CN102306469A - 一种观察尘埃斑图的装置 - Google Patents

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张鹏云
王华强
牟宗信
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Abstract

本发明属于低温等离子体化学技术领域。本发明由反应生成尘埃等离子体的装置加上尘埃斑图的监控部分组成，其特征是：由激光器和光具组来照明尘埃斑图，由记录设备和计算机来存储和分析尘埃颗粒的状况，形成尘埃斑图的反应室设计成透明的圆筒状，用微凹的驱动极，直流负偏压电源，调控反应室内的气压，电源的输出功率来控制尘埃斑图。本发明的效果和益处是能直观地观测尘埃斑图的形成和演化，能够通过对尘埃斑图的分析来研究尘埃颗粒的生长，运动等规律，可广泛用于大中专院校的物理实验设置中。

Description

一种观察尘埃斑图的装置
技术领域
本发明属于低温等离子体领域，涉及一种观察尘埃等离子体中尘埃斑图的装置。
背景技术
尘埃等离子体，就是包含有尘埃颗粒的等离子体，又称为复杂等离子体，是由电子、离子、中性粒子和带负电的大尘埃颗粒组成的等离子体。等离子体中尘埃颗粒由于比较大(微米量级)，其表面会吸附大量的电子，从而带上负电荷(约几千个电子电荷)。尘埃颗粒比较大，重力就不能忽略了，在重力的作用下，尘埃颗粒会向下电极上落去，由于下电极上的负的鞘层自偏压，尘埃颗粒会悬浮在壳层中，大量的尘埃颗粒聚集在一起，像云一样，形象地称为尘埃云。
尘埃云悬浮在鞘层上，会形成各种图形，即尘埃云斑图。尘埃云斑图可能是尘埃空洞(尘埃云中没有尘埃颗粒的区域，通常在尘埃云中心，也有复杂的空洞斑图)，也有可能是磁化等离子体中的双螺旋结构等结构。尘埃云斑图还会随时间演化，如尘埃空洞的旋转和收缩等。
尘埃斑图的形成原因各不相同，有些斑图的形成是由于温度梯度引起的热泳力，有些斑图的形成是由于尘埃颗粒所受的离子拖拽力和电场力平衡作用的结果。影响尘埃斑图的因素比较多，也使得尘埃斑图的表现丰富多彩。
发明内容
本发明提供了一种观察尘埃等离子体中尘埃斑图的装置。
本发明的技术方案是：一种观察尘埃等离子体中尘埃斑图的装置，由射频电源(13.56MHz)、反应室(由玻璃等透明材料制成，设计成圆筒状)、电极(由导体或绝缘体等材料制成，下电极要设计成有凹孔以约束尘埃颗粒，上电极要有一透明观察窗口)、稳定和控制放电的匹配网络、用于形成尘埃颗粒(尘埃颗粒再形成尘埃斑图)的工作介质，如乙烯和硅烷以及载气(氩气)等，以及相应的监控部分(质量流量控制等)；加上尘埃斑图的观察和控制部分共同组成。本发明的关键部件是：尘埃斑图的观察和控制部分。
本发明的尘埃斑图观察部分由尘埃斑图照明和尘埃斑图的记录与分析两部分组成。尘埃斑图照明部分由激光器(可以是He-Ne激光器，半导体激光器等)和光具组(由反射镜，柱透镜，凹透镜，导轨，支架等)组成；尘埃斑图的记录与分析部分是由记录设备(可以是CCD，数码相机，数码摄像机，光谱仪等)以及用于存储数据的计算机组成；反应室设计成透明的圆筒状。工作时，点燃激光器，激光器射出激光束，激光束经光具组扩束成片光束进入反应室来照明尘埃斑图，用记录设备对尘埃斑图记录和拍照，并输入相连的计算机，在计算机中存储和分析尘埃斑图的状况。
本发明的尘埃颗粒控制部分由改进的电极(将驱动极设计成微凹，对圆形电极而言，其深度与直径之比为0.05-0.1)和直流负偏压电源(0--500V，给驱动极加负偏压)组成。改进的电极，负的直流偏压及控制放电气体的压强(10-100Pa)和放电功率(10-100W)，可综合控制尘埃斑图。
工作时，在射频电源作用下，两电极间的工作介质发生放电，在匹配网络的调节下，产生稳定的等离子体，在尘埃斑图控制部分的控制下，在工作介质监控部分的调节下，形成尘埃斑图，并用尘埃斑图观察部分观察、存储和分析尘埃斑图。
本发明的效果和益处是，本发明提出一种观察尘埃斑图的装置，能够实时地观察尘埃斑图的形成和演化过程，观察不同的尘埃斑图及其演化与放电气体的压强、放电功率间的关系，还可以通过分析存储的尘埃斑图以得到等离子体中尘埃颗粒的形成、运动、演化等信息。该装置可以广泛用于大中专院校普通物理实验的实验设置中，还可用于尘埃等离子体的科学研究中，不论在常规的物理实验教学中，还是在等离子体的有关科学研究中都有强大的生命力和广泛的应用前景。
具体实施方式
以下结合技术方案叙述本发明的具体实施方式。
工作电源采用13.56MHz的射频电源；反应室是圆筒状，圆筒是透明玻璃制成的，以方便照明和观察尘埃斑图，上下两电极由不锈钢材料制成，下电极是驱动极，设计成微凹，直径10cm，上电极接地，直径30cm，中间有一观察窗，上下电极间距2-10cm可调；激光器及相应的光具组扩束成片光束从侧面照明尘埃颗粒，CCD相机和相连接计算机用来观察和存储尘埃斑图；工作介质采用硅烷和乙烯，载气是氩气。气压是40-100Pa，射频功率是20-50W，负偏压0--100V。通过调节气压、功率，调节气体流量，调节负偏压；调节硅烷、乙烯和氩气间的相对比例，形成尘埃斑图。

Claims (2)

1.一种观测尘埃斑图的装置，由电源、电极、用于形成尘埃斑图的工作介质及监控部分、稳定控制放电的匹配网络、尘埃斑图的监视部分和尘埃斑图的控制部分组成，其特征在于，尘埃斑图的监视部分由激光器、光具组、记录设备和计算机组成，形成尘埃斑图的反应室设计成透明的圆筒状；尘埃斑图的控制部分由微凹的驱动极和直流负偏压电源组成，其中直流负偏压电源为0--500V；电极的下电极有凹孔，电极的上电极要有一透明观察窗口；尘埃斑图的控制部分的圆形驱动极成微凹，其深度与直径之比为0.05-0.1。
2.根据权利要求1所述的一种观测尘埃斑图的装置，其特征在于采用调控反应室的气压，调控电源的输出功率控制尘埃斑图。
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