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...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Вопросы атомной науки и техники
Datum:2005
Hauptverfasser: Chutov, Yu.I., Goedheer, W.J., Kravchenko, O.Yu., Levada, G.I., Lisitchenko, T.E., Romanenko, R.O.
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 L1 ± Qd 2 E nπLε0 ln rd r dλd , 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