宋超，戴超星，王瑞琦，孫文濤，郭志強，劉富成，賀亞峰

(河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002)

塵埃等離子體是由電子、離子、中性氣體和帶電微粒(多數情況下由固體微粒組成)組成的[1-3]，廣泛存在于宇宙空間環(huán)境、聚變裝置以及半導體制造等領域[4-6].在等離子體環(huán)境中，這些塵埃粒子由于與電子、離子相互碰撞而充電，攜帶的電荷通常為負電荷，帶電量為102～105e[7]，因此塵埃顆粒會受到鞘層電場力、離子拖曳力等各種力的作用而引起塵埃顆粒的運動.隨著等離子環(huán)境變化，塵埃顆粒自身的帶電量改變，顆粒間的庫侖力也會對塵埃顆粒的運動狀態(tài)產生影響.塵埃顆粒在等離子體環(huán)境中會顯著地改變等離子體的很多性質，產生許多新的現象，如等離子體晶格、塵埃聲波等.塵埃顆粒在等離子體環(huán)境中通過粒子-粒子或波-粒子相互作用從而吸收能量并且轉化為顆粒動能，然而顆粒獲得的能量在其隨機運動中不能夠有效地收集和利用.

多年來人們一直關注的一個問題就是如何將顆粒無規(guī)則運動中的能量提取出來并將之轉化為定向運動利用起來.針對此問題人們也做了大量的實驗研究，其中就有著名的費曼棘輪機構[8].對于棘輪原理的研究已經發(fā)展延伸到光學棘輪[9]、量子棘輪[10]、有機電子棘輪[11]等多個學科領域，而在等離子體物理領域還鮮見有關于棘輪原理的相關研究.通常產生微納米粒子定向運動的系統(tǒng)要求具有某種不對稱性，Hanggi[12]提出引起粒子定向輸運的系統(tǒng)對稱性破缺的3種可能性：1)不對稱勢；2)周期性驅動力；3)集體效應.人們針對這幾種可能性進行了大量的研究，Roeling等[11]通過實驗證明了有機電子棘輪中粒子整流的2個必要條件：不對稱勢和集體效應.最近，Skaug等[13]在微米棘輪機構中觀察到了百納米顆粒的定向運動，驗證了顆粒整流需要不對稱勢和周期性驅動2個條件.此前的量子棘輪等實驗條件也普遍比較苛刻，難度很大，主要集中在微納尺度棘輪機構或超導下的條件.利用塵埃等離子體易于實現便于觀察等特點，將棘輪原理引入等離子體物理領域，利用費曼棘輪原理設計實驗裝置，從實驗和理論兩方面進行深入的研究[14-18]，實現了對塵埃顆粒的可控性整流，即將無規(guī)則運動的塵埃顆粒整流為定向運動，初步得到棘輪結構中塵埃顆粒的整流規(guī)律.在棘輪模型的實驗中發(fā)現了顆粒的正逆流現象，并且顆粒在鋸齒通道內的運動速度不均勻.

棘輪表面電勢和鞘層厚度分布影響整流結果，而電勢分布和鞘層厚度與棘輪的材質有很大關系.此前的實驗主要針對樹脂材料的棘輪裝置進行實驗研究，對其他材質的棘輪裝置未作探討.本文在此前基礎上通過設計制作金屬材料的棘輪，對金屬棘輪中介質顆粒的整流效果進行細致的研究，得到更全面的塵埃等離子體棘輪中顆粒的整流機制，為建立塵埃等離子體棘輪模型奠定基礎.

1 實驗裝置與實驗方法

實驗將具有不對稱性的內外2個金屬鋸齒棘輪同心地放置在下極板上，中間包圍部分形成鋸齒通道，內齒方向與外齒方向相同，如圖1所示.棘輪的材質為不銹鋼，整體高度為20 mm，內外齒高度均為5 mm，鋸齒數目為20，半徑分別為14、21 mm，齒深分別為2、4 mm.等離子體的產生采用電容耦合電極射頻輝光放電(13.56 MHz),射頻電源通過匹配器接入真空室的下極板上.真空室上方設置一個導螺桿，實驗前將介質顆粒放置在導螺桿的毛細玻璃管中.接通真空泵通入氬氣，調控真空泵與流量計使整個系統(tǒng)氣壓保持在一定數值上，打開射頻電源使真空室內產生均勻等離子體，振動導螺桿將適量的顆粒撒入棘輪的鋸齒通道內，顆粒由于吸附電荷帶負電而受到向上的鞘層電場力而懸浮在鞘層中，并且受到鋸齒表面的鞘層電場力和離子拖曳力被約束在鋸齒通道內.實驗中用到的介質顆粒為單分散聚苯乙烯PS微球，其直徑為23 μm，在等離子體環(huán)境中易懸浮.真空室除底部不透明，其余室壁都為透明石英玻璃，在真空室側面設置光源照明顆粒以便觀察，上方設置照相機來記錄顆粒運動.本文研究金屬棘輪對顆粒的整流效果，通過調節(jié)氣壓和放電功率改變顆粒在鋸齒通道內的運動狀態(tài)，記錄下不同實驗條件下顆粒的運動狀態(tài)，通過MATLAB程序對顆粒進行跟蹤并畫出其運動軌跡，計算出顆粒的位置與運動速度.

1.真空室；2.上極板：ITO導電玻璃(173×130 mm2)；3.金屬棘輪；4下極板：金屬極板(160×160 mm2)；5.排氣口；6.高速相機；7.光源；8.射頻電源與匹配器；9.進氣口.

2 實驗結果

根據前述的實驗方法，利用內外鋸齒同心不對稱排列的結構對介質顆粒進行整流.通過改變氣壓和放電功率，發(fā)現低氣壓時顆粒在平衡位置處隨機振動，沒有定向的運動.當升高氣壓達到20 Pa左右時，顆粒開始在鋸齒通道中開始做定向運動，運動狀態(tài)平穩(wěn)且規(guī)律，顆粒在鋸齒通道內的分布比較均勻，能夠形成完整的顆粒鏈.顆粒鏈沿鋸齒通道呈環(huán)狀分布，并且運動速度較快，平均角速度最大可達1.745 rad/s.為分析和表述方便起見，選擇圓形鋸齒的中心作為極坐標的原點，用“+”和“-”定義顆粒運動的正逆方向，在本實驗中沿鋸齒通道順時針為正向，沿逆時針為逆向.使用相機對顆粒的運動拍照錄像，并通過MATLAB程序對顆粒進行跟蹤并畫出其運動軌跡，圖2給出了顆粒在鋸齒通道內的分布，圓圈處代表顆粒的初始位置，線條為顆粒在0.15 s時間內的運動軌跡，可以看到顆粒是沿鋸齒通道逆向運動的.保持放電功率不變，隨著氣壓升高顆粒距離極板高度下降，運動速度也逐漸下降，最終進入內齒槽中做渦流運動，如圖3所示.在保持氣壓不變時，隨著放電功率的增加，顆粒的高度和運動速度也將隨著放電功率的升高而變慢.介質顆粒在金屬棘輪中呈現2種運動狀態(tài)，分別為逆流和渦流，并未發(fā)現顆粒沿鋸齒通道順時針方向的正向運動.

t=0.15 s，p=70 Pa，P=55 W，Udc=-106 V.

t=4 s，p=300 Pa，P=45 W，Udc=-41 V；右圖是圖中方框的放大圖.

顆粒在鋸齒通道內的速度分布并不均勻.圖2中可以看到顆粒在齒尖與齒槽處的運動軌跡長度不同，在相同的時間內，顆粒在齒槽處的運動軌跡更長，顆粒在鋸齒通道內定向運動時角速度發(fā)生了周期性變化.這也說明，顆粒受到的合力也呈周期性變化.在一個鋸齒周期內，當顆粒即將到達齒尖處即鋸齒通道最窄處時，受到鋸齒的約束最強，顆粒要克服內外齒尖對顆粒的阻力才能跨越齒尖繼續(xù)運動，此時合力與運動方向相反，因此速度減小.當通過了鋸齒通道最窄處，因為顆粒是逆向運動，顆粒所受到鋸齒傾斜面的阻力持續(xù)減小，當合力與運動方向相同時，速度將會增大，直至再次接近鋸齒通道最窄處.

在高氣壓下介質顆粒會進入槽內做渦流運動.保持放電功率不變，升高氣壓，顆粒的運動速度將隨著氣壓的升高而變慢，在高氣壓下，鋸齒表面鞘層較薄，顆粒在鋸齒通道內呈現較明顯的齒形分布.當氣壓到達300 Pa左右時，鞘層會變得很薄，對顆粒的約束作用減弱，顆粒會完全進到內齒槽中并在齒槽內按順時針方向做渦流運動，顆粒沿鋸齒短邊從槽底爬升到齒尖并折回，再由長邊返回槽底，渦流邊緣處顆粒的運動速度快于渦流中心處的.

放電參數對金屬棘輪中介質顆粒整流的效果有顯著的影響.圖4給出了顆粒平均角速度隨功率與氣壓變化的關系.保持氣壓不變，改變放電功率，記錄下氣壓一定時不同放電功率下顆粒的運動狀態(tài).通過分析錄像并計算出顆粒在棘輪中做定向運動的角速度并繪制出曲線，如圖4a所示.結果表明，在氣壓為30 Pa不變時，導體棘輪中塵埃顆粒平均角速度會隨著功率的增加而變小.在功率較低范圍變化時，顆粒平均角速度變化較大.圖4b給出了氣壓對介質顆粒的運動速度的影響，結果表明，在放電功率為40 W不變時，顆粒平均角速度會隨著氣壓的增加而變小.圖4中可以看到低氣壓或低功率時顆粒的速度減小得很快，說明鞘層厚度在低氣壓低功率時變化更大，高氣壓或高功率時鞘層厚度改變則比較小.當增大氣壓或放電功率時，鋸齒表面的鞘層厚度變薄，其對顆粒的約束能力減小，顆粒的平衡位置改變，漂浮高度會下降.顆粒受到鞘層的作用減弱，速度便會變慢.

a.p=30 Pa;b.P=40 W.

金屬棘輪中介質顆粒做定向運動的平均角速度較大.實驗中用到的棘輪為不銹鋼材料，金屬棘輪放在下極板上，放電時金屬棘輪與下極板有著相同的電位.此前的實驗使用樹脂棘輪，樹脂棘輪的電勢高于極板上的電勢.因此在金屬棘輪鋸齒通道內，內外鋸齒對顆粒的約束更強，介質顆粒受到更強的鋸齒鞘層電場力和離子拖曳力，因此在相同實驗的條件下，金屬棘輪中塵埃顆粒做定向運動的平均角速度最大可達1.745 rad/s，遠大于在樹脂棘輪中顆粒的速度.

3 結論

主要從實驗角度對等離子體環(huán)境中的金屬棘輪對塵埃顆粒的整流進行了研究.實驗在之前樹脂棘輪實驗的基礎上，首次使用金屬棘輪來對塵埃顆粒進行整流,顆粒定向運動平均角速度隨放電功率和氣壓增加而減小，實驗結果證明了金屬棘輪對塵埃顆粒進行整流操作的可行性.研究金屬棘輪中塵埃顆粒整流的結果將為進一步建立塵埃等離子體棘輪模型奠定基礎.