Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma
Peculiarities of the keV-energy charge-compensated ion beam interaction with dusty plasma macroparticles are studied theoretically in this paper. Negative potential of the dusty plasma macroparticles makes conditions for their capture into the core of ion beam and their efficient interaction with be...
Збережено в:
| Дата: | 2010 |
|---|---|
| Автори: | , , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17486 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma / A.A. Bizyukov, O.I. Girka, A.Ye. Kashaba, E.V. Romashchenko, K.N. Sereda, A.D. Chibisov // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 147-149. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859864514423422976 |
|---|---|
| author | Bizyukov, A.A. Girka, O.I. Kashaba, A.Ye. Romashchenko, E.V. Sereda, K.N. Chibisov, A.D. |
| author_facet | Bizyukov, A.A. Girka, O.I. Kashaba, A.Ye. Romashchenko, E.V. Sereda, K.N. Chibisov, A.D. |
| citation_txt | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma / A.A. Bizyukov, O.I. Girka, A.Ye. Kashaba, E.V. Romashchenko, K.N. Sereda, A.D. Chibisov // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 147-149. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| description | Peculiarities of the keV-energy charge-compensated ion beam interaction with dusty plasma macroparticles are studied theoretically in this paper. Negative potential of the dusty plasma macroparticles makes conditions for their capture into the core of ion beam and their efficient interaction with beam ions. Heat and mass balances of the macroparticles in ion-beam system are considered. It is shown that it takes several milliseconds for the temperature of macroparticles to reach the boiling temperature under the intensive keV ion beam bombardment. Decreasing of the macroparticles mass is associated with both sputtering by the ion beam and evaporating after reaching the boiling temperature.
Теоретически исследованы особенности взаимодействия компенсированного по заряду ионного пучка средних энергий с макрочастицами пылевой плазмы. Отрицательный потенциал макрочастиц создает условия для захвата пылевых частиц в остов ионного пучка, который обычно имеет положительный потенциал, и эффективного взаимодействия с ионным пучком. Рассмотрены тепловой и массовый балансы макрочастиц в ионно-плазменной системе. Показано, что при облучении пылевой плазмы интенсивными пучками ионов средних энергий за времена порядка десятка миллисекунд температура макрочастиц достигает температуры кипения. Уменьшение массы макрочастиц связано как с распылением ионным пучком, так и с испарением после достижения температуры кипения.
Теоретично досліджено особливості взаємодії компенсованого за зарядом іонного пучка середніх енергій з макрочастинками пилової плазми. Від’ємний потенціал макрочастинок створює умови для захоплення пилових частинок до остову іонного пучка, який зазвичай має позитивний потенціал, та ефективної взаємодії з іонним пучком. Розглянуто тепловий та масовий баланси макрочастинок в іонно-плазмовій системі. Показано, що при опроміненні пилової плазми інтенсивними пучками іонів середніх енергій за інтервали часу порядку десятка мілісекунд температура макрочастинок сягає температури кипіння. Зменшення маси макрочастинок пов'язано як з розпиленням іонним пучком, так і з випаровуванням за температури кипіння.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:47:37Z |
| format | Article |
| fulltext |
PHASE STATES OF MACROPARTICLES UNDER INTERACTION
OF keV ION BEAM WITH DUSTY PLASMA
A.A. Bizyukov1, O.I. Girka1, A.Ye. Kashaba1, E.V. Romashchenko 2, K.N. Sereda1, A.D. Chibisov1
1V.N. Karazin Kharkiv National University, Kharkov, Ukraine;
2Volodymyr Dahl East Ukrainian National University, Luhansk, Ukraine
E-mail: girka_oleksiy@mail.ru
Peculiarities of the keV-energy charge-compensated ion beam interaction with dusty plasma macroparticles are studied
theoretically in this paper. Negative potential of the dusty plasma macroparticles makes conditions for their capture into the
core of ion beam and their efficient interaction with beam ions. Heat and mass balances of the macroparticles in ion-beam
system are considered. It is shown that it takes several milliseconds for the temperature of macroparticles to reach the
boiling temperature under the intensive keV ion beam bombardment. Decreasing of the macroparticles mass is associated
with both sputtering by the ion beam and evaporating after reaching the boiling temperature.
PACS: 52.59.-f
1. INTRODUCTION
Dusty plasma is one of the most intensive developing
branches of the modern plasma physics. Dusty plasma
research is of huge practical importance because of
macroparticles (MP) presence in a lot of vacuum-plasma
processes [1].
Peculiarities of the keV-energy charge-compensated
ion beam interaction with dusty plasma MPs is studied
theoretically in this paper. Special attention is paid to the
heat and mass balance of MPs in keV ion beam – plasma
systems.
2. DESCRIPTION OF THEORETICAL
MODEL
The interaction of a MP with the quasineutral ion-
beam plasmas is considered. This plasma is produced by
the middle energy ion beam (1…10 keV) and electrons
which compensate the beam space charge.
Neutralizing the space charge of the beam with middle
energy can be realized without external source of
compensating particles [2]. The accumulation of electrons
in the beam is caused by the ionization in the beam drift
space and ion-electron emission from the beam collector
[3-6]. The density of compensating electrons is of the
same order as that of ion beam. The temperature of
electrons is about 1…10 eV.
The thermal electron current on a MP is greater than
ion current under these conditions. The electrical potential
of a MP is negative and is defined by the electron
temperature. The ion energy is much greater than electron
temperature. That is why we can neglect the electrical
potential of a MP during the calculation of the cross-
section of ion-MP interaction. Cross-section of interaction
between ion and the MP is equal with high accuracy to
that of the MP [7]. Negative potential of the dusty plasma
MPs makes conditions for their capture into the core of
ion beam and their efficient interaction with ion beam.
The physical sputtering and evaporating is taken into
account during the calculation of the MP radius - time
dependence. Sputtering is the main mechanism of mass
decreasing before reaching the boiling temperature Tboil.
Evaporating gives the substantial addition to the mass
decreasing only after reaching Tboil. The mass balance
equation before reaching Tboil is:
dmmp(t)/dt= − πα Jima r2
mp(t)/e, (1)
where α is the sputtering coefficient, Ji is ion flux, ma is
the atomic mass of MP material, е is elementary charge,
mmp is MP mass, rmp is MP radius. Eq. (1) gives the linear
decreasing of radius with time:
r1(t)=r0 − αJimat/(4eρ), (2)
In (2) r0 and ρ are initial radius and mass density of MP.
The power PEVAP spent for evaporating is defined by
the energy EEVAP spent for evaporating the single atom
multiplied by the number ΔN of atoms which leave the
MP per interval Δt after reaching Tboil. Energy required
for the single atom evaporating is proportional to specific
heat of evaporation λ: EEVAP=λ ma.
Let consider the energy balance to get the speed of
evaporation ΔN/Δt from the MP surface. Ion beam
transmits the following energy to the MP:
Pib(t)=π Ji Eeff r2
mp(t)/e. (3)
In (3) Eeff is the energy that is transmitted to the MP by
one incident ion. Eeff is equal to the incident ion kinetic
energy if the collision with MP is perfectly inelastic.
The power spent for sputtering of the atoms from the
MP surface is defined by the energy loss per one sputtered
atom Eout:
PSPUT(t)=πα Ji Eout r2
mp(t)/e. (4)
Radiative cooling power is
Pr(t)=4π ( )tr 2
mp ∈σsb ( )tT 4
mp , (5)
where ∈ is emissivity, σsb is Stephan-Boltzmann constant.
Margin of the power Pib over PSPUT(t) and Pr(t) before
reaching Tboil results in growing of the MP temperature
Tmp(t):
mmp(t) Cp dTmp(t)/dt=Pib(t) − PSPUT (t) − Pr(t). (6)
In (6) Cp is specific heat.
MP boiling goes on without change in the
temperature. The margin of power from the beam is
completely spent for the MP evaporating after reaching
Tboil:
t
N
Δ
Δ = ( ) ( ) ( )
a
rSPUTib
m
tPtPtP
λ
−− . (7)
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 6. 147
Series: Plasma Physics (16), p. 147-149.
One can define the velocity of radius decreasing
during the boiling from the following equation:
3
4
πρ ( )tr 2
mp
( )
dt
tdrmp =− ( ) ( ) ( )
λ
tPtPtP rSPUTib −− . (8)
Integrating the Eq. (8) gives the radius-time
dependence in the result of evaporating after reaching Tboil
with taking into account the sputtering:
r2=r01+
( )
t
e4
mJ
e4
EEJT
melt
ai
melt
outeffi
melt
4
boilSB
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
−
−
−
∈
ρ
α
λρ
α
λρ
σ
. (9)
Consideration of MP melting is also important for
studying the time dynamics of temperature and phase
state. MP melting goes on without any change in
temperature. The margin of power from the beam over Pr
and PSPUT is completely spent for the MP melting after
reaching the melting temperature Tmelt and is proportional
to the specific heat of melting L:
Pmelt(t) = Pib(t) − PSPUT(t) − Pr(t) = L dmmp(t)/dt. (10)
Integrating of Eq. (10) from melting start to the
melting finish gives us the duration of melting phase τmelt:
τmelt=
ai mJ
e4
α
ρ− ( )
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
melt
3
mp tr -
−
( )
( ) ( )
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
−
⎥
⎥
⎦
⎤
∈−−
meltmp
3
1
4
meltSBouteffi
aimelt
3
mp tr
Te4EEJ
LmJtr
σα
α
. (11)
3. ANALYSIS OF THE OBTAINED RESULTS
The temperature-time dependences are found
numerically for copper, titanium and tungsten MPs with
initial radius 10−4 cm. The results of numerical
investigation are shown on Fig. 1, 2. Ion beam energy is
2 keV.
Fig. 1. The temperature-time dependence for copper (1),
titanium (2) and tungsten(3) MPs. Beam current density
is Ji=1,5 А/cm2
Tmelt and Tboil of copper, titanium and tungsten are
shown on Fig. 1, 2 with dashed horizontal lines. The
Fig. 1 shows that 1,5 А/cm2 beam current density doesn`t
allow to heat tungsten MPs up to Tboil. The beam power is
compensated by huge power losses on radiative cooling at
high temperatures and sputtering. The 5,25 А/сm2 beam
current density is feasible for our experimental conditions.
The tungsten MP boiling becomes reachable for such
beam current density.
Fig. 2. The temperature-time dependence for copper (1),
titanium (2) and tungsten(3) MPs. Beam current density
is Ji=5,25 А/cm2
It is shown on Fig. 2 that 5,25 А/сm2 beam current
density allows to heat tungsten MP up to Tboil in 5×10−4 s.
The radius-time dependences for two different beam
current densities are shown on Fig. 3, 4. Fig. 3 shows the
radius of tungsten MP versus time. The following issue
should be underlined. Boiling is unreachable for tungsten
MP at 1,5 А/сm2 current density. Nevertheless, the MP is
completely sputtered in 2,3 s. While at 5,25 А/сm2,
tungsten MP escapes in 0,5 s due to sputtering and
evaporation.
Fig. 3. The radius of tungsten MP versus time under the
bombardment of ion beam with 1,5 А/сm2 (line 1) and
5,25 А/сm2 (line 2). Dashed vertical line (a) shows the
start of melting for the line 1 and (b) – for 2
The boiling is reachable for copper and titanium MPs
at both beam current densities. Titanium MP is
evaporated faster than copper one at both current
densities – at first glance this looks like an absurd
statement. But titanium MP fast evaporating can be
148
explained by the following facts: it has about 1,5 times
higher heat capacity and two times lower mass density in
comparison with copper one.
efficiency of substance evaporating with existing
industrial evaporating systems which are designed for thin
films depositing and utilize containers in the form of
crucibles for the substance to be evaporated.
Fig. 4. The radius of copper (1) and titanium (2) MPs
versus time under the bombardment of ion beam with
1,5 А/сm2. 1a and 2a lines show the same under the
5,25 А/сm2 beam current density
REFERENCES
1. А.А. Andreev, L.P. Sablev, V.М. Shulaev,
S.N. Grygorjev. Vacuum-arc devices and coatings.
Kharkiv: NSC KIPT, 2005 (in Russian).
2. М.D. Gabovych. Plasma ion sources physics and
technics. М.: “Аtomizdat”, 1972 (in Russian).
3. N. Sakudo. Ion sources for ion implantation and ion
beam modification of materials // Rev. Sci. Instrum.
1994, v. 65, N 4, p. 1284–1289.
4. Yu.P. Maishev. Ion-plasma systems and the ways of its
development for the microelectronics applications //
Microelectronics. 1977, v. 3, N 2(81), p. 21 (in
Russian).
4. CONCLUSIONS
5. R.E. Lee. Microfabrication by ion-beam etching // J.
Vac. Sci. Technol. 1979, v. 16, N 2, p. 164–170. Heat and mass balances of the MPs in ion-beam-
plasma system are considered. It is shown that it takes
several milliseconds for the temperature of MPs to reach
the boiling temperature under the intensive keV ion beam
bombardment. Decreasing of the MPs mass is associated
with both sputtering by the ion beam and evaporating
after reaching the boiling temperature. Numerical
simulations demonstrated that the ion beam – dusty
plasma system can compete in the respect of energy
6. L. Wartski, C. Schwebel, J. Aubert. Radio frequency,
microwave, and electron cyclotron resonance ion
sources for industrial applications // Rev. Sci. Instrum.
1996, v. 67, N 3, p. 895–900.
7. Andre Anders. Growth and decay of macroparticles: A
feasible approach to clean vacuum arc plasmas? // J.
Appl. Phys. 1997, v. 82, N 8, p. 3679-3688.
Article received 15.09.10
ФАЗОВЫЕ СОСТОЯНИЯ МАКРОЧАСТИЦ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
ИОННЫХ ПУЧКОВ СРЕДНИХ ЭНЕРГИЙ С ПЫЛЕВОЙ ПЛАЗМОЙ
А.А. Бизюков, А.И. Гирка, А.Е. Кашаба, Е.В. Ромащенко, К.Н. Середа, А.Д. Чибисов
Теоретически исследованы особенности взаимодействия компенсированного по заряду ионного пучка
средних энергий с макрочастицами пылевой плазмы. Отрицательный потенциал макрочастиц создает условия
для захвата пылевых частиц в остов ионного пучка, который обычно имеет положительный потенциал, и
эффективного взаимодействия с ионным пучком. Рассмотрены тепловой и массовый балансы макрочастиц в
ионно-плазменной системе. Показано, что при облучении пылевой плазмы интенсивными пучками ионов
средних энергий за времена порядка десятка миллисекунд температура макрочастиц достигает температуры
кипения. Уменьшение массы макрочастиц связано как с распылением ионным пучком, так и с испарением
после достижения температуры кипения.
ФАЗОВІ СТАНИ МАКРОЧАСТИНОК ПРИ ВЗАЄМОДІЇ
ІОННИХ ПУЧКІВ СЕРЕДНІХ ЕНЕРГІЙ З ПИЛОВОЮ ПЛАЗМОЮ
О.А. Бізюков, О.І. Гірка, А.Є. Кашаба, О.В. Ромащенко, К.М. Середа, О.Д. Чібісов
Теоретично досліджено особливості взаємодії компенсованого за зарядом іонного пучка середніх енергій з
макрочастинками пилової плазми. Від’ємний потенціал макрочастинок створює умови для захоплення пилових
частинок до остову іонного пучка, який зазвичай має позитивний потенціал, та ефективної взаємодії з іонним
пучком. Розглянуто тепловий та масовий баланси макрочастинок в іонно-плазмовій системі. Показано, що при
опроміненні пилової плазми інтенсивними пучками іонів середніх енергій за інтервали часу порядку десятка
мілісекунд температура макрочастинок сягає температури кипіння. Зменшення маси макрочастинок пов'язано
як з розпиленням іонним пучком, так і з випаровуванням за температури кипіння.
149
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-17486 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T15:47:37Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Bizyukov, A.A. Girka, O.I. Kashaba, A.Ye. Romashchenko, E.V. Sereda, K.N. Chibisov, A.D. 2011-02-26T22:27:40Z 2011-02-26T22:27:40Z 2010 Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma / A.A. Bizyukov, O.I. Girka, A.Ye. Kashaba, E.V. Romashchenko, K.N. Sereda, A.D. Chibisov // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 6. — С. 147-149. — Бібліогр.: 7 назв. — англ. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17486 Peculiarities of the keV-energy charge-compensated ion beam interaction with dusty plasma macroparticles are studied theoretically in this paper. Negative potential of the dusty plasma macroparticles makes conditions for their capture into the core of ion beam and their efficient interaction with beam ions. Heat and mass balances of the macroparticles in ion-beam system are considered. It is shown that it takes several milliseconds for the temperature of macroparticles to reach the boiling temperature under the intensive keV ion beam bombardment. Decreasing of the macroparticles mass is associated with both sputtering by the ion beam and evaporating after reaching the boiling temperature. Теоретически исследованы особенности взаимодействия компенсированного по заряду ионного пучка средних энергий с макрочастицами пылевой плазмы. Отрицательный потенциал макрочастиц создает условия для захвата пылевых частиц в остов ионного пучка, который обычно имеет положительный потенциал, и эффективного взаимодействия с ионным пучком. Рассмотрены тепловой и массовый балансы макрочастиц в ионно-плазменной системе. Показано, что при облучении пылевой плазмы интенсивными пучками ионов средних энергий за времена порядка десятка миллисекунд температура макрочастиц достигает температуры кипения. Уменьшение массы макрочастиц связано как с распылением ионным пучком, так и с испарением после достижения температуры кипения. Теоретично досліджено особливості взаємодії компенсованого за зарядом іонного пучка середніх енергій з макрочастинками пилової плазми. Від’ємний потенціал макрочастинок створює умови для захоплення пилових частинок до остову іонного пучка, який зазвичай має позитивний потенціал, та ефективної взаємодії з іонним пучком. Розглянуто тепловий та масовий баланси макрочастинок в іонно-плазмовій системі. Показано, що при опроміненні пилової плазми інтенсивними пучками іонів середніх енергій за інтервали часу порядку десятка мілісекунд температура макрочастинок сягає температури кипіння. Зменшення маси макрочастинок пов'язано як з розпиленням іонним пучком, так і з випаровуванням за температури кипіння. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Низкотемпературная плазма и плазменные технологии Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma Фазовые состояния макрочастиц при взаимодействии ионных пучков средних энергий с пылевой плазмой Фазові стани макрочастинок при взаємодії іонних пучків середніх енергій з пиловою плазмою Article published earlier |
| spellingShingle | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma Bizyukov, A.A. Girka, O.I. Kashaba, A.Ye. Romashchenko, E.V. Sereda, K.N. Chibisov, A.D. Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| title | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma |
| title_alt | Фазовые состояния макрочастиц при взаимодействии ионных пучков средних энергий с пылевой плазмой Фазові стани макрочастинок при взаємодії іонних пучків середніх енергій з пиловою плазмою |
| title_full | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma |
| title_fullStr | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma |
| title_full_unstemmed | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma |
| title_short | Phase states of macroparticles under interaction of keV ion beam with dusty plasma |
| title_sort | phase states of macroparticles under interaction of kev ion beam with dusty plasma |
| topic | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| topic_facet | Низкотемпературная плазма и плазменные технологии |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/17486 |
| work_keys_str_mv | AT bizyukovaa phasestatesofmacroparticlesunderinteractionofkevionbeamwithdustyplasma AT girkaoi phasestatesofmacroparticlesunderinteractionofkevionbeamwithdustyplasma AT kashabaaye phasestatesofmacroparticlesunderinteractionofkevionbeamwithdustyplasma AT romashchenkoev phasestatesofmacroparticlesunderinteractionofkevionbeamwithdustyplasma AT seredakn phasestatesofmacroparticlesunderinteractionofkevionbeamwithdustyplasma AT chibisovad phasestatesofmacroparticlesunderinteractionofkevionbeamwithdustyplasma AT bizyukovaa fazovyesostoâniâmakročasticprivzaimodeistviiionnyhpučkovsrednihénergiispylevoiplazmoi AT girkaoi fazovyesostoâniâmakročasticprivzaimodeistviiionnyhpučkovsrednihénergiispylevoiplazmoi AT kashabaaye fazovyesostoâniâmakročasticprivzaimodeistviiionnyhpučkovsrednihénergiispylevoiplazmoi AT romashchenkoev fazovyesostoâniâmakročasticprivzaimodeistviiionnyhpučkovsrednihénergiispylevoiplazmoi AT seredakn fazovyesostoâniâmakročasticprivzaimodeistviiionnyhpučkovsrednihénergiispylevoiplazmoi AT chibisovad fazovyesostoâniâmakročasticprivzaimodeistviiionnyhpučkovsrednihénergiispylevoiplazmoi AT bizyukovaa fazovístanimakročastinokprivzaêmodíííonnihpučkívseredníhenergíizpilovoûplazmoû AT girkaoi fazovístanimakročastinokprivzaêmodíííonnihpučkívseredníhenergíizpilovoûplazmoû AT kashabaaye fazovístanimakročastinokprivzaêmodíííonnihpučkívseredníhenergíizpilovoûplazmoû AT romashchenkoev fazovístanimakročastinokprivzaêmodíííonnihpučkívseredníhenergíizpilovoûplazmoû AT seredakn fazovístanimakročastinokprivzaêmodíííonnihpučkívseredníhenergíizpilovoûplazmoû AT chibisovad fazovístanimakročastinokprivzaêmodíííonnihpučkívseredníhenergíizpilovoûplazmoû |