Амбіполярна дифузія та реверсія знаку електричного поля в електронегативній плазмі із зарядженими наночастинками
Анотація
У цій роботі запропоновано аналітичну модель амбіполярної дифузії в плазмі, яка складається з електронів, позитивних і негативних іонів та негативно заряджених наночастинок. Отримані формули для коефіцієнтів амбіполярної дифузії як для кожного із сортів заряджених частинок, так і для напруженості амбіполярного електричного поля. У плазмі, що містить лише електрони та позитивні й негативні іони, за високих концентрацій негативних іонів коефіцієнти амбіполярної дифузії кожного виду заряджених частинок наближаються до коефіцієнтів їхньої вільної дифузії, тобто амбіполярна дифузія стає вільною. В плазмі з негативно заряджених наночастинок, електронів та позитивних іонів при високих концентраціях наночастинок коефіцієнт амбіполярної дифузії електронів дорівнює подвійному коефіцієнту їх вільної дифузії, а коефіцієнт амбіполярної дифузії позитивних іонів наближається до подвійного коефіцієнта вільної дифузії наночастинок. В плазмі, що складається з електронів, позитивних та негативних іонів, а також наночастинок, важливим є те, як саме втрачаються вільні електрони, тобто, будуть вони переважно утворювати негативні іони або прилипати до поверхні наночастинок. Якщо домінує прилипання електронів до молекул газу й накопичення негативних іонів, то коефіцієнти амбіполярної дифузії електронів, негативних іонів та наночастинок близькі до їхніх коефіцієнтів вільної дифузії. Якщо вільні електрони переважно зникають внаслідок їх прилипання до наночастинок, то коефіцієнти амбіполярної дифузії електронів, негативних іонів та наночастинок дорівнюють їх подвійним коефіцієнтам вільної дифузії. Виявлено, що коефіцієнт амбіполярної дифузії позитивних іонів залежить від того, як саме вільні електрони втрачаються з плазми. Якщо інтенсивно утворюються негативні іони, то він наближається до коефіцієнта вільної дифузії негативних іонів, а при інтенсивних втратах електронів на поверхні наночастинок він асимптотично зближується з подвійним значенням коефіцієнта вільної дифузії наночастинок. За наявності в плазмі достатньо високих концентрацій негативних іонів та/або заряджених наночастинок напруженість амбіполярного електричного поля суттєво зменшується й навіть може досягти нуля та змінити знак. З плазми зі слабко негативним амбіполярним полем може видалятися надлишок негативних іонів та наночастинок, які накопичуються, що стабілізує горіння розряду. Під час експериментів з ацетиленовою плазмою спостерігався потік дрібних наночастинок на стінку трубки, що може свідчити про зміну знака амбіполярного електричного поля.
Завантаження
Посилання
A. Fridman, and G. Friedman, Plasma Medicine, (John Wiley, Chichester. 2013).
M. Domonkos, P. Tichá, J. Trejbal, and P. Demo, Appl. Sci. 11, 4809 (2021). https://doi.org/10.3390/app11114809
C. E. Luchian, C. Lungoci, M.-A. Ciolan, C.-M. Rimbu, L. D. Miron, and I. Motrescu, Appl. Sci. 15, 10366 (2025). https://doi.org/10.3390/app151910366
P. Attri, K. Ishikawa, T. Okumura, K. Koga, and M. Shiratani, Processes 8, 1002 (2020). https://doi.org/10.3390/pr8081002
N. Puač, M. Gherardi, and M. Shiratani, Plasma Processes and Polymers, 15, 1700174 (2018). https://doi.org/10.1002/ppap.201700174
N.N. Misra, Oliver Schlüter, and P.J. Cullen, editors, Cold Plasma in Food and Agriculture: Fundamentals and Applications, (Academic Press, London, 2016). https://doi.org/10.1016/C2014-0-00009-3
W. Sсhottky, Physikalische Zeitschrift 25, 342 (1924).
W. Schottky, and J. Issendorff, Zeitschrift für Physik 31, 163 (1925). https://doi.org/10.1007/BF02980570
V. Lisovskiy, S. Dudin, and V. Yegorenkov, Phys. Scr. 98, 106101 (2023). https://doi.org/10.1088/1402-4896/acf89c
V. Lisovskiy, J.-P. Booth, J. Jolly, S. Martins, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, and V. Yegorenkov, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 6989 (2007). https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/22/020
N. R. Behera, A. K. Kanakati, S. Barik, S. Dutta, and G. Aravind, J. Chem. Phys. 163, 024322 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0278243
B. Naik, Sh. Sharma, R. Narayanan, D. Sahu, M. Bandyopadhyay, A. Chakraborty, M. Singh, R. D. Tarey, and A. Ganguli, J. Instrumentation, 20, C09003 (2025). https://doi.org/10.1088/1748-0221/20/09/C09003
Z. E. Ankouri, M. El Bojaddaini, M. E. Kaouini, A. Missaoui, and H. Chatei, Contributions to Plasma Physics, 65, e70058 (2025). https://doi.org/10.1002/ctpp.70058
A. Paul, S. Melanson, T. Junginger, and M. Dehnel, J. Phys. Confer. Series, 2743, 012083 (2024). https://doi.org/10.1088/1742-6596/2743/1/012083
A. Paul, S. Melanson, T. Junginger, and M. Dehnel, J. Instrumentation, 19, C05053 (2024). https://doi.org/10.1088/1748-0221/19/05/C05053
I. Sereda, Y. Hrechko, M. Azarenkov, and K. Sereda, Intern. J. Hydrogen Energy, 109, 1321 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2025.02.222
I. Sereda, Y. Hrechko, and M. Azarenkov, Phys. Plasmas, 31, 053516 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0202579
I. Sereda, Y. Hrechko, I. Babenko, and M. Azarenkov, Vacuum, 200, 111006 (2022). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111006
C. Poggi, A. Pimazzoni, E. Sartori, and G. Serianni, Nuclear Fusion, 65, 026064 (2025). https://doi.org/10.1088/1741-4326/adabf9
M. Bacal, editor, Physics and Applications of Hydrogen Negative Ion Sources (Springer, Cham, Switzerland, 2023). https://doi.org/10.1007/978-3-031-21476-9
V. Dudnikov, Development and Applications of Negative Ion Sources, (Springer, Cham, Switzerland, 2023). https://doi.org/10.1007/978-3-031-28408-3
V. Lisovskiy, S. Dudin, A. Shakhnazarian, P. Platonov, and V. Yegorenkov, East European Journal of Physics, (3), 172 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-3-17
S. V. Dudin, S. D. Yakovin, and A. V. Zykov, East European Journal of Physics 3, 606 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-72
V. O. Litvinov, I. I. Okseniuk, D. I. Shevchenko, and V. V. Bobkov, East European Journal of Physics 3, 10 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-3-01
M. Jiménez-Redondo, I. Tanarro, and V.J. Herrero, Plasma Sources Sci. Technol. 31, 065003 (2022). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac70f8
T. Wang, Sh. Rauf, N. Friedrichs, I. Korolov, J. Kenney, and J. Schulze, Phys. Plasmas, 33, 023501 (2026). https://doi.org/10.1063/5.0300388
I. Tanarro, R. J. Peláez, and V. J. Herrero, Plasma Physics and Controlled Fusion, 67, 035014 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6587/adb17b
K. Kalita, R. Moulick, and B. Saikia, Phys. Plasmas, 32, 62105 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0267438
V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, and V. Yegorenkov, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, 6631 (2007). https://doi.org/10.1088/0022-3727/40/21/023
V. Lisovskiy, J.-P. Booth, K. Landry, D. Douai, V. Cassagne, and V. Yegorenkov, Plasma Sources Sci. Technol. 17, 025002 (2008). https://doi.org/10.1088/0963-0252/17/2/025002
E. Baratte, L. Kuijpers, T. Silva, V. Guerra, M. C. M. van de Sanden, J.-P. Booth, and O. Guaitella, Plasma Sources Sci. Technol. 35, 015009 (2026). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ae24a9
P. Viegas, B. Berdugo, and V. Guerra. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 46, 22 (2026). https://doi.org/10.1007/s11090-025-10607-7
R. Masheyeva, M. Vass, M. Myrzaly, Ch.-B. Tian, K. Dzhumagulova, J. Schulze, Z. Donkó, and P. Hartmann, Plasma Sources Sci. Technol. 34, 045017 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6595/adcb6b
V.A. Lisovskiy, and V.D. Yegorenkov, Vacuum, 80, 458 (2006). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2005.07.038
Bh. Ramkorun, G. Chandrasekhar, V. Rangari, S. C. Thakur, R. B Comes, and E. Thomas, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 115004 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad8ae8
J. Niemann, V. Schneider, and H. Kersten, Phys. Plasmas, 32, 013510 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0243765
L. Vogelhuber, I. Korolov, M. Vass, K. Nösges, T. Bolles, K. Köhn, M. Klich, R. P. Brinkmann, and T. Mussenbrock, Plasma Sources Sci. Technol. 34, 125012 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ae253e
D. Yang, X. Wang, Zh. Zhou, H. Li, W. Zhang, Y. Liu, J. Schulze, P. Hartmann, Z. Donkó, and Y. Fu, Appl. Phys. Letters, 127, 124101 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0281351
B. Mahdavipour and J. T. Gudmundsson, Plasma Sources Sci. Technol. 34, 045005 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6595/adc503
R. Masheyeva, M. Vass, X.-K. Wang, Y.-X. Liu, A. Derzsi, P. Hartmann, J. Schulze, and Z. Donkó, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 045019 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad3c69
X.-K. Wang, I. Korolov, S. Wilczek, R. Masheyeva, Y.-X. Liu, Y.-H. Song, P. Hartmann, Z. Donkó, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 085001 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad5eb9
J. B. Thompson, Proc. Phys. Soc. 73, 818 (1959). https://doi.org/10.1088/0370-1328/73/5/416
A. J. Lichtenberg, V. Vahedi, M. A. Lieberman, and T. Rognlien, J. Appl. Phys. 75, 2339 (1994). http://dx.doi.org/10.1063/1.356252
E. Stoffels, W. W. Stoffels, D. Vender, M. Haverlag, G. M. W. Kroesen, F de Hoog, J. Contrib. Plasma Phys. 35, 331 (1995). https://doi.org/10.1002/ctpp.2150350404
Y. T. Lee, M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, F. Bose, H. Baltes, R. Patrick, J. Vac. Sci. Technol. A, 15, 113 (1997). https://doi.org/10.1116/1.580452
S. Kim, M. A. Lieberman, A. J. Lichtenberg, and J. T. Gudmundsson, J. Vac. Sci. Technol. A 24, 2025 (2006). http://dx.doi.org/10.1116/1.2345645
V. Lisovskiy, and V. Yegorenkov, Europhysics Letters, 99, 35002 (2012). https://doi.org/10.1209/0295-5075/99/35002
C. Dominique, and C. Arnas, J. Appl. Phys. 101, 123304 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2748365
C. Arnas, A. Mouberi, K. Hassouni, A. Michau, G. Lombardi, X. Bonnin, F. Bénédic, and B. Pégourié, J. Nuclear Materials, 390 391, 140 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2009.01.148
K.K. Kumar, L. Couëdel, and C. Arnas, Phys. Plasmas, 20, 043707 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4802809
L. Couëdel, K. Kishor Kumar, and C. Arnas, Phys. Plasmas, 21, 123703 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4903465
S. Barbosa, F. R. A. Onofri, L. Couëdel, M. Wozniak, C. Montet, C. Pelcé, C. Arnas, L. Boufendi, E. Kovacevic, J. Berndt, and C. Grisolia, J. Plasma Phys. 82, 615820403 (2016). https://doi.org/10.1017/S0022377816000714
C. Arnas, A. Michau, G. Lombardi, L. Couëdel, and K. Kishor Kumar, Phys. Plasmas 20, 013705 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4776681
L. Worner, E. Kovacevic, J. Berndt, H. M. Thomas, M. H. Thoma, L. Boufendi, and G. E. Morfill, New Journal of Physics, 14, 023024 (2012). https://doi.org/10.1088/1367-2630/14/2/023024
J. Beckers, J. Berndt, D. Block, M. Bonitz, P. J. Bruggeman, L. Couëdel, G. L. Delzanno, et al. Phys. Plasmas, 30, 120601 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0168088
E. Kovacevic, J. Berndt, Th. Strunskus, and L. Boufendi, J. Appl. Phys. 112, 013303 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4731751
E. Kovačević, J. Berndt, I. Stefanović, H.-W. Becker, C. Godde, Th. Strunskus, J. Winter, and L. Boufendi, J. Appl. Phys. 105, 104910 (2009). http://dx.doi.org/10.1063/1.3129318
V. A. Lisovskiy, S. V. Dudin, P. P. Platonov, S. I. Bogatyrenko, and A. A. Minenkov, Probl. At. Sci. Technol. 4, 135 (2019), https://vant.kipt.kharkov.ua/ARTICLE/VANT_2019_4/article_2019_4_135.pdf
M. Mikikian, L. Couedel, M. Cavarroc, Y. Tessier, and L. Boufendi, Eur. Phys. J. Appl. Phys. 49, 13106 (2010). https://doi.org/10.1051/epjap/2009191
M. Mikikian, S. Labidi, E. von Wahl, J. F. Lagrange, T. Lecas, V. Massereau-Guilbaud, I. Géraud-Grenier, et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 59, 014034 (2017). https://doi.org/10.1088/0741-3335/59/1/014034
Sh. Amiranashvilia, and M.Y. Yu, Phys. Plasmas, 9, 4825 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1517049
J.X. Ma, M.Y. Yu, X.P. Liang, J. Zheng, W.D. Liu, and C.X. Yu, Phys. Plasmas, 9, 1584 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1468234
L.Z. Hadid, O. Shebanits, J.-E. Wahlund, M.W. Morooka, A.F. Nagy, and W.L. Tseng, J. Plasma Physics, 88, 555880201 (2022). https://doi.org/10.1017/S0022377822000186
V. Lisovskiy, A. Minenkov, S. Dudin, S. Bogatyrenko, P. Platonov, and V. Yegorenkov, ACS Omega, 7, 47941 (2022). https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05846
M. Mao, J. Benedikt, A. Consoli, and A. Bogaerts, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 225201 (2008). https://doi.org/10.1088/0022-3727/41/22/225201
Yu.P. Raizer, Gas Discharge Physics, (Springer, Berlin, 1991).
M. A. Lieberman, and A. J. Lichtenberg, Principles of plasma discharges and materials processing, (Wiley, New York, 2005).
M. Keidar, and I. I. Beilis, Plasma engineering, (Academic Press, London, 2018).
J. Berndt, E. Kovačević, I. Stefanović, O. Stepanovic, S. H. Hong, L. Boufendi, and J. Winter, Contrib. Plasma Phys. 49, 107 (2009). http://dx.doi.org/10.1063/1.3224874
D. U. B. Aussems, S. A. Khrapak, I. Dogan, M. C. M. van de Sanden, and T. W. Morgan, Phys. Plasmas, 24, 113702 (2017). https://doi.org/10.1063/1.5001576
D. Winske, and M. E. Jones, IEEE Trans. Plasma Sci. 22, 454 (1994). https://doi.org/10.1109/27.310655
S. J. Choi, and M. J. Kushner, IEEE Trans. Plasma Sci. 22, 138 (1994). https://doi.org/10.1109/27.279017
H. H. Hwang, and M. J. Kushner, J. Appl. Phys. 82, 2106 (1997). https://doi.org/10.1063/1.366020
W. Xu, N. D’Angelo, and R. L. Merlino, J. Geophys. Res. 98, 7843 (1993). https://doi.org/10.1029/93JA00309
J. Goree, and T. E. Sheridan, J. Vac. Sci. Technol. A 10, 3540 (1992). https://doi.org/10.1116/1.577781
T. E. Sheridan, J. Goree, Y. T. Chiu, R. L. Rairden, and J. A. Kiessling, J. Geophys. Res. 97, 2935 (1992). https://doi.org/10.1029/91JA02801
G. Lapenta, Phys. Plasmas, 6, 1442 (1999). https://doi.org/10.1063/1.873395
H. A. Erikson, Phys. Rev. 28, 372 (1926). https://doi.org/10.1103/PhysRev.28.372
V.A. Lisovskiy, S.V. Dudin, P. P. Platonov, and V.D. Yegorenkov, Phys. Scr. 98, 025601 (2023). https://doi.org/10.1088/1402-4896/acae48
J.C.W. Chien, Polyacetylene: Chemistry, Physics, and Material, (Academic Press, New York, 1984).
A. M. Saxman, R. Liepins, and M. Aldissi, Prog. Polym. Sci. 11, 57 (1985). https://doi.org/10.1016/0079-6700(85)90008-5
Авторське право (c) 2026 В. Лісовський, С. Дудін, С. Богатиренко, С. Резуненко, В. Єгоренков
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
