Сепарация полидисперсных пылевых частиц в тлеющем разряде

УДК 537.525.1

В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, М. А. Ермоленко, А. И. Эйхвальд, М. С. Голубев

СЕПАРАЦИЯ ПОЛИДИСПЕРСНЫХ ПЫЛЕВЫХ ЧАСТИЦ В ТЛЕЮЩЕМ РАЗРЯДЕ *)

Введение. При экспериментальном исследовании пылевой плазмы очень остро стоит вопрос диагностики [1, 2]. Причём, как при определении характеристик пылевых частиц - размера, заряда, так и при определении существующих в разряде условий. Последнее связано с тем, что пылевые структуры могут менять характеристики разряда, влиять на химический состав плазмоформирующего газа [3], а классические методы диагностики плазмы в данной задаче не всегда применимы (например, метод зондов). Изменение условий разряда регистрировалось как спектрально [4], так и по вольт-амперным характеристикам [5]. В большинстве работ авторы для интерпретации результатов ограничиваются качественными оценками.

Как при количественных исследованиях, так и при качественных оценках, в первую очередь необходимо достоверно знать истинный размер левитирующих частиц, так как по нему оцениваются их масса и заряд. Это важно как для монодисперсных частиц [6], так и для частиц произвольного размера и формы, а также для облегчённых частиц с внутренними полостями [7]. Для решения этой проблемы прямые наблюдения частиц в плазме в микроскоп не всегда возможны и, вероятно, для частиц размера менее 10 мкм, неэффективны. Определение же размеров частиц по характеру рассеяния света даёт определённую интерпретацию лишь для частиц сферической формы [8]. Используемые гранулы могут иметь отклонение от сферичности, а также образовывать агломераты [9].

В настоящей работе описана разрядная трубка специальной конструкции, позволяющая извлекать из разряда непосредственно левитирующий порошок, представлено распределение по размерам извлеченных частиц. Показано, что размер левитирующих частиц определяется условиями разряда, а не размером засыпного порошка.

В условиях проводимых экспериментов эти характерные размеры отличались на порядок. Описанная методика может быть применена для определения электрического поля разряда [10], а также для точной сепарации порошков в плазме [11].

Описание эксперимента. Конструкцию разрядной камеры иллюстрирует рис. 1.

*) Работа поддержана РФФИ, гранты № 07-02-00264 и № 08-08-00628, а также грантом Президента РФ для государственной поддержки молодых российских учёных МК-3462.2008.2.

© В. Ю. Карасёв, Е. С. Дзлиева, М. А. Ермоленко, А. И. Эйхвальд, М. С. Голубев, 2009

Рис. 1. Разрядная трубка для извлечения левитирующих частиц из разряда:

1 — контейнер с частицами;

2 — устройство для сбора ча-

стиц; 3 — кран для извлечения частиц; 4 — диафрагма;

5 — страты; 6 — анод; 7 — катод

Стеклянная трубка внутренним диаметром 1,8 см с длиной вертикального участка 12 см имела два верхних и два нижних боковых отростка. В верхних располагались контейнер с засыпным порошком и анод, в нижних - катод (слева на рис. 1) и устройство для сбора и извлечения из разряда левитирующих частиц (справа). Устройство представляло собой металлическую пластину, перемещаемую с помощью постоянного магнита по горизонтальному отростку, на которую сверху помещалась стеклянная полоска. Последняя, с попавшим на её поверхность порошком, извлекалась из разряда и помещалась под микроскоп для определения размеров частиц.

Для работы трубка откачивалась форвакуумным насосом, наполнялась воздухом или неоном. В диапазоне давлений от 0,3 до 1 мм рт. ст. и разрядных токах 1-5 мА был реализован стратифицированный режим тлеющего разряда. Узкая диафрагма для формирования стоячих страт в данной конструкции располагалась в горизонтальном отростке перед катодом. Она была подвижной, имела металлическую вставку, и её положение изменялось при помощи постоянного магнита. Для наблюдения пылевых левитирующих гранул с достаточным оптическим увеличением (х50 + 100), в верхней части трубки располагалось оптическое окно. При перемещении диафрагмы изменялось положение страт, верхняя страта подводилась к окну на расстояние меньшее фокусного расстояния используемого микроскопа. Уже первые визуальные наблюдения, представленные в [11, 12], показали, что размеры вбрасываемых и подвешенных в разряде частиц отличаются, т. е. разряд играет роль сепаратора по отбору определённой фракции порошка.

Для количественных исследований были использованы полидисперсные частицы кварца плотностью материала 2,5 г/см3. Порошок просеивался через систему сит с ячейкой от 200 до 45 мкм, промывался и прокаливался. В контейнер были засыпаны частицы размером 1-45 мкм, имеющие произвольную форму и сильно выраженный максимум дисперсности при 30-35 мкм. Эксперимент проводился следующим образом. Зажигался разряд при выбранных параметрах, встряхивался контейнер и пылевые частицы попадали в разряд. Некоторая часть их зависала в стратах. Далее, под вертикальную часть трубки подводилось устройство для сбора частиц и разряд гасился. Процесс падения пылевых гранул и попадания их на поверхность собирающего устройства контролировался съёмкой на видеокамеру. Собранные таким образом частицы вместе с устройством извлекались из разрядной камеры через кран в правом нижнем горизонтальном отростке, рис. 1. Число попадавших на стекло частиц в одном эксперименте составляло несколько сотен. Их размеры определялся визуально в оптический микроскоп.

Результаты и их обсуждение. Извлеченные частицы обсчитывались в соответствие с методикой [8]. Для каждой частицы определялись максимальный йтах и минимальный йтіп размеры, далее строилось распределение по характерному размеру

, йтах + йтіп

аг

ср ~ 2

Пример распределения для примерно 100 частиц, полученного при условиях: газ - неон, давление - 1 мм рт. ст., ток разряда - 1 мА, представлено на рис. 2а.

Первый полученный результат - извлечённые частицы имеют характерный размер от 1 до 8 мкм, что на порядок меньше, чем максимум характерного размера засыпного порошка. Это количественно свидетельствует о факте сепарации частиц по размерам.

Во-вторых, на гистограмме можно обнаружить, что распределение частиц не равномерное. Имеются максимум при 5-6 мкм, а также менее выраженный максимум

20

15

10

0

9 8 7 6 5

б 4 3 2 1 о

16

14

12

10 8

е 6 4

1-1,5

3-3,5

5-5,5

7-7,5

9-9,5

1-1,5

3-3,5

5-5,5

7-7,5

2 -

Рис. 2. Гистограмма:

а — распределения по характерному размеру частиц, левитировавших в разряде; б — выборка из гистограммы (а), соответствующая условно «квадратным» частицам для соотношения между характерными размерами <1тах и ^т;п менее 1,25; в — выборка из гистограммы (а), соответствующая условно «вытянутым» частицам; гистограмма построена по данным для 102 частиц

а

5

0

Рис. 3. Сложные структуры в горизонтальном сечении при разрядном токе:

а) г = 1, 4 мА; б) г = 2 мА; прочие условия - частицы кварца с характерными размерами 2 и 5 мкм; газ неон, давление 0,7 мм рт. ст.

при 2-3 мкм. Можно предположить, что существование двух максимумов связано с разной формой левитирующих частиц. На рис. 2б,-в представлены выборки из распределения рис. 2а, соответствующие условно «квадратным» и «вытянутым» частицам для соотношения между характерными размерами ^тах и ^тт в 1,25. Возможно, данное соотношение не самое оптимальное, но уже оно показало, что имеется две группы «квадратных» частиц в 1-2 мкм и 4-5 мкм, в то время как «вытянутые» распределены в диапазоне 1-8 мкм. Так, можно видеть, что в разряде производится сепарация частиц по фактору формы.

Расчёт баланса сил показывает, что пылинки различных размеров должны левитировать в разных электрических полях, а значит на разных высотах. Моделируем «квадратные» частицы шарами с диаметрами, равными их характерным размерам, тогда их вес соответственно 1 • 10-13 Ни 1, 56 • 10-12 Н. Согласно [1], определим заряд на их поверхности как 2, 3 • 10-15 Кл и 6, 4 • 10-16 Кл. Для левитации частицам требуются поля 2 В/см и 7 В/см, что представляется правдоподобным для головной части страты [13]. Вероятно, «вытянутые» частицы могут быть распределены по всей длине головы страты. В одной горизонтальной плоскости могут левитировать частицы разной формы в случае, если у них одинаково отношение заряда к массе.

Выводы. Впервые проведены эксперименты, в которых реализована возможность извлекать из пылевой плазмы левитирующие частицы. Представлены распределения извлеченных частиц по размерам. По полученным результатам можно сформулировать несколько выводов:

• в условиях тлеющего разряда в объёмных пылевых образованиях могут находиться частицы разного размера и формы;

• при использовании полидисперсных порошков в разряде формируются структуры из близких по размеру частиц;

• при использовании монодисперсных порошков в горизонтальных сечениях, расположенных на разных высотах, частицы могут отличаться по размеру, имея большие размеры в более нижних сечениях. Учёт данного факта важен при создании высокоупорядоченных объёмных плазменных кристаллов;

• полученные данные о распределении частиц объясняют формирование структур сложной формы. Для многоуровневых в вертикальном сечении структур подобное объяснение их формирования дано в [10]. Для кольцевых структур в горизонтальном сечении, пример которых представлен на рис. 3, объяснение, данное в [14], является правильным. Его можно дополнить тем фактом, что в кольцевых сечениях находятся частицы не только разного размера, но и разной формы. Сила термо-фореза больше для частиц имеющих большую площадь поверхности, т. е. большее

отклонение от сферичности. Она смещает такие частицы с оси разрядной трубки. А частицы разного размера (но одинаковой формы) в одном горизонтальном сечении (в одинаковом электрическом поле) левитировать не могут.

Литература

1. Fortov V. E., Nefedov A. P., Molotkov V. I. et al Dependence of the dust-particle charge on its size in a glow-discharge plasma // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 87. P. 205002-(1)-205002-(4).

2. Дзлиева Е. С., Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И. О возможности измерения заряда пылевых частиц в магнитном поле // Труды конф. ФНТП-2004, Петрозаводск, 2004. Т. 1. С. 269-272.

3. Фортов В. Е., Петров О. Ф, Молотков В. И. и др. Пылевая плазма // Усп. физ. наук. 2004. Т. 174. № 5. C. 495-544.

4. Podryadchikov S. F., Khakhaev A. D. Spectral Investigation of a Dusty Glow Discharge Plasma // Proc. Intern. Conf. PPPT-III. Minsk, 2000. Vol. I. P. 336-339.

5. Василяк Л. М. и др. Кооперативный характер образования пылевых структур в плазме // Журн. эксп. теор. физики. 2002. Т. 121. Вып. 3. С. 609-613.

6. Есенков В. Е., Усачёв А. Д., Зобнин А. В. и др. Исследование силы ионного увлечения, действующей на пылевые частицы в плазме тлеющего разряда постоянного тока // Труды конф. ФНТП-2004. Петрозаводск, 2004. Т. 2. С. 219-226.

7. Карасёв В. Ю., Дзлиева Е. С., Голубев М. С., Ермоленко М. А., Эйхвальд А. И. Детектирование вращательного движения полых прозрачных микросфер, помещённых в низкотемпературную плазму // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2008. Вып. 4. C. 115—118.

8. Грин Х., Лейн В. Аэрозоли - пыли, дымы и туманы / Пер. с англ. Л., 1969. 400 c.

9. Петров О. Ф. Диагностика низкотемпературной плазмы с микрочастицами // Материалы школы «Пылевая плазма - актуальная проблема современной физики». Петрозаводск, 2001. С. 81-100.

10. Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И., Дзлиева Е. С. Упорядоченные плазменныо-пылевые структуры в стратах тлеющего разряда // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 4: Физика, химия. 2008. Вып. 1. С. 36-41.

11. Ermolenko M. A., Golubev M. S., Dzlieva E. S., Karasev V. Yu., Eikhval’d A. I. Size separation and levitation of dust particles in DC discharge // PPPT-5. Minsk, 2006. P. 435-438.

12. Дзлиева Е. С., Карасёв В. Ю., Эйхвальд А. И. Пылевая плазма в магнитном поле // Мат. научн. симпоз. Петрозаводск, 2005. С. 244-263.

13. Голубовский Ю. Б., Нисимов С. У. О двумерном характере страт в разряде низкого давления в инертных газах // Журн. техн. физики. 1995. Т. 65. Вып. 1. С. 46-53.

14. Василяк Л. М. и др. Формирование пылевых структур сложной формы в плазме при неоднородном выделении тепла // Журн. эксп. теор. физики. 2005. Т. 127. Вып. 5.

С. 1166-1172.

Принято к публикации 17 марта 2008 г.