RF discharge in argon with cylindrical dust particles
Kinetic computer simulations of the low pressure RF discharge in argon with cylindrical and spherical dust particles are carried out using PIC/MCC method. The Monte Carlo technique is used to describe electron and ion collisions with neutral atoms, ions, and dust particles. Obtained results show the...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2005 |
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2005
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79801 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | RF discharge in argon with cylindrical dust particles / Yu.I. Chutov, W.J. Goedheer, O.Yu. Kravchenko, G.I. Levada, T.E. Lisitchenko, R.O. Romanenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 2. — С. 194-196. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859791248761552896 |
|---|---|
| author | Chutov, Yu.I. Goedheer, W.J. Kravchenko, O.Yu. Levada, G.I. Lisitchenko, T.E. Romanenko, R.O. |
| author_facet | Chutov, Yu.I. Goedheer, W.J. Kravchenko, O.Yu. Levada, G.I. Lisitchenko, T.E. Romanenko, R.O. |
| citation_txt | RF discharge in argon with cylindrical dust particles / Yu.I. Chutov, W.J. Goedheer, O.Yu. Kravchenko, G.I. Levada, T.E. Lisitchenko, R.O. Romanenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 2. — С. 194-196. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Kinetic computer simulations of the low pressure RF discharge in argon with cylindrical and spherical dust particles are carried out using PIC/MCC method. The Monte Carlo technique is used to describe electron and ion collisions with neutral atoms, ions, and dust particles. Obtained results show the remarkable influence of the dust particle shape on spatial distributions of RF discharge parameters including the ion density and the dust particle charge. Possible reasons of the influence can be a difference of the collection effective cross-section between spherical and cylindrical dust particles with equal surfaces as well as the balance of charged particles in dusty RF discharges.
Кінетичне комп’ютерне моделювання радіочастотного розряду в аргоні з циліндричними і сферичними пиловими частинками проводилося з використанням PIC/MCC методу. Техніка Монте-Карло використовувалася для опису електронних і іонних зіткнень з нейтральними атомами і пиловими частинками. Отримані результати показують, що форма пилових частинок помітно впливає на просторові розподіли параметрів радіочастотного розряду, в тому числі на розподіли густини іонів і заряду пилових частинок. Можливими причинами цього впливу може бути різниця ефективних перетинів сферичних і циліндричних пилових частинок однакової поверхні, а також баланс заряджених частинок в запорошених радіочастотних розрядах.
Кинетическое компьютерное моделирование радиочастотного разряда в аргоне с цилиндрическими и сферическими пылевыми частицами проводился с использованием PIC/MCC метода. Техника Монте-Карло использовалась для описания электронных и ионных соударений с нейтральными атомами и пылевыми частицами. Полученные результаты показывают, что форма пылевых частиц заметно влияет на пространственные распределения параметров радиочастотного разряда, в том числе на распределения концентрации ионов и заряда пылевых частиц. Возможными причинами этого влияния может быть разница эффективных сечений сферических и цилиндрических пылевых частиц с одинаковой поверхностью, а также баланс заряженных частиц в запыленных радиочастотных разрядах.
|
| first_indexed | 2025-12-02T11:50:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
RF DISCHARGE IN ARGON WITH CYLINDRICAL DUST PARTICLES
Yu. I. Chutov1, W.J. Goedheer2, O.Yu. Kravchenko1, G.I. Levada1, T.E. Lisitchenko1,
R.O. Romanenko1
1Faculty of Radio Physics, Taras Shevchenko Kiev University, Kiev, Ukraine;
2FOM-Institute for Plasma Physics "Rijnhuizen", The Netherlands, www.rijnh.nl
Kinetic computer simulations of the low pressure RF discharge in argon with cylindrical and spherical dust particles are
carried out using PIC/MCC method. The Monte Carlo technique is used to describe electron and ion collisions with
neutral atoms, ions, and dust particles. Obtained results show the remarkable influence of the dust particle shape on
spatial distributions of RF discharge parameters including the ion density and the dust particle charge. Possible reasons
of the influence can be a difference of the collection effective cross-section between spherical and cylindrical dust
particles with equal surfaces as well as the balance of charged particles in dusty RF discharges.
PACS:52.27.Lw
1. INTRODUCTION
Dust particles created in RF discharges due to etching
and sputtering of wall material or due to gas-phase
nucleation, coagulation, and deposition in chemically
active plasmas can have a complex form that is different
from the spherical shape used in most theoretical
investigations and numerical simulations of dusty RF
discharges (see, for example [1]). The shape of dust
particles can remarkably influence the behaviour of the
dust particles in dusty plasmas and discharges. In
particular, laboratory experiments [2,3] show that the
levitation of cylindrical dust particles (microrods) in RF
sheaths depends on their size. Microrods below a critical
length settle parallel to the electric field, while longer
microrods float perpendicular to the field. Therefore
investigations of dusty RF discharges with non-spherical
dust particles are relevant.
The aim of the work is the computer simulation of
dusty RF discharges in argon with cylindrical and
spherical dust particles at various given profiles of the
dust particle density to investigate an influence of the
shape of dust particles on dusty RF discharges.
2. MODEL
A one-dimensional RF discharge is considered
between two plane electrodes separated by a gap of
d=2.0cm which is filled with Ar at the pressure 0.1 Torr.
Immobile cylindrical dust particles of a given radius rd
and a length L are distributed according to a given
distribution in the interelectrode gap with a maximum
density Ndo close to electrodes. The RF discharge is
sustained by the external altering voltage with the
frequency 13.56 MHz and the amplitude Vo = 100 V. The
discharge is grounded at x=d. The dust particles collect
electrons and ions generated in the discharge with density
ne and ni, respectively.
The effective cross-section σ for collection of electrons
and ions by a cylindrical dust particle was obtained using
the conservation of energy and momentum in a Debye
cylinder around the cylindrical dust particles. At the
condition of L >> Rd , the cross-section σ can be written
as:
σ=2r d L1 ±
Qd
2 E nπLε0
ln
rd
r dλd
,
where En is the energy of electrons and ions (in eV)
moving perpendicularly to the axis of the cylindrical dust
particle on a boundary of the Debye cylinder, λ d is the
Debye length, Qd is the total charge of the cylindrical dust
particle in the electron charge, rd and L is the radius and
the length of the cylindrical dust particle, respectively.
The sign “plus” and “minus” is valid for ions and
electrons, respectively.
The PIC/MCC method described in detail earlier for
discharges without dust particles is developed for
computer simulations of the RF discharge with dust
particles. The Monte Carlo technique is used to describe
electron and ion collisions. The collisions include elastic
collisions of electrons and ions with atoms, ionization and
excitation of atoms by electrons, charge exchange
between ions and atoms, as well as the electron and ion
collection by dust particles. In addition to a usual
PIC/MCC scheme, the weighting procedure is used also
for the determination of a superparticle charge part, which
is interacting with a dust particle.
The electron-argon collision cross-sections used in the
model are the same as those used in [4]. The Coulomb
cross-section for electron and ion scattering by immobile
dust particles is taken from [5].
The simulation starts at an initial uniform distribution
of electrons and ions with given densities and is
prolonged by iterations up to a moment when a change of
discharge parameters is less a given limit. Simulation
shows that 400-1000 cycles are enough to obtain the
periodically steady state of RF discharges
3. RESULTS
Obtained typical spatial distributions of the ion ni
density across the interelectrode gap of the RF discharge
are shown in Fig. 1 for spherical (solid line) and
cylindrical (doted lime) dust particles distributed
uniformly in the interelectrode gap with a dust particle
density Nd=5×1011 m-3. The distributions are obtained at a
spherical dust particle radius Rd = 1 µm, and at a
cylindrical dust particle with the length of L=5 µm and
the radius rd =0.1 µm oriented parallel with the electric
field of the RF discharge. Note that the surfaces of both
particles are practically equal. As can be seen in Fig. 1,
the ion ni density is essentially larger in the case of
cylindrical dust particles in the central part of the RF
194 Problems of Atomic Science and Technology. Series: Plasma Physics (11). 2005. № 2. P. 194-196
discharge unlike sheaths where the density is consisted
with one for spherical dust particles. A possible reason of
the difference can be a difference of the collection
effective cross-section between spherical and cylindrical
dust particles with equal surfaces.
There is a difference between spatial distributions of
the dust particle charge Qd for RF discharges with
spherical and cylindrical dust particles shown in Fig. 2 for
case of Fig. 1. It is seen cleanly in Fig. 2 that a non-
monotony of spatial distributions of the dust particle
charge Qd is stronger in the quasi-neutral part of the RF
discharge in the case of spherical dust particles. The
possible reason of the difference can be averaging along
the cylindrical dust particle, which is stretched in the
direction more as the spherical dust particle.
Spatial distributions of the ion density ni across the
interelectrode gap of the RF discharge are shown in Fig. 3
at various spatial distributions of dust particles. The
distributions are obtained at two distributions of dust
particles, namely: at parabolic distributions of the dust
particle density with the ratio α = Nd /Ndo = 0.1 of the
density Nd in the centre of the interelectrode gap to the
density Ndo close to electrode and at uniform distributions
of the dust particles at α = 1. As can be seen in Fig. 3, the
ion density ni is smaller in the central quasi-neutral part of
the RF discharge at uniform distributions of both shape of
dust particles. In sheaths, the ion densities ni are coincided
in the case of uniform and parabolic distributions of
cylindrical dust particles unlike the case of spherical dust
particles where the ion ni density is larger at the uniform
0.0 0.5 1.0
0
4
8
12
16
sphere
cylinder
ni*10-15, m-3
x/d
Fig. 1 Spatial distributions of the ion n
i
density
in the RF discharge with spherical and
cylindrical dust particles
Fig. 2. Spatial distributions of the dust
particle charde Q
d
for spherical and
cylindrical dust particles
0.0 0.5 1.0
0
1000
2000
3000
Qd/ e
x/d
sphere
cylinder
0.0 0.5 1.0
0
5
10
sphere
α=0.1
α=1
ni*10-15, m-3
x/d
Fig. 1. Spatial distributions of the ion density n
i
at
uniform ( α = 1) and parabolic ( α = 0.1)
distributions of spherical and cylindrical dust
particles
0.0 0.5 1.0
0
5
10
15
cylinder
α=0.1
α=1
ni*10-15, m-3
x/d
distribution of the dust particles. The differences of
spatial distributions of the ion ni density indicated above
can be explained by a difference of the collection
effective cross-section between spherical and cylindrical
dust particles with equal surfaces and the balance of
charged particles in dusty RF discharges discussed in
detail in [1].
CONCLUSION
Kinetic computer simulations of the low pressure RF
discharge in argon with cylindrical and spherical dust
particles are carried out using PIC/MCC method. The
Monte Carlo technique is used to describe electron and
ion collisions with neutral atoms, ions, and dust particles.
Obtained results show the remarkable influence of the
dust particle shape on spatial distributions of RF
discharge parameters including the ion density and the
dust particle charge. Possible reasons of the influence can
be a difference of the collection effective cross-section
between spherical and cylindrical dust particles with
equal surfaces as well as the balance of charged particles
in dusty RF discharges.
ACKNOWLEDGEMENT
This work was partially supported by the Science and
Technology Center in Ukraine (project NN-37) and the
grant from the Ukrainian Ministry of Education and
Science.
REFERENCES
1. Yu.I. Chutov, W.J. Goedheer. Dusty Radio Frequency
Discharges in Argon // IEEE Trans. Plasma Phys.
2003, v.31, No 4, p.606-613.
2. B.M. Annaratone, S.A. Khrapak, P. Bryant, G.E.Morfill,
H. Rothermel, H.M. Thomas, M. Zuzic, V.E. Fortov,
V.I. Molotkov, A.P. Nefedov, S.Krikalev, Yu.P.
Semenov. Complex-plasma boundaries // Phys. Rev. E.
2002, v.66, No 5, 056411-4.
3. B.M. Annaratone, A.G. Khrapak, A.V. Ivlev, G. Sollner,
P. Bryant, R. Sutterlin, U. Konopka, K. Yoshino, M.
Zuzic, H.M. Thomas, G.E. Morfill. Levitation of
cylindrical particles in the sheath of an rf plasma //
Phys. Rev. E. 2001, v.63, No 3, 036406
4. M. Surendra, D.B. Graves, G.M. Jellum // Phys. Rev. A
1990, v.41, p.1012-1014.
5. B.A. Trubnikov // Problems of plasma theory. 1963,
v.1, p.122-124 (in Russian).
РАДИОЧАСТОТНЫЙ РАЗРЯД В АРГОНЕ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ ПЫЛЕВЫМИ ЧАСТИЦАМИ
Ю.И. Чутов, В.Дж. Гудхер, О.Ю. Кравченко, Г.И. Левада, Т.Е. Лиситченко, Р.О. Романенко
Кинетическое компьютерное моделирование радиочастотного разряда в аргоне с цилиндрическими и
сферическими пылевыми частицами проводился с использованием PIC/MCC метода. Техника Монте-Карло
использовалась для описания электронных и ионных соударений с нейтральными атомами и пылевыми
частицами. Полученные результаты показывают, что форма пылевых частиц заметно влияет на
пространственные распределения параметров радиочастотного разряда, в том числе на распределения
концентрации ионов и заряда пылевых частиц. Возможными причинами этого влияния может быть разница
эффективных сечений сферических и цилиндрических пылевых частиц с одинаковой поверхностью, а также
баланс заряженных частиц в запыленных радиочастотных разрядах.
РАДІОЧАСТОТНИЙ РОЗРЯД В АРГОНІ З ЦИЛІНДРИЧНИМИ ПИЛОВИМИ ЧАСТИНКАМИ
Ю.І. Чутов, В.Дж. Гудхер, О.Ю. Кравченко, Г.І. Левада, Т.Є. Лиситченко, Р.О. Романенко
Кінетичне комп’ютерне моделювання радіочастотного розряду в аргоні з циліндричними і сферичними
пиловими частинками проводилося з використанням PIC/MCC методу. Техніка Монте-Карло
використовувалася для опису електронних і іонних зіткнень з нейтральними атомами і пиловими частинками.
Отримані результати показують, що форма пилових частинок помітно впливає на просторові розподіли
параметрів радіочастотного розряду, в тому числі на розподіли густини іонів і заряду пилових частинок.
Можливими причинами цього впливу може бути різниця ефективних перетинів сферичних і циліндричних
пилових частинок однакової поверхні, а також баланс заряджених частинок в запорошених радіочастотних
розрядах.
196
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-79801 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-02T11:50:49Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Chutov, Yu.I. Goedheer, W.J. Kravchenko, O.Yu. Levada, G.I. Lisitchenko, T.E. Romanenko, R.O. 2015-04-04T19:54:08Z 2015-04-04T19:54:08Z 2005 RF discharge in argon with cylindrical dust particles / Yu.I. Chutov, W.J. Goedheer, O.Yu. Kravchenko, G.I. Levada, T.E. Lisitchenko, R.O. Romanenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2005. — № 2. — С. 194-196. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS:52.27.Lw https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79801 Kinetic computer simulations of the low pressure RF discharge in argon with cylindrical and spherical dust particles are carried out using PIC/MCC method. The Monte Carlo technique is used to describe electron and ion collisions with neutral atoms, ions, and dust particles. Obtained results show the remarkable influence of the dust particle shape on spatial distributions of RF discharge parameters including the ion density and the dust particle charge. Possible reasons of the influence can be a difference of the collection effective cross-section between spherical and cylindrical dust particles with equal surfaces as well as the balance of charged particles in dusty RF discharges. Кінетичне комп’ютерне моделювання радіочастотного розряду в аргоні з циліндричними і сферичними пиловими частинками проводилося з використанням PIC/MCC методу. Техніка Монте-Карло використовувалася для опису електронних і іонних зіткнень з нейтральними атомами і пиловими частинками. Отримані результати показують, що форма пилових частинок помітно впливає на просторові розподіли параметрів радіочастотного розряду, в тому числі на розподіли густини іонів і заряду пилових частинок. Можливими причинами цього впливу може бути різниця ефективних перетинів сферичних і циліндричних пилових частинок однакової поверхні, а також баланс заряджених частинок в запорошених радіочастотних розрядах. Кинетическое компьютерное моделирование радиочастотного разряда в аргоне с цилиндрическими и сферическими пылевыми частицами проводился с использованием PIC/MCC метода. Техника Монте-Карло использовалась для описания электронных и ионных соударений с нейтральными атомами и пылевыми частицами. Полученные результаты показывают, что форма пылевых частиц заметно влияет на пространственные распределения параметров радиочастотного разряда, в том числе на распределения концентрации ионов и заряда пылевых частиц. Возможными причинами этого влияния может быть разница эффективных сечений сферических и цилиндрических пылевых частиц с одинаковой поверхностью, а также баланс заряженных частиц в запыленных радиочастотных разрядах. This work was partially supported by the Science and Technology Center in Ukraine (project NN-37) and the grant from the Ukrainian Ministry of Education and Science. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Low temperature plasma and plasma technologies RF discharge in argon with cylindrical dust particles Радіочастотний розряд в аргоні з циліндричними пиловими частинками Радиочастотный разряд в аргоне с цилиндрическими пылевыми частицами Article published earlier |
| spellingShingle | RF discharge in argon with cylindrical dust particles Chutov, Yu.I. Goedheer, W.J. Kravchenko, O.Yu. Levada, G.I. Lisitchenko, T.E. Romanenko, R.O. Low temperature plasma and plasma technologies |
| title | RF discharge in argon with cylindrical dust particles |
| title_alt | Радіочастотний розряд в аргоні з циліндричними пиловими частинками Радиочастотный разряд в аргоне с цилиндрическими пылевыми частицами |
| title_full | RF discharge in argon with cylindrical dust particles |
| title_fullStr | RF discharge in argon with cylindrical dust particles |
| title_full_unstemmed | RF discharge in argon with cylindrical dust particles |
| title_short | RF discharge in argon with cylindrical dust particles |
| title_sort | rf discharge in argon with cylindrical dust particles |
| topic | Low temperature plasma and plasma technologies |
| topic_facet | Low temperature plasma and plasma technologies |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/79801 |
| work_keys_str_mv | AT chutovyui rfdischargeinargonwithcylindricaldustparticles AT goedheerwj rfdischargeinargonwithcylindricaldustparticles AT kravchenkooyu rfdischargeinargonwithcylindricaldustparticles AT levadagi rfdischargeinargonwithcylindricaldustparticles AT lisitchenkote rfdischargeinargonwithcylindricaldustparticles AT romanenkoro rfdischargeinargonwithcylindricaldustparticles AT chutovyui radíočastotniirozrâdvargonízcilíndričnimipilovimičastinkami AT goedheerwj radíočastotniirozrâdvargonízcilíndričnimipilovimičastinkami AT kravchenkooyu radíočastotniirozrâdvargonízcilíndričnimipilovimičastinkami AT levadagi radíočastotniirozrâdvargonízcilíndričnimipilovimičastinkami AT lisitchenkote radíočastotniirozrâdvargonízcilíndričnimipilovimičastinkami AT romanenkoro radíočastotniirozrâdvargonízcilíndričnimipilovimičastinkami AT chutovyui radiočastotnyirazrâdvargonescilindričeskimipylevymičasticami AT goedheerwj radiočastotnyirazrâdvargonescilindričeskimipylevymičasticami AT kravchenkooyu radiočastotnyirazrâdvargonescilindričeskimipylevymičasticami AT levadagi radiočastotnyirazrâdvargonescilindričeskimipylevymičasticami AT lisitchenkote radiočastotnyirazrâdvargonescilindričeskimipylevymičasticami AT romanenkoro radiočastotnyirazrâdvargonescilindričeskimipylevymičasticami |