Levitation of particles in O₂ plasma

Oxygen discharges are scientifically and industrially interesting owing to chemical properties and physical effects. These latter are mostly due to the presence of negative ions affecting the plasma boundary in front of the surface to be processed. In this contribution we use particles levitating...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Физическая инженерия поверхности
Date:	2004
Main Authors:	Annaratone, B.M., Antonova, T., Thomas, H.M., Morfill, G.E., Lisovskiy, V.A.
Format:	Article
Language:	English
Published:	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України 2004
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98489
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Levitation of particles in O₂ plasma / B.M. Annaratone, T. Antonova, V.A. Lisovskiy, H.M. Thomas, G.E. Morfill // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 4. — С. 165–167. — Бібліогр.: 4 назв. — англ.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98489
record_format	dspace
spelling	Annaratone, B.M. Antonova, T. Thomas, H.M. Morfill, G.E. Lisovskiy, V.A. 2016-04-15T11:04:03Z 2016-04-15T11:04:03Z 2004 Levitation of particles in O₂ plasma / B.M. Annaratone, T. Antonova, V.A. Lisovskiy, H.M. Thomas, G.E. Morfill // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 4. — С. 165–167. — Бібліогр.: 4 назв. — англ. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98489 543.51 Oxygen discharges are scientifically and industrially interesting owing to chemical properties and physical effects. These latter are mostly due to the presence of negative ions affecting the plasma boundary in front of the surface to be processed. In this contribution we use particles levitating in the Oxygen plasma sheath as a diagnostic of the intermediate positions in the sheath between the plasma and the solid surface. The experimental results for three particle sizes are compared with the theoretical levitation force obtained by the modelling of the electronegative plasma sheath and the charging of particles in it. Розряди в кисні представляють науковий і технологічний інтерес завдяки хімічнимвластивостямтафізичним ефектам. Причиною цього є наявність негативних іонів, що впливають на границю плазми перед оброблюваною поверхнею. У даній роботі використовуються частинки, які левітують в приелектродному шарі кисневої плазми як діагностичний засіб для проміжних положень у шарі міжплазмою і твердою поверхнею. Експериментальні результати для трьох розмірів частинок порівнюються з теоретичною силою левітації, отриманоїза допомогою моделювання плазмового шару в електронегативному газі та процесу зарядки в ньому частинок. Разряды в кислороде представляют научный и технологический интерес благодаря химическим свойствам и физическим эффектам. Причиной этого является наличие отрицательных ионов, воздействующих на границу плазмы перед обрабатываемой поверхностью. В данной работе используются частицы, левитирующие в приэлектродном слое кислородной плазмы как диагностическое средство для промежуточных положений в слое между плазмой и твердой поверхностью. Экспериментальные результаты для трех размеров частиц сравниваются с теоретической силой левитации, полученной с помощью моделирования плазменного слоя в электроотрицательном газе и процесса зарядки в нем частиц. en Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности Levitation of particles in O₂ plasma Левітація частинок у плазмі O₂ Левитация частиц в плазме O₂ Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Levitation of particles in O₂ plasma
spellingShingle	Levitation of particles in O₂ plasma Annaratone, B.M. Antonova, T. Thomas, H.M. Morfill, G.E. Lisovskiy, V.A.
title_short	Levitation of particles in O₂ plasma
title_full	Levitation of particles in O₂ plasma
title_fullStr	Levitation of particles in O₂ plasma
title_full_unstemmed	Levitation of particles in O₂ plasma
title_sort	levitation of particles in o₂ plasma
author	Annaratone, B.M. Antonova, T. Thomas, H.M. Morfill, G.E. Lisovskiy, V.A.
author_facet	Annaratone, B.M. Antonova, T. Thomas, H.M. Morfill, G.E. Lisovskiy, V.A.
publishDate	2004
language	English
container_title	Физическая инженерия поверхности
publisher	Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
format	Article
title_alt	Левітація частинок у плазмі O₂ Левитация частиц в плазме O₂
description	Oxygen discharges are scientifically and industrially interesting owing to chemical properties and physical effects. These latter are mostly due to the presence of negative ions affecting the plasma boundary in front of the surface to be processed. In this contribution we use particles levitating in the Oxygen plasma sheath as a diagnostic of the intermediate positions in the sheath between the plasma and the solid surface. The experimental results for three particle sizes are compared with the theoretical levitation force obtained by the modelling of the electronegative plasma sheath and the charging of particles in it. Розряди в кисні представляють науковий і технологічний інтерес завдяки хімічнимвластивостямтафізичним ефектам. Причиною цього є наявність негативних іонів, що впливають на границю плазми перед оброблюваною поверхнею. У даній роботі використовуються частинки, які левітують в приелектродному шарі кисневої плазми як діагностичний засіб для проміжних положень у шарі міжплазмою і твердою поверхнею. Експериментальні результати для трьох розмірів частинок порівнюються з теоретичною силою левітації, отриманоїза допомогою моделювання плазмового шару в електронегативному газі та процесу зарядки в ньому частинок. Разряды в кислороде представляют научный и технологический интерес благодаря химическим свойствам и физическим эффектам. Причиной этого является наличие отрицательных ионов, воздействующих на границу плазмы перед обрабатываемой поверхностью. В данной работе используются частицы, левитирующие в приэлектродном слое кислородной плазмы как диагностическое средство для промежуточных положений в слое между плазмой и твердой поверхностью. Экспериментальные результаты для трех размеров частиц сравниваются с теоретической силой левитации, полученной с помощью моделирования плазменного слоя в электроотрицательном газе и процесса зарядки в нем частиц.
issn	1999-8074
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98489
citation_txt	Levitation of particles in O₂ plasma / B.M. Annaratone, T. Antonova, V.A. Lisovskiy, H.M. Thomas, G.E. Morfill // Физическая инженерия поверхности. — 2004. — Т. 2, № 4. — С. 165–167. — Бібліогр.: 4 назв. — англ.
work_keys_str_mv	AT annaratonebm levitationofparticlesino2plasma AT antonovat levitationofparticlesino2plasma AT thomashm levitationofparticlesino2plasma AT morfillge levitationofparticlesino2plasma AT lisovskiyva levitationofparticlesino2plasma AT annaratonebm levítacíâčastinokuplazmío2 AT antonovat levítacíâčastinokuplazmío2 AT thomashm levítacíâčastinokuplazmío2 AT morfillge levítacíâčastinokuplazmío2 AT lisovskiyva levítacíâčastinokuplazmío2 AT annaratonebm levitaciâčasticvplazmeo2 AT antonovat levitaciâčasticvplazmeo2 AT thomashm levitaciâčasticvplazmeo2 AT morfillge levitaciâčasticvplazmeo2 AT lisovskiyva levitaciâčasticvplazmeo2
first_indexed	2025-11-26T16:22:35Z
last_indexed	2025-11-26T16:22:35Z
_version_	1850627829947957248
fulltext	ФІП ФИП PSE т. 2, № 4, vol. 4, No. 4 165 EXPERIMENTS The plasma was generated by radiofrequency excitation, 13,56 MHz and 300 V (peak-peak) of the upper of two parallel plane electrodes, the lower electrode was grounded with an external ring biased at – 5 V to confine electrosta-tically the particles. These were illuminated by laser-light spread in a thin vertical layer and filmed by a video camera at 90°. Melamine-formaldehyde particles, of diameter 6,81; 3,42 and 1,29 mm were injected in the plasma through a fine mesh from a dispenser at the side edge of the plasma. The experimental arrangement can be found in [1]. Fig. 1 shows the particle position above the electrode. In the intermediate range of pressure 17 < p < 70 Pa the particles remained in the equilibrium position only for a time of the order of about a minute. In this range two, semi-stable, clearly separate equilibrium layers were detected. LANGMUIR PROBE Langmuir electric probe measurements allowed us to derive the plasma parameters. A W probe, 87,5 mm radius and 3 mm long, was inserted from a lateral port and, being slightly bent, could be rotated to scan the space between the electrodes. The probe was RF actively driven with compen- sation on the funda-mental frequency and the second harmonic. When the electronegativity of the discharge is required great care must be taken in the data acquisition. The I – V characteristics were averaged on 1000 ramps and the obtained second derivative graphs could be ave-raged further over 5 sets of measurements. Oxygen gas was constantly introduced in the chamber and the flow rate was increased until the Langmuir probe characteristics were found time independent. The curves were analysed to derive the electron tempe-rature from the electron retardation part of the characteristic and the electron density from the current at plasma potential. The electronegativity of the discharge, α = n–/ne was obtained by the equation ∫ ∫ ∞− ∞− − − −− −− =α pV pe pV p e dVVVIVpV dVVVIVpV m M )( )( '' '' , (1) where M and m are the mass of ion and electron, V is the voltage, Vp is the space potential. Ie″ and I–″ denote the second derivative of the current to the probe in a range where it is clearly attributable res- UDC 543.51 LEVITATION OF PARTICLES IN O2 PLASMA B.M. Annaratone, T.Antonova, V. A. Lisovskiy, H. M. Thomas, G. E. Morfill Centre for Interdisciplinary Plasma Science, Max-Planck Institut fuer Extraterrestrische Physik, (Garching) Germany Scientific Center of Physical Technology of MES and NAS (Kharkov) Ukraine Received 26.10.2004 Oxygen discharges are scientifically and industrially interesting owing to chemical properties and physical effects. These latter are mostly due to the presence of negative ions affecting the plasma boundary in front of the surface to be processed. In this contribution we use particles levitating in the Oxygen plasma sheath as a diagnostic of the intermediate positions in the sheath between the plasma and the solid surface. The experimental results for three particle sizes are compared with the theoretical levitation force obtained by the modelling of the electronegative plasma sheath and the charging of particles in it. Fig.1. The particle positions above the lower electrode with respect to pressure. There are 2 layers for each size of particles (1,29; 3,4 and 6,8 µm) above 20 Pa. ФІП ФИП PSE т. 2, № 4, vol. 2, No. 4166 pectively to electrons and negative ions. The distri- bution of electrons and negative ions are clearly iden- tifiable only for p < 20 Pa, see for example fig. 2. We will have some error in evaluating the areas in the range in which they overlap but this method is valid for any distribution and not sensitive to the value of the negative ion temperature or to collisions. Some data are given in tabl. 1. SIMULATION From the particle levitation position, fig.1 and the Langmuir probe results we deduce that for pressures above 20 Pa collisional effects are important. These effects are not dealt by the collisionless model pre- sented in [2] so we have tried to explain the experi- mental results by numerical simulation. We used the fluid Siglo-RF code (Kinema) [3] for a symmetric RF discharge in O2, the gap between electrodes being 30 mm, the gas pressure p = 6,6 Pa and 49,5 Pa, and the amplitude of RF voltage Urf P- P = 300 V. We obtained the time-averaged profiles of ne, ni, nn (negative ions), see fig. 3 and the electric field and potential, see fig. 4. Particularly interesting is the peak in the electron density at 39,5 Pa, at about 2 mm from the electrode, due to the radiofrequency. We would expect this peak to Fig. 4. Time-averaged profiles of voltage V and electric field E at P = 6,6 and 39,5 Pa. Fig. 3. Time-averaged profiles of electron, positive and negative ions densities at P = 6,6 and 39,5 Pa. be even larger in an asymmetric discharge as in our experiments. The values of α that can be deduced from fig. 3 are somehow higher than the expe- rimentally derived. In plasma environment, with an isotropic distribution of ions, the charge of the particles is calculated using the vacuum appro- ximation, Q = 4πε0rpVf with Vf the floating potentials, derived from: + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − π = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + π e fe e i f i i i kT V m kTen kT Ve M kTen exp 2 1 2 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − π + −− − − kT Ve M kTen fexp 2 . (2) Instead for directed ions we have used the following eq. + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − π = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + e fe e f i i kT V m kTen V V M Ve en exp 2 41 2 0 0 Fig. 2. The second derivative of probe current at P = 5,6 Pa. The 2 peaks shape is caused by the presence of negative ions. LEVITATION OF PARTICLES IN O2 PLASMA Table 1 P (Pa) Te (eV) ne (m –3) α n–(m –3) derived 5,6 2,3 4,7⋅1013 23 1,1⋅1015 19 2,7 8,5⋅1013 25 1,0⋅1015 3,3 1,4⋅1013 – –39 ФІП ФИП PSE т. 2, № 4, vol. 4, No. 4 167 ЛЕВИТАЦИЯ ЧАСТИЦ В О2 ПЛАЗМЕ Б.М. Аннаратоне, Т. Антонова, В.А. Лисовский, Г.М. Томас, Г.Е. Морфилл Разряды в кислороде представляют научный и тех- нологический интерес благодаря химическим свойст- вам и физическим эффектам. Причиной этого является наличие отрицательных ионов, воздействующих на гра- ницу плазмы перед обрабатываемой поверхностью. В данной работе используются частицы, левитирующие в приэлектродном слое кислородной плазмы как диаг- ностическое средство для промежуточных положений в слое между плазмой и твердой поверхностью. Экспе- риментальные результаты для трех размеров частиц сравниваются с теоретической силой левитации, полу- ченной с помощью моделирования плазменного слоя в электроотрицательном газе и процесса зарядки в нем частиц. ЛЕВІТАЦІЯ ЧАСТИНОК У О2 ПЛАЗМІ Б.М. Аннаратоне, Т. Антонова, В.А. Лісовський, Г.М. Томас, Г.Е. Морфілл Розряди в кисні представляють науковий і технологіч- ний інтерес завдяки хімічним властивостям та фізичним ефектам. Причиною цього є наявність негативних іонів, що впливають на границю плазми перед оброблюва- ною поверхнею. У даній роботі використовуються час- тинки, які левітують в приелектродному шарі кисневої плазми як діагностичний засіб для проміжних поло- жень у шарі між плазмою і твердою поверхнею. Експе- риментальні результати для трьох розмірів частинок порівнюються з теоретичною силою левітації, отри- маної за допомогою моделювання плазмового шару в електронегативному газі та процесу зарядки в ньому частинок. Fig. 5. Levitation forces for particles of three sizes from plasma and sheath solution. The horizontal lines define the weight for each particles size. ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − π + −− − − kT Ve M kTen fexp 2 4 . (3) Here all V are negative numbers, V0 is measured from plasma and Vf is measured from the local V0. If collisions are important V0 should be replaced by the drop of voltage on the last m.f.p. We have used M– = 16 and Mi = 32. The levitation force and the weight of the particles are shown in figs. 5 and 6; the lined curves cor- respond to the sheath solution (eq. 3). The theoretical equi-librium position of the particles is indicated by the crossing of the weight line with the respective levitation force. The larger and medium particles have almost coinciding equilibrium position while the smaller particles are clearly in the range where the plasma solution applies (eq. 2). We cannot see the double equilibrium position as in fig.1. This may be attributed to the nonsymmetric set-up of our experiment or to some approximation of the code. REFERENCES 1. Annaratone B.M., Glier M., Stuffler T., Tho- mas H., Raif M., Morfill G.E. Focus on Complex Plasmas//New J. Phys. – 2003. – № 5. – Р. 92. 2. Annaratone B.M., Antonova T., Thomas H. and Morfill G.E. Particles in electronegative plasma submitted//Phys. Rev. Lett. 3. Pitchford L.C, ONeil S.V., Rumble J.R.// Phys Rev A.– 981. – № 23. – Р. 294. 4. Stoffels E., Stoffels W.W., Vender D., Kando M., Kroesen G.M.W., F.J. de Hoog// Phys. Rev. E. – 1995. – № 51. – Р. 2425. B.M. ANNARATONE, T.ANTONOVA, V. A. LISOVSKIY*, H. M. THOMAS, G. E. MORFILL

Levitation of particles in O₂ plasma

Institution

Similar Items