Наночастинки як зонди для визначення довжини релаксації енергії електронів у тліючому розряді постійного струму
Анотація
Запропоновано нову методику визначення довжини релаксації енергії електронів у тліючому розряді постійного струму з використанням наночастинок як діагностичних зондів. Методика ґрунтується на утриманні наночастинок поблизу першої точки зворотності електричного поля в негативному світінні. У цій області локальний максимум потенціалу плазми утворює потенціальну яму для негативно заряджених наночастинок. Таким чином, положення точки зворотності електричного поля можна визначити за розташуванням хмари наночастинок, яку було візуалізовано за допомогою розсіювання лазерного випромінювання. Разом із виміряною товщиною катодного шару та відомою відстанню між електродами це дозволяє оцінити довжину релаксації енергії електронів за допомогою аналітичного співвідношення між цими величинами. Методику експериментально продемонстровано в розряді в ацетилені, де наночастинки природним чином утворюються внаслідок плазмової полімеризації. Встановлено, що в середньому довжина релаксації енергії електронів збільшується зі зростанням напруги розряду. Експериментально оцінені значення виявилися приблизно в 1,5 раза більшими за значення, розраховані за допомогою аналітичної моделі, що ґрунтується на першому коефіцієнті іонізації Таунсенда. Ця розбіжність може бути частково зумовлена припущенням про постійну напруженість електричного поля в катодному шарі, прийнятим в аналітичній моделі. Запропоновану методику також можна поширити на гази, в яких наночастинки природним чином не утворюються, шляхом введення попередньо сформованих наночастинок або їх початкового формування у відповідній газовій суміші.
Завантаження
Посилання
I. Sereda, Y. Hrechko, I. Babenko, and M. Azarenkov, Vacuum, 200, 111006 (2022). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2022.111006
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
I. Sereda, Y. Hrechko, and M. Azarenkov, Phys. Plasmas 31, 053516 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0202579
L. Yang, Y. Xie, X. Peng, D. S. Stepanov, J. Pan, and Ch. Hu, Phys. Plasmas 32, 033510 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0249289
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, K. Sereda, and O. Vorobiov, East European Journal of Physics 2, 470 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-52
J. P. Boeuf, and L. C. Pitchford, J. Phys. D: Appl. Phys. 28, 2083 (1995). https://doi.org/10.1088/0022-3727/28/10/013
K. Rózsa, A. Gallagher, and Z. Donkó, Physical Review E 52, 913 (1995). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.52.913
C.V. Budtz-Jørgensen, J. Bøttiger, and P. Kringhøj, Vacuum 56, 9 (2000). https://doi.org/10.1016/S0042-207X(99)00160-8
V.A. Lisovskiy, and S.D. Yakovin, Technical Physics Letters 26, 891 (2000). https://doi.org/10.1134/1.1321230
Z. Donkó, J. Appl. Phys. 88, 2226 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1288008
V.A. Lisovskiy, V.A. Derevianko, and V.D. Yegorenkov, Vacuum 103, 49 (2014). https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2013.12.008
A. Michau, G. Lombardi, L. Colina Delacqua, M. Redolfi, C. Arnas, P. Jestin, X. Bonnin, and K. Hassouni, Plasma Chem. Plasma Process 32,451 (2012). https://doi.org/10.1007/s11090-012-9357-0
Y. Y. Lau, D. Li, and D. P. Chernin, Phys. Plasmas 30, 093104 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0169276
V. Lisovskiy, S. Dudin, A. Shakhnazarian, S. Rezunenko, V. Yegorenkov, Phys. Plasmas 32, 083501 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0275627
L. D. Tsendin, Physics-Uspekhi 53, 133 (2010). https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201002b.0139
V. A. Lisovskiy, K. P. Artushenko, and V. D. Yegorenkov, Phys. Plasmas, 24, 053501 (2017). https://doi.org/10.1063/1.4982211
S. Siepa, S. Danko, T. V. Tsankov, Th. Mussenbrock, and U. Czarnetzki, J. Phys. D: Appl. Phys. 47, 445201 (2014). https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/44/445201
C. Yuan, J. Yao, E. A. Bogdanov, A. A. Kudryavtsev, K. M. Rabadanov, and Z. Zhou, Phys. Plasmas 26, 023509 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5082698
A. A. Kudryavtsev, A. V. Morin, and L. D. Tsendin, Tech. Phys. 53, 1029 (2008). https://doi.org/10.1134/S1063784208080100
T. C. Anestos, and C. D. Hendricks, J. Appl. Phys. 45, 1176 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1663385
J. C. A. van Huijstee, L. S. Matthews, and T. W. Hyde, Phys. Plasmas 32, 113703 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0287405
E. Thomas, IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 88 (2002). https://doi.org/10.1109/TPS.2002.1003937
E. Thomas, Phys. Scripta 2001, 20 (2006). https://doi.org/10.1238/Physica.Topical.089a00020
G. M. Jellum, and D. B. Graves, J. Appl. Phys. 67, 6490 (1990). https://doi.org/10.1063/1.346081
C. Dominique, and C. Arnas, J. Appl. Phys. 101, 123304 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2748365
C. Arnas, A. Michau, G. Lombardi, L. Couëdel, and K. Kishor Kumar, Phys. Plasmas 20, 013705 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4776681
K. Kishor Kumar, L. Couëdel, and C. Arnas, Phys. Plasmas 20, 043707 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4802809
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
I. Langmuir, C. G. Found, and A. F. Dittmer, Science 60, 392 (1924). https://doi.org/10.1126/science.60.1557.392
J. Niemann, V. Schneider, and H. Kersten, Phys. Plasmas 32, 013510 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0243765
P. Gogoi, B. Chutia, P. Sut, Y. Bailung, N. C. Adhikary, and H. Bailung, Phys. Plasmas 31, 023706 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0177617
L. Wimmer, A. S. Schmitz, M. Kretschmer, and M. H. Thoma, Phys. Plasmas 31, 043702 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0190499
J. Goswami, N. Das, D. Goswami, S. S. Kausik, and B. K. Saikia, Phys. Plasmas 33, 013701 (2026). https://doi.org/10.1063/5.0306369
J. C. A. van Huijstee, L. S. Matthews, and T. W. Hyde. Phys. Plasmas 32, 113703 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0287405
A. R. Westwood, European Polymer Journal 7, 377 (1971). https://doi.org/10.1016/0014-3057(71)90008-5
R. Liepins, and K. Sakaoku, J. Appl. Polym. Sci. 16, 2633 (1972). https://doi.org/10.1002/app.1972.070161016
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
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
V. Lisovskiy, S. Dudin, S. Bogatyrenko, A. Shakhnazarian, and S. Rezunenko, Phys. Plasmas 33, 083704 (2026); https://doi.org/10.1063/5.0326778
J. Winter, J. Berndt, S.-H. Hong, E. Kovacevic, I. Stefanovic, and O. Stepanovic, Plasma Sources Sci. Technol. 18, 034010 (2009). https://doi.org/10.1088/0963-0252/18/3/034010
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
S. M. Miladinović, V. Vriendt, S. A. Robotham, F. Maseri, S. Lucas, and C. L. Wilkins, J. Am. Soc. Mass Spectrometry 21, 411 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jasms.2009.11.005
A. Moshonov, and Y. Avny, J. Appl. Polymer Sci. 25, 771 (1980). https://doi.org/10.1002/app.1980.070250506
B. Alvarez, A. Sarmiento-Santos, and E. Vera-López, J. Phys.: Conf. Series 1386, 012044 (2019). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1386/1/012044
B. Alvarez, A. Sarmiento-Santos, and Y. Hernandez, J. Phys.: Conf. Series 1386, 012042 (2019). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1386/1/012042
B. Alvarez, A. Sarmiento-Santos, and Y. Hernandez, J. Phys.: Conf. Series 1386, 012014 (2019). https://doi.org/10.1088/1742-6596/1386/1/012014
Yu. P. Raizer, Gas discharge physics, (Springer, Berlin, 1991).
L. Couëdel, K. Kishor Kumar, and C. Arnas, Phys. Plasmas 21, 123703 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4903465
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). https://doi.org/10.1063/1.356252
E. Stoffels, W. W. Stoffels, D. Vender, M. Haverlag, G. M. W. Kroesen, and F. J. de Hoog, 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, and R. Patrick, J. Vac. Sci. Technol. A 15, 113 (1997). https://doi.org/10.1116/1.580452
V. Lisovskiy, and V. Yegorenkov, Europhysics Letters 99, 35002 (2012). https://doi.org/10.1209/0295-5075/99/35002
V. Lisovskiy, S. Dudin, S. Bogatyrenko, S. Rezunenko, and V. Yegorenkov, East European Journal of Physics 2, 445 (2026). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2026-2-50
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
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
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
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
X. K. Wang, R. Masheyeva, Y. X. Liu, Y. H. Song, P. Hartmann, Z. Donko, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 085006 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad69c0
R. Masheyeva, M. Vass, M. Myrzaly, C.-B. Tian, K. Dzhumagulova, J. Schulze, Z. Donko, and P. Hartmann, Plasma Sources Sci. Technol. 34, 045017 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6595/adcb6b
H. Luo, J. Kenney, S. Rauf, I. Korolov, and J. Schulze, Plasma Sources Sci. Technol. 32, 115018 (2023). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad0d06
A. Derzsi, M. Vass, R. Masheyeva, B. Horvath, Z. Donko, and P. Hartmann, Plasma Sources Sci. Technol. 33, 025005 (2024). https://doi.org/10.1088/1361-6595/ad1fd5
J. Sangma, N. Sharma, M. Chakraborty, and M. Bandyopadhyay, Phys. Plasmas 29, 033501 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0078194
G.-H. Huang, S.-Y. Xing, F. Gao, and Y.-N. Wang, Phys. Plasmas 32, 123507 (2025). https://doi.org/10.1063/5.0300603
I. Tanarro, R. J. Peláez, and V. J Herrero, Plasma Phys. Control. Fusion 67, 035014 (2025). https://doi.org/10.1088/1361-6587/adb17b
G.J.M. Hagelaar, and L.C. Pitchford, Plasma Sources Sci. Technol. 14, 722 (2005). https://doi.org/10.1088/0963-0252/14/4/011
L.C. Pitchford, L.L. Alves, K. Bartschat, S.F. Biagi, M.C. Bordage et al, Plasma Process. Polym. 14, 1600098 (2017). https://doi.org/10.1002/ppap.201600098
[71] M. Hayashi, Electron collision cross sections determined from beam and swarm data by Boltzmann analysis, in Nonequilibrium Processes in Partially Ionized Gases, edited by M. Capitelli, and J.N. Bardsley, (Plenum Press, New York, 1990). https://doi.org/10.1007/978-1-4615-3780-9
Авторське право (c) 2026 В. Лісовський, С. Дудін, A. Шахназарян, С. Резуненко
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).
