Uma plataforma de laboratório para estudar fluxos rotacionais de poeira em um cristal de plasma irradiado por um feixe de elétrons de 10 keV

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 940 (2023) Citar este artigo

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Uma nova plataforma de laboratório foi projetada e construída para a irradiação de um cristal de plasma (PC) com um feixe de elétrons (e-beam) com energia em torno de 10 keV e corrente de dezenas de miliamperes. O feixe eletrônico pulsado colimado em um ponto de alguns milímetros é direcionado a um cristal feito de partículas de poeira levitadas em um plasma de radiofrequência (RF). A plataforma consiste em três câmaras de vácuo conectadas em linha, cada uma com utilidade diferente: uma para gerar elétrons livres em uma descarga Penning de ânodo oco pulsada, outra para a extração e aceleração de elétrons em \(\sim 10\) kV e para focando o feixe eletrônico no campo magnético de um par de bobinas circulares, e o último para produzir PCs acima de um eletrodo acionado por RF. O principal desafio é obter um feixe de energia estável e um PC, garantindo pressões de gás apropriadas, dado que o feixe de energia é formado em alto vácuo (\(\lesssim 10^{-4}\) Torr), enquanto o PC é produzido em pressões muito mais altas (\(\gtrsim 10^{-1}\) Torr). Os principais diagnósticos incluem uma câmera de alta velocidade, um copo Faraday e uma sonda Langmuir. São apresentadas duas aplicações relacionadas com a criação de um par de vórtices de fluxo de poeira e a rotação de um PC pela força de arrasto do feixe eletrônico agindo sobre as partículas de poeira fortemente acopladas. O fluxo de poeira pode tornar-se turbulento como demonstrado pelo espectro de energia, apresentando vórtices em diferentes escalas espaciais.

Cristais de plasma (PCs) são coleções de micropartículas carregadas (ou poeira) imersas em plasma de baixa temperatura dispostas periodicamente nos planos horizontal e vertical1,2,3,4,5. Numa configuração típica de laboratório, as partículas de poeira levitam na bainha de plasma de um eletrodo horizontal, onde a força elétrica que atua sobre elas é proporcional ao campo da bainha e se opõe à força da gravidade. Um cristal de plasma estável é, no entanto, obtido quando as forças repulsivas poeira-poeira de Coulomb, a força de atrito do gás (ou arrasto exercido pelos átomos neutros), a força de arrasto de íons e uma força confinante que mantém as partículas de poeira juntas estão todas em equilíbrio6,7. Como as partículas de poeira são carregadas negativamente e posicionadas umas das outras a distâncias da ordem do comprimento de Debye do plasma, elas estão fortemente acopladas8.

O cristal de plasma pode ser submetido a forças externas, como aquelas geradas por campos elétricos e magnéticos9,10,11,12, forças centrífugas13, jatos de plasma14, feixes de laser15,16,17, feixes de partículas carregadas injetadas18,19,20,21 ou combinações de algumas destas forças, por exemplo, laser e campo magnético22. Em todos esses casos, a dinâmica complexa das partículas de poeira dentro do cristal leva à observação de fenômenos físicos interessantes, como a acústica da poeira ou as ondas longitudinais da rede de poeira23, transições de fase sólida para líquida5,17,24, fluxos de poeira induzidos por cisalhamento16, emissão secundária25, emissão de campo26, hipercarga das partículas de poeira18,19,27, vórtices de poeira20 e rotação da estrutura de poeira28,29,30.

Neste trabalho apresentamos uma nova técnica de irradiação de PCs com feixe de elétrons (e-beam) que nos permite estudar a interação de elétrons energéticos com partículas de poeira fortemente acopladas imersas em plasma. A tensão de aceleração dos elétrons no feixe pode variar na faixa de \(\sim 8\) a 14 kV, enquanto a corrente de feixe eletrônico obtida definida pelo desempenho de uma fonte de elétrons (ou seja, uma descarga de Penning de ânodo oco) é na faixa \(\sim\) 1–30 mA. O feixe eletrônico possui um ponto circular com diâmetro de alguns mm. A energia dos elétrons no feixe eletrônico é 4 ordens de grandeza maior que a energia térmica dos elétrons originados no plasma de RF (que é de alguns eV) onde reside o cristal de poeira. Num plasma de RF, a força de arrasto sobre uma partícula de poeira exercida por estes elétrons de plasma de baixa temperatura é fraca, muito menor que a força elétrica que levita a partícula de poeira e, portanto, pode ser desprezada31. Por outro lado, um feixe eletrônico com energia no nível de \(\sim 10\) keV pode empurrar as partículas de poeira e acelerá-las até grandes velocidades terminais \(\sim\) 1–10 mm s\(^{- 1}\), induzindo efeitos cinéticos interessantes20,21.