Electric potential and ion drag force in highly collisional complex plasma

Chaudhuri, Manis (2008): Electric potential and ion drag force in highly collisional complex plasma. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

This PhD thesis is a cumulative dissertation that consists of three papers. The first paper describes the qualitative as well as quantitative nature of the electrostatic potential behind a macroparticle in a drifting collisional plasma and also the ion drag force taking into account plasma absorption on the grain surface. Plasma absorption on the grain surface is one of the fundamental properties of complex (dusty) plasmas which results in the "openness" of these systems. It is shown that in the considered regime plasma absorption determines completely the long-range potential. Physically, absorption of the drifting ions on the grain surface generates ion rarefaction behind the grain which opposes the ion focussing effect. In certain parameter regime ion rarefaction effect dominates over focussing effect which makes ion drag force to act in the opposite direction of ion flow i.e we obtain negative ion drag force. In the second paper both the ion drag and electron drag forces acting on an absorbing grain have been calculated in the limit of highly collisional weakly ionized plasmas. The plasma is exposed to an external weak electric field so that both ions and electrons drift with subthermal velocities. The effect of plasma absorption reduces the absolute magnitude of the ion drag force and even can change its sign in certain parameter regimes whereas this effect increases the magnitude of the electron drag force. The total force which is the sum of electric, ion drag and electron drag forces is proportional to the electric field. The proportionality constant represents the effective charge. The calculated value of the effective charge turns out to be of the order of the actual charge. This fact implies that in this parameter regime the drag forces are of minor importance compared to the electric force. The third paper deals with the isotropic potential distribution and the ion drag force acting on an isolated dust particle in highly collisional weakly anisotropic plasma. But unlike the previous two cases where plasma absorption and loss processes were neglected in the vicinity of the grain, in this work we consider these processes. The plasma production is assumed to be due to electron impact ionization whereas for the loss processes two different mechanisms are considered: in high pressure plasmas the loss is mainly due to electron-ion volume recombination and in low/moderate pressure gas discharges the plasma loss is due to ambipolar diffusion towards the chamber walls or electrodes. In the first case the potential consists of two exponential terms and the long range potential is of Yukawa type. In the second case the long range potential is Coulomb-like. It is found that the purely Debye-Hückel potential is obtained only in absence of ionization-recombination processes. The ion drag force is negative when the ionization rate is low, but becomes positive for sufficiently high ionization rate in both cases. The parameter regimes for the positive and negative ion drag forces have been identified.

Abstract

Diese kumulative Dissertation besteht aus drei Veröffentlichungen. Die erste Publikation beschreibt die qualitative und quantitative Natur des elektrostatischen Potenzials hinter einem Makroteilchen in einem stoßdominierten Plasma, sowie der Ionenreibungskraft durch Plasmaabsorption auf der Teilchenoberfläche. Plasmaabsorption auf der Teilchenberfläche ist eine der grundlegenden Eigenschaften der komplexen (staubigen) Plasmen, welche die "Offenheit" dieser Systeme zur Folge hat. Es wird gezeigt, dass im analysierten Bereich Plasmaabsorption das Fernfeld dominiert. Absorption der treibenden Ionen auf der Teilchenoberfläche erzeugt Ionenausdünnung hinter dem Teilchen, das dem Ionenfokussierungseffekt entgegensetzt wirkt. In einem bestimmten Parameterbereich dominiert der Ionenausdünnungseffekt über den Fokussierungseffekt, welcher die Ionenreibungskraft in die dem Ionenfluss entgegengesetzte Richtung wirken lässt. Wir erhalten negative Ionenreibungskraft. In der zweiten Veröffentlichung wurden sowohl die Ionenreibungskraft, als auch die Elektronenreibungskraft, welche auf ein absorbierendes Teilchen wirken, für den Grenzfall stark stoßdominierter, schwach ionisierter Plasmen berechnet. Das Plasma wurde einem schwachen, externen elektrischen Feld ausgesetzt, so dass Ionen und Elektronen mit sub-thermischer Geschwindigkeit driften. Der Effekt der Plasmaabsorption verringert die Stärke der Ionenreibungskraft und kann in einem bestimmten Parameterbereich, in dem dieser Effekt die Stärke der Elektronenreibungskraft erhöht, sogar ihr Vorzeichen umkehren. Die Gesamtkraft, welche sich aus der elektrischen Kraft, der Ionenreibungskraft und der Elektronenreibungskraft zusammensetzt ist proportional zu dem elektrischen Feld. Die Proportionalitätskonstante wird als effektive Ladung bezeichnet. Es stellt sich heraus, dass ihr berechneter Wert von der gleichen Größenordnung wie die wirkliche Ladung ist. Dieses impliziert, dass in diesem Parameterbereich die Reibungskraft von geringerer Bedeutung als die elektrische Kraft ist. Die dritte Publikation beschäftigt sich mit der isotropen Potenzialverteilung und der Ionenreibungskraft, welche auf ein isoliertes Staubteilchen in einem stark stoßdominierten, schwach anisotropen Plasma, wirkt. Im Gegensatz zu den anderen beiden Fällen, in denen Plasmaabsorption und Verlustprozesse in der Nähe des Teilchens vernachlässigt wurden, werden sie in dieser Arbeit berücksichtigt. Es wird angenommen, daß das Plasma durch Elektronstoßionisation erzengt wird, wohingegen für die Verlustprozesse mehrere Mechanismen in Frage kommen: in Hochdruckplasmen ensteht der Verlust im Wesentlichen durch Elektronen-Ionen Volumenrekombination und in Nieder/Mitteldruckplasmen durch ambipolar Diffusion gegen die Kammerwände und Elektroden. Im ersten Fall besteht das Potenzial aus zwei exponentiellen Termen und einem langreuichweitigen Yukawa-Potenzial. Im zweiten Fall ist das Fernfeld Coulomb-artig. Es wurde herausgefunden, dass das Debye-Hückel-Potenzial nur unter Abwesenheit von Ionenrekombinationsprozessen erreicht wird. Die Ionenreibungskraft ist negativ wenn die Ionisierungsrate niedrig ist, wird aber in beiden Fällen positiv, wenn die Ionisierungsrate ausreichend groß ist. Der Parameterbereich wurde sowohl für positive, wie auch für negative Ionenreibungskraft bestimmt.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Highly collisional plasma, Plasma absorption, Electric potential, Ion drag force
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. Oktober 2008
• 1. Bericht­erstatter:in: Morfill, Gregor