пылевую плазму, содержащую указанные частицы заданного химического состава в качестве пылевой компоненты, а затем максимально быстро отключают поддерживающий плазму разряд с одновременным воздействием на пылевые частицы, сохранившие при распаде плазмы остаточные электрические заряды, внешним электрическим полем заданной полярности. Сущность изобретения заключается в следующем. Создают пылевую плазму, в которой микро- и наноразмерные пылевые частицы приобретают отрицательный заряд величиной от 100 до 10000 , частично сохраняющийся на уровне 1-10 после распада плазмы в результате резкого отключения источника питания,что позволяет ускорить частицы во внешнем электрическом поле, исключив явление плазменного экранирования. Важным преимуществом предлагаемого способа является разделение процессов зарядки частиц в плазме и их ускорения электрическим полем при отсутствии плазмы. В примере реализации способа использовался высокочастотный (ВЧ) емкостный разряд низкого давления. Принципиальная схема устройства для исследований параметров пылевой плазмы высокочастотного емкостного разряда приведена на фиг. 1, где 1 - вакуумная камера, 2 - верхний электрод, 3 - нижний электрод, 4 - кварцевые пластины, 5 - излучатель, 6 - высокочастотный генератор, 7 - индуктор, 8 - вольтметр, 9 -вольтметр, 10 проходной конденсатор, 11 - источник питания постоянного тока, 12 -электрический пе 2 17727 1 2013.12.30 реключатель, 2 - электрическая емкость между верхним и нижним электродами, 12 электрическая емкость между нижним электродом и землей. Разряд возбуждался на частоте 5,28 МГц между двумя охлаждаемыми алюминиевыми электродами диаметром 120 мм, расположенными в вакуумной камере 1 на расстоянии 21 мм друг от друга. В качестве плазмообразующего газа использовали атмосферный воздух при давлении 100 Па. Величину напряжения между верхним электродом 2 и землей контролировали с помощью статического вольтметра 8 марки 509, напряжение между нижним электродом 3 и землей измеряли с помощью вольтметра 9 марки 7-26. Удельный энерговклад в разряд составлял 0,5 Вт/см 3. В условиях эксперимента концентрация электронов, электронная и ионная температуры составляли соответственно 108 см 3,2 эВ и 0,03 эВ. Пылевые частицы из 23 (радиусом 100 и 250 нм) наносили перед откачкой вакуумной камеры 1 на расположенный на нижнем электроде 4 излучатель звуковых волн 5, используемый для инжекции частиц в плазменный объем. Для исключения термофоретической силы, возникающей при ненулевых градиентах температуры, электроды охлаждались проточной водой. В плазме ВЧ разряда пылевые частицы приобретали отрицательный заряд и левитировали вблизи нижнего заземленного электрода, формируя слои частиц (фиг. 2). Пространственное расположение слоев определялось размерами частиц. Слой , содержащий частицы размером 100 нм, формировался на расстоянии 12 мм от нижнего электрода, слой , состоящий из частиц размером 250 нм, - на расстоянии 9 мм от нижнего электрода. После резкого выключения высокочастотного генератора 6 слои распадались под действием силы тяжести в течение нескольких секунд. Сила трения о нейтральный газ замедляла этот процесс. Пылевые частицы после распада плазмы имели остаточный отрицательный заряд, составлявший -1 и -10 для частиц размером 100 нм и 250 нм соответственно. Остаточный заряд зависел от размера частиц, давления рабочего газа и прочих экспериментальных условий. Для ускорения пылевых частиц после выключения разряда на верхний электрод 2 при помощи электрического переключателя 12 вместо высокочастотного подавали постоянное напряжение от стабилизированного источника питания постоянного тока 11. Величина ускоряющего напряжения не ограничена сверху напряжением пробоя, определяемым в первую очередь давлением нейтрального газа (в рассматриваемом случае напряжение пробоя составляло примерно 200 ). На фиг. 3 показана схема движения пылевых частиц после выключения высокочастотного генератора 6 в ускоряющем электрическом поле. Динамические параметры ускоряемых частиц определяют из уравнения баланса сила .(1) Здесьи- масса и ускорение пылевой частицы, , ,- сила тяжести, сила трения о нейтральный газ и электрическая сила соответственно (фиг. 2), определяемые из соотношений 4 3,(2) 3 8221,(3) 38,где- радиус пылевых частиц,- плотность 23 (2400 кг/м 3),- ускорение свободного падения,и- масса молекулы и концентрация буферного газа соответственно,8 /- тепловая скорость молекул буферного газа,и- скорости упорядоченного движения буферного газа и ускоряемых пылевых частиц соответственно. 3 17727 1 2013.12.30- остаточный заряд на пылевых частицах,- элементарный заряд,/ - внешнее постоянное электрическое поле. Расчеты проводили в предположении 0. Из-за влияния силы трения достаточно быстро устанавливается постоянная скорость движения пылевых частиц, которая с использованием уравнений (1)-(4) при 0 может быть выражена в виде 3 34(5) 2 2(8) Величина постоянного положительного потенциала в примере реализации способа составляла 37 , что соответствовало напряженности электрического поля между электродами 1760 В/м. При этом частицы из обоих слоев двигались вверх с одинаковой скоростью 2 мм /с , что хорошо согласуется с выражением (5). При увеличениискоростьможет быть увеличена в соответствии с (5). Установка работает следующим образом. Разрядная камера откачивается до рабочего давления (предварительное вакуумирование камеры отсутствует, так как рабочим газом является атмосферный воздух), включается высокочастотный генератор и зажигается ВЧ разряд. Затем включается излучатель, с помощью которого пылевые частицы инжектируются в плазму, приобретают отрицательный заряд и левитируют в плазменном объеме. После этого ВЧ мощность резко отключается, что приводит к распаду плазмы. Пылевые частицы при этом сохраняют некоторый остаточный заряд, величина которого определяется размерами частиц и давлением буферного газа. Одновременно подается внешнее электрическое поле, которое ускоряет пылевые частицы микронного и субмикронного размера в выбранном направлении. Внешнее поле может быть однородным или иметь сложную конфигурацию, но его величина не должна превышать напряжение пробоя для заданных условий. Поток микро- и наночастиц можно использовать, в частности, для создания нано- и микроструктурных покрытий. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5