Una piattaforma da laboratorio per lo studio dei flussi rotazionali di polvere in un cristallo di plasma irradiato da un fascio di elettroni da 10 keV

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 940 (2023) Citare questo articolo

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È stata progettata e realizzata una nuova piattaforma da laboratorio per l'irradiazione di un cristallo di plasma (PC) con un fascio di elettroni (e-beam) avente un'energia intorno a 10 keV e una corrente di decine di milliampere. Il raggio elettronico pulsato collimato con un punto di pochi millimetri è puntato su un cristallo costituito da particelle di polvere levitate in un plasma a radiofrequenza (RF). La piattaforma è composta da tre camere a vuoto collegate in linea, ciascuna con diversa utilità: una per la generazione di elettroni liberi in una scarica di Penning ad anodo cavo pulsata, un'altra per l'estrazione e l'accelerazione di elettroni a \(\sim 10\) kV e per focalizzando il raggio elettronico nel campo magnetico di una coppia di bobine circolari e l'ultima per produrre PC sopra un elettrodo pilotato da RF. La sfida principale è ottenere sia una trave elettronica stabile che un PC assicurando pressioni di gas adeguate, dato che la trave elettronica si forma in alto vuoto (\(\lesssim 10^{-4}\) Torr), mentre la trave PC viene prodotto a pressioni molto più elevate (\(\gtrsim 10^{-1}\) Torr). La diagnostica principale include una telecamera ad alta velocità, una tazza di Faraday e una sonda di Langmuir. Vengono presentate due applicazioni riguardanti la creazione di una coppia di vortici di flusso di polvere e la rotazione di un PC mediante la forza di trascinamento del fascio elettronico che agisce sulle particelle di polvere fortemente accoppiate. Il flusso di polvere può diventare turbolento, come dimostrato dallo spettro energetico, caratterizzato da vortici su diverse scale spaziali.

I cristalli di plasma (PC) sono raccolte di microparticelle (o polvere) cariche immerse in un plasma a bassa temperatura disposto periodicamente sia sul piano orizzontale che su quello verticale1,2,3,4,5. In una tipica configurazione di laboratorio, le particelle di polvere levitano nella guaina di plasma di un elettrodo orizzontale, dove la forza elettrica che agisce su di esse è proporzionale al campo della guaina ed è opposta alla forza di gravità. Un cristallo di plasma stabile si ottiene tuttavia quando le forze repulsive schermate di Coulomb polvere-polvere, la forza di attrito del gas (o resistenza esercitata dagli atomi neutri), la forza di trascinamento ionico e una forza di confinamento che tiene insieme le particelle di polvere sono tutte in equilibrio6,7. Poiché le particelle di polvere sono caricate negativamente e posizionate l'una dall'altra a distanze dell'ordine della lunghezza di Debye del plasma, sono fortemente accoppiate8.

Il cristallo di plasma può essere soggetto a forze esterne come quelle generate da campi elettrici e magnetici9,10,11,12, forze centrifughe13, getti di plasma14, raggi laser15,16,17, raggi di particelle cariche iniettate18,19,20,21 o combinazioni di alcune di queste forze, ad esempio laser e campo magnetico22. In tutti questi casi la complessa dinamica delle particelle di polvere all'interno del cristallo porta all'osservazione di fenomeni fisici interessanti come l'acustica della polvere o le onde longitudinali del reticolo della polvere23, transizioni di fase da solido a liquido5,17,24, flussi di polvere indotti dal taglio16, emissione secondaria25, emissione di campo26, ipercarica delle particelle di polvere18,19,27, vortici di polvere20 e rotazione della struttura della polvere28,29,30.

In questo lavoro presentiamo una nuova tecnica di irradiazione di PC con un fascio di elettroni (e-beam) che ci consente di studiare l'interazione di elettroni energetici con particelle di polvere fortemente accoppiate immerse nel plasma. La tensione di accelerazione degli elettroni nel fascio può essere variata nell'intervallo \(\sim 8\) fino a 14 kV, mentre la corrente del fascio E ottenibile determinata dalla prestazione di una sorgente di elettroni (cioè una scarica di Penning ad anodo cavo) è nell'intervallo \(\sim\) 1–30 mA. Il raggio elettronico ha uno spot circolare con un diametro di pochi mm. L'energia degli elettroni nel fascio elettronico è 4 ordini di grandezza superiore all'energia termica degli elettroni originati nel plasma RF (che è di pochi eV) dove risiede il cristallo di polvere. In un plasma RF la forza di trascinamento su una particella di polvere esercitata da questi elettroni di plasma a bassa temperatura è debole, molto più piccola della forza elettrica che fa levitare la particella di polvere e quindi può essere trascurata31. Al contrario, un raggio elettronico con energia al livello di \(\sim 10\) keV può spingere le particelle di polvere e accelerarle fino a grandi velocità terminali \(\sim\) 1–10 mm s\(^{- 1}\), inducendo interessanti effetti cinetici20,21.