Une plateforme de laboratoire pour étudier les écoulements de poussières en rotation dans un cristal de plasma irradié par un faisceau d'électrons de 10 keV

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 940 (2023) Citer cet article

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Une nouvelle plateforme de laboratoire a été conçue et construite pour l'irradiation d'un cristal plasma (PC) avec un faisceau d'électrons (e-beam) ayant une énergie d'environ 10 keV et un courant de plusieurs dizaines de milliampères. Le faisceau électronique pulsé collimaté sur un point de quelques millimètres est dirigé vers un cristal constitué de particules de poussière en lévitation dans un plasma radiofréquence (RF). La plate-forme se compose de trois chambres à vide connectées en ligne, chacune ayant une utilité différente : une pour générer des électrons libres dans une décharge de Penning à anode creuse pulsée, une autre pour l'extraction et l'accélération des électrons à \(\sim 10\) kV et pour focalisant le faisceau électronique dans le champ magnétique d'une paire de bobines circulaires, et la dernière pour produire des PC au-dessus d'une électrode pilotée par RF. Le principal défi est d'obtenir à la fois un faisceau électronique et un PC stables en assurant des pressions de gaz appropriées, étant donné que le faisceau électronique est formé sous vide poussé (\(\lesssim 10^{-4}\) Torr), tandis que le PC est produit à des pressions beaucoup plus élevées (\(\gtrsim 10^{-1}\) Torr). Les principaux outils de diagnostic comprennent une caméra haute vitesse, une coupe Faraday et une sonde Langmuir. Deux applications liées à la création d'une paire de vortex d'écoulement de poussière et à la rotation d'un PC par la force de traînée du faisceau électronique agissant sur les particules de poussière fortement couplées sont présentées. Le flux de poussière peut devenir turbulent, comme le démontre le spectre énergétique, présentant des vortex à différentes échelles spatiales.

Les cristaux de plasma (PC) sont des collections de microparticules (ou poussières) chargées immergées dans un plasma à basse température disposées périodiquement dans des plans horizontaux et verticaux1,2,3,4,5. Dans une configuration de laboratoire typique, les particules de poussière lévitent dans la gaine de plasma d'une électrode horizontale, où la force électrique agissant sur elles est proportionnelle au champ de la gaine et s'oppose à la force de gravité. Un cristal de plasma stable est cependant obtenu lorsque les forces répulsives poussière-poussière de Coulomb, la force de friction du gaz (ou la traînée exercée par les atomes neutres), la force de traînée des ions et une force de confinement qui maintient les particules de poussière ensemble sont toutes réunies. équilibre6,7. Étant donné que les particules de poussière sont chargées négativement et positionnées les unes par rapport aux autres à des distances de l’ordre de la longueur de Debye du plasma, elles sont fortement couplées8.

Le cristal de plasma peut être soumis à des forces externes telles que celles générées par des champs électriques et magnétiques9,10,11,12, des forces centrifuges13, des jets de plasma14, des faisceaux laser15,16,17, des faisceaux de particules chargées injectées18,19,20,21 ou des combinaisons. de certaines de ces forces, par exemple le laser et le champ magnétique22. Dans tous ces cas, la dynamique complexe des particules de poussière au sein du cristal conduit à l'observation de phénomènes physiques intéressants tels que l'acoustique de la poussière ou les ondes longitudinales du réseau de poussière23, les transitions de phase solide à liquide5,17,24, les flux de poussière induits par le cisaillement16, émission secondaire25, émission de champ26, hypercharge des particules de poussière18,19,27, vortex de poussière20 et rotation de la structure de la poussière28,29,30.

Dans ce travail, nous présentons une nouvelle technique d'irradiation de PC avec un faisceau d'électrons (e-beam) qui nous permet d'étudier l'interaction d'électrons énergétiques avec des particules de poussière fortement couplées immergées dans le plasma. La tension d'accélération des électrons dans le faisceau peut varier dans la plage \(\sim 8\) à 14 kV, tandis que le courant du faisceau électronique pouvant être obtenu, défini par les performances d'une source d'électrons (c'est-à-dire une décharge de Penning à anode creuse) est dans la plage \(\sim\) 1–30 mA. Le faisceau électronique a une tache circulaire d'un diamètre de quelques mm. L'énergie des électrons dans le faisceau électronique est 4 ordres de grandeur supérieure à l'énergie thermique des électrons provenant du plasma RF (qui est de quelques eV) où réside le cristal de poussière. Dans un plasma RF, la force de traînée exercée sur une particule de poussière par ces électrons du plasma à basse température est faible, bien inférieure à la force électrique qui fait léviter la particule de poussière et peut donc être négligée31. En revanche, un faisceau électronique avec une énergie au niveau de \(\sim 10\) keV peut pousser les particules de poussière et les accélérer jusqu'à des vitesses terminales élevées \(\sim\) 1–10 mm s\(^{- 1}\), induisant des effets cinétiques intéressants20,21.