尘埃等离子体中分形颗粒的生长机理及特性研究

Fractal dust particles generally exist in fusion device or lunar dusts, which have negative effects on equipment safety or instrument performance. Fractal dusts are our research objects of this project, which will be obtained by gas discharge in a radio frequency discharge dusty plasma system. The particle growth process can be divided into spherical growth or fractal growth. The particle growth in spherical shape is commonly observed experimentally and easily obtained, and the spherical particle size is generally small, in nanometer-micrometer. However, dust growth in fractal is not a popular phenomenon. Fractal particles have different characteristics to spherical particles, such as in morphology, mass distribution, growth process, and so on. In addition, fractal particles can grow up to larger-size, for example millimeter or even centimeter-size. The aim of this research is to investigate the growth process of fractal particles, especially the large-sized fractals, and compare it with that of spherical particles in a gas discharge plasma system. We will study it firstly from experiments, then using mathematical fractal calculation and simulation methods to investigate and verify the growth mechanism of the fractal dust particles. This research can provide guidance and help for understanding the formation process of dust particles in spacial environment and industry plasma process.

分形结构的尘埃颗粒经常存在于聚变装置、月球尘埃等环境中，对设备安全或仪器工作性能会带来不利的影响。本项目以分形尘埃为研究对象，在射频放电尘埃等离子体中，通过气体放电来产生尘埃颗粒。尘埃颗粒的生长过程可分为按球形或按分形生长。其中颗粒按球形生长在实验上很常见，容易获得，且尺寸通常较小，在纳米-微米量级。而实验中按分形生长的尘埃则并不那么普遍。分形尘埃在形貌、质量分布、生长方式等方面都与球形尘埃有着不同的特点，并且分形结构的尘埃能长成较大尺寸，甚至能达到毫米、厘米量级。本项目拟在射频放电等离子体中，以气体放电产生的尘埃颗粒为研究对象，从实验上分析分形尘埃尤其是大尺寸的分形结构的生长过程和特点，并和球形颗粒的生长进行比较，然后配合分形计算和模拟手段去研究和验证分形尘埃的生长机理及特性。该研究对理解空间环境、工业等离子体加工中尘埃颗粒的形成过程能提供一定的指导和帮助。

本项目从实验、理论计算和数值模拟相结合的角度研究了分形尘埃的生长机理和特性。实验上通过分析影响尘埃颗粒生长过程的因素如射频放电功率、磁场、气体比例、气压、电极结构、外加定向流等，开展了不同生长条件下尘埃空间分布、形貌、散射光强、悬浮高度、稳定性等的实验研究，结合分形计算，获得了分形尘埃生长的重要实验数据，并和球形尘埃生长实验进行了对比。从实验和理论上建立了尘埃颗粒分布的三维模型，很好地解释了鞘层中尘埃颗粒的分布规律。从实验上获得了毫米级、厘米级大尺寸分形尘埃结构，获得了分形尘埃的三维形貌。本项目中获得的毫米级、厘米级大尺寸尘埃是文献上未见报道的。.为了从模拟上进一步研究分形尘埃的生长过程及机理，开发了尘埃偶极子模型程序，通过尘埃极化模拟，得到了与实验符合的棒状、树枝状分形结构。尘埃的凝聚生长过程与尘埃颗粒尺寸、颗粒间相互作用以及空间分布等密切相关。针对尘埃生长过程不同阶段，颗粒间不同相互作用，从模拟上开展相应的研究和验证。模拟了尘埃生长过程中沿不同方向上的分布特征及其空间各向异性的凝聚生长行为。还研究了定向流作用下尘埃在空间的分布结构。针对生长过程中尘埃内部出现的空洞（即无尘埃的区域），由于空洞的演化与尘埃生长过程密切相关，本项目开发了计算流体动力学程序包，研究了圆柱形等离子体放电系统中电子温度空间分布对尘埃空洞演化的影响，得到与实验现象符合的结果。.总体上，在该项目支持下，实验系统得到了完善，获得了满意的实验结果。模拟结果与实验现象符合较好。已经发表和接收10篇SCI论文，培养研究生12名，参加学术会议和学术交流26人次。本项目的研究结果对等离子体环境中与尘埃颗粒生长有关的实际应用提供了重要的研究基础和指导意义。该研究对芯片加工、聚变系统以及空间探测中与尘埃有关的应用问题能提供实际的指导。.