Химическая модель трехкомпонентной пылевой плазмы
Ключевые слова:
пылевая плазма, самосогласованная химическая модель, свободная энергияАннотация
В работе развивается химическая модель трехкомпонентной пылевой плазмы, состоящей из электронов, протонов и пылевых частиц. Концентрация протонов считается фиксированной, а поглощение электронов пылинками рассматривается как связанные состояния, определяемые работой выхода электронов. Получено выражение для свободной энергии системы, которая включает в себя идеальную и неидеальную части. Вклад взаимодействий между частицами рассматривается в рамках обобщенного интегро-дифференциального уравнения Больцмана - Пуассона, полученного из цепочки уравнений Боголюбова для равновесных функций распределения в приближении парных корреляций. Данное уравнение легко решается и трансформируется в систему алгебраических уравнений при переходе в Фурье-пространство и использования свойств дельта функции. Для проведения численных расчетов были выбраны потенциал Кулона в качестве взаимодействия электронов и протонов между собой в отсутствии плазменной среды, и идентичный потенциал с поправкой на конечность размеров для взаимодействия пылевых частиц. Численный расчет показывает, что свободная энергия трехкомпонентной пылевой плазмы является функцией единственного параметра и имеет ярко выраженный минимум, что может быть использовано для определения электрического заряда пылинок, находящихся в буферной плазме.
Библиографические ссылки
2 R.D. Smirnov, A. Yu. Pigarov, M. Rosenberg, S. I. Krasheninnikov and D. A. Mendis, Plasma Phys. Control. Fusion 49, 347-371 (2007).
3 S.I. Popel, A. P. Golub’, A.V. Zakharov, and L.M. Zelenyi, JETP Letters 106(8), 485–490 (2017).
4 S.I. Krasheninnikov, R.D. Smirnov and D.L. Rudakov, Plasma Phys. Control. Fusion, 53, 083001 (2011).
5 G.E. Morll, H.M. Thomas, U. Konopka, and M. Zuzic, Phys. Plasmas 6(5), 1769-1780, (1999).
6 V.E. Fortov and G.E. Morfill (ed) Complex and Dusty Plasmas (Boca Raton, FL: CRC Press, 2010), 440 p.
7 H. Ikezi, Phys.Fluids 29(6), 1764-1765, (1986).
8 J.E. Allen, Phys. Scr 45, 497-503, (1992).
9 P.M. Bellan, Physics of Plasmas 11(7), 3368-3379, (2004).
10 A.G. Zagorodny, P.P.J.M. Schram and S.A. Trigger, PRL 84(16), 3694-3597, (2000).
11 P.P.J.M. Schram, A.G. Sitenko, S.A. Trigger and A.G. Zagorodny, Phys.Rev.E. 63, 016403, (2000).
12 Kenneth M. Watson, Phys.Rev 102(1), 12-19, (1956).
13 Vladimir I. Vishnyakov, Phys. Rev. E. 85, 026402 (1-6), (2012).
14 D. Trunec, Z. Bonaventura, P. Zikan and J. Jansky, Contrib. Plasma Phys. 55(6), 481-493, (2015).
15 K. Matyash, R. Schneider, F. Taccogna, A. Hatayama, S. Longo, M. Capitelli, D. Tskhakaya and F.X. Bronold, Contrib. Plasma Phys 47, 595–634, (2007).
16 Gian Luca Delzanno and Xian-Zhu Tang, Physics of Plasmas 22, 113703, (2015).
17 H. M. Mott-Smith and Irving Langmuir, Phys. Rev. 28, 727, (1926).
18 D. Bohm, E. H. S. Burhop, and H. S. W. Massey, The Characteristics of Electrical Discharges in Magnetic Fields (Edited by A. Guthrie and R. K. Wakerling) (McGraw-Hill, New York 1949), ch. 2.
19 Ya.L. Al’pert, A.V. Gurevich, and L.P. Pitaevskii, Space Physics with Artificial Satellites (Plenum Press, New York, 1965).
20 Ira B. Bernstein and Irving N. Rabinowitz, The Physics of Fluids 2, 112, (1959).
21 J. Laframboise, Theory of Spherical and Cylindrical Langmuir Probes in a Collisionless, (Maxwellian Plasma at Rest. Ph.D. thesis, University of Toronto, 1966).
22 J.E. Allen, R.L.F. Boyd and P. Reynolds, Proc. Phys. Soc. 70, 297, (1957).
23 R.V. Kennedy and J.E. Allen J. Plasma Physics 69(6), 485-506, (2003).
24 S.A. Khrapak and G. Morll, Phys. Plasmas. 8(6), 2629-2634, (2001).
25 G.L. Delzanno, A. Bruno, G. Sorasio and G. Lapenta, Physics of Plasmas. 12, 062102, (2005).
26 A.A. Samarian, O.S. Vaulina, A.P. Nefedov, V.E. Fortov, B.W. James and O.F. Petrov, Phys.Rev.E. 64, 056407- 1 – 056407- 8 (2001).
27 Gian Luca Delzanno and Xian-Zhu Tang, PRL 113, 035002, (2014).
28 A. Autricque, S.A. Khrapak, L. Couedel, N. Fedorczak, C. Arnas, J.-M. Layet, and C. Grisolia, Physics of Plasmas 25, 063701, (2018).
29 J Goree, Plasma Sources Sci. Technol. 3, 400-406, (1994).
30 S.A. Khrapak, S.V. Ratynskaia, A.V. Zobnin, A.D. Usachev, V.V. Yaroshenko, M.H. Thoma, M. Kretschmer, H. Höfner, G.E. Morfill, O.F. Petrov, and V.E. Fortov, Phys. Rev. E. 72, 016406-1-016406-10, (2005).
31 A. Barkan, N. D'Angelo, and R.L. Merlino, P.R.L. 73(23), 3093-3096, (1994).
32 A.V. Zobnin, A.P. Nefedov, V.A. Sinel’shchikov, V.E. Fortov, JETP 91(3), 483-487 (2000).
33 M. Lampe, V. Gavrishchaka, G. Ganduli and G.Joyce, P.R.L. 86(23), 5278-5281, (2001).
34 Xian-Zhu Tang and Gian Luca Delzanno, Physics of Plasmas 21, 123708 (2014).
35 Themis Matsoukas and Marc Russell, J. Appl. Phys. 77 (9). 4285-4292, (1995).
36 A.E. Davletov, Yu.V. Arkhipov, and I.M. Tkachenko, Contrib. Plasma Phys. 56 (3-4), 308 – 320 (2016).
37 A.E. Davletov, L.T. Yerimbetova, Y.S. Mukhametkarimov and A.K. Ospanova, Physics of Plasmas 21 (7), 073704, (2014).
