Prachový úvod:
Značná část hmoty ve vesmíru je ve formě prachových zrn o velikosti desítek nanometrů až desítek mikrometrů.
Můžeme je nalézt například v meziplanetárním a mezihvězdném prostoru, ve chvostech komet, v prstencích velkých planet a na
površích i atmosférách planet a měsíců [Goertz, 1989]. Ve vesmíru jsou nejčastěji prachová zrna tvořena ledem, grafitem,
karbidy, silikáty, křemíkem a různými skly. Tato zrna jsou nejrůznějšími procesy nabíjena na značné potenciály a
elektrostatické nebo elektromagnetické síly tak podstatnou měrou ovlivňují jejich dynamiku. To se projevuje například v
radiální struktuře prstenců velkých planet [Northrop 1992, Smith a kol., 1981, Hill, 1982], u prachových proudů objevených
sondou Ulysses u planety Jupiter [Grün a kol., 1993] nebo při levitaci prachu na povrchu Měsíce či Marsu. Mezi základní
nabíjecí procesy patří záchyt primárních částic (elektronů a iontů) na povrchu zrna, sekundární elektronová emise vyvolaná
dopadem primárních elektronů, fotoemise způsobená UV složkou záření Slunce a další procesy, které se uplatňují méně, jako
termoemise a autoemise. O tom, který proces v daném okamžiku nejvíce převáží, rozhodují jak vlastnosti obklopujícího
prostředí, tak materiál a rozměry zrn, případně i historie nabíjení (tj. dvě stejná prachová zrna nemusí mít ve stejných
podmínkách stejný povrchový potenciál). V meziplanetárním prostoru převládá fotoemise, která nabíjí zrna na kladný
povrchový potenciál, který je typicky 5-10 V. Nicméně v magnetosférách planet mohou být prachové částice nabity záporně
vlivem energetických elektronů až na hodnoty 1 keV [Whipple, 1981].
První obrázek znázorňuje prach ve chvostu komety. Na druhém obrázku jsou vidět nespojitosti ve struktuře
Saturnových prstenců způsobené nabitým prachem.
Úkolem našich laboratorních simulací je stanovit základní nabíjecí charakteristiky prachových zrn z různých materiálů a
určit jejich závislosti na rozměrech zrn. Jednou z možností je sledovat vývoj měrného náboje jednoho zrna. Toho je možné
dosáhnout například pozorováním zrn, která prolétla daným prostředím (plazmatem, svazkem nabitých částic) nebo zachycením
jednoho zrna v elektrodynamické pasti. To je také fyzikálním principem unikátní experimentální aparatury pro laboratorní
simulaci mechanizmů nabíjení, která byla postupně vyvinuta na KFPP MFF UK. Tento experiment vychází z návrhu aparatury
postavené na Univerzitě v Heidelbergu [Čermák, 1994]. Aparatura byla dále upravována, detailní popis lze nalézt například
v [Žilavý a kol., 1998, Pavlů a kol., 2004]. Pro studium jsou používána nejrůznější prachová zrna jak z vodivých, tak i z
nevodivých materiálů o velikostech řádově několika mikrometrů, a to především kulového tvaru. Důvodem pro používání kulových
částic je možnost určení jejich povrchového potenciálu a tudíž i klasifikace výsledků.
Snímky melamin-formaldehydových (MF) respektive zinkových zrn používaných v laboratorních
experimentech.
Sekundární emise:
Sekundární elektron-elektronová emise patří mezi základní nabíjecí procesy prachových částic. Elektron, který dopadne
na pevnou látku (těmto elektronům se říká primární), může předat část své kinetické energie elektronu v látce, a ten může
díky této energii látku opustit (těmto elektronům se říká pravé sekundární). O tom zda sekundární elektron látku opustí,
rozhoduje to, v jaké hloubce pod povrchem přijal od primárního elektronu energii. K popisu se používá koeficient sekundární
emise σ, definovaný poměrem všech vystoupivších elektronů z látky (pravé sekundární a rozptýlené primární elektrony)
ku všem dopadlým (primární elektrony) a koeficient pravé sekundární emise δ, definovaný poměrem pravých sekundárních
elektronů ku primárním elektronům. Tyto koeficienty jsou silně závislé na energiích primárních elektronů. Zatímco pro kovy
bývá výtěžek sekundární emise blízký jedné, tak pro izolátory tuto hodnotu značně převyšuje. Pokud mají primární elektrony
energie, pro které je výtěžek sekundární emise větší než jedna, tak se prachové zrno se začne nabíjet na
kladný potenciál. Sekundární elektrony, které mají energii menší než je potenciál zrna, nemohou uniknout z jeho povrchu.
Proto při vzrůstu náboje zrna klesá počet sekundárních elektronů, které částici skutečně opustí. V rovnováze potenciál
zrna dosáhne hodnoty, kdy je výtěžek sekundární emise roven právě jedné. Rovnovážný povrchový potenciál byl měřen jako
funkce energie primárních elektronů a rozměru prachových zrn. Pro skleněná zrna bylo maximum naměřeno pro energie
primárních elektronů 400 eV a pro zrna stříbrná a zinková u hodnoty 700 eV [Velyhan a kol., 2001]. Poloha těchto maxim je
nezávislá na rozměru prachových částic. Na rozdíl od rovinných vzorků nastává pro energie svazku větší než 5 keV opětovný
nárůst povrchového potenciálu, který je dán emisí elektronů ze zadní strany [Pavlů a kol., 2001]. Se vzrůstem energie
primárních elektronů jsou sekundární elektrony emitovány stále ve větší hloubce pod povrchem, a proto pro energie
primárního svazku větší než několik stovek elektronvoltů, velikost rovnovážného povrchového potenciálu a také výtěžku
sekundární emise klesá. Jelikož prachová zrna na rozdíl od rovinných vzorků mají konečný rozměr, tak se při přiblížení
excitační oblasti k zadní straně prachové částice opět zvětšuje množství sekundárních elektronů jež zrno opustí.
Systematické měření ukázalo, že sklon vysoko-energetického chvostu závislosti výtěžku sekundární emise na energii
primárních elektronů nabývá různých hodnot. To je zapříčiněno spojováním jednotlivých částic do klastrů, kde se jednotlivé
částice navzájem stíní [Pavlů a kol., 2001, 2002]. Sekundární elektron, který opustí jedno zrno z klastru může být opět
zachycen jiným zrnem, a tím se výtěžek emise snižuje. Proto je pro klastry složené z většího počtu prachových zrn růst
závislosti výtěžku sekundární emise nižší. Rozdílný sklon vysoko-energetického chvostu byl rovněž pozorován i u klastrů se
stejným počtem zrn, hlavně pro klastry s malým počtem částic. To je dáno rozdílným prostorovým uspořádáním klastrů, kde
dochází u některých k většímu a u jiných k menšímu odstínění primárních elektronů či opětovnému záchytu elektronů
sekundárních.
První obrázek znázorňuje rozdílný sklon vyssoko-energetického chvostu závislosti výtěžku sekundární emise
na energii primárních elektronů pro různě početné klastry. Druhý obrázek znázorňuje růst oblasti ze které jsou sekundární
elektrony emitovýny v zavislosti na energii primárních elektronů. Na třetím obrázku je vidět vliv prostorového uspořádání
klastru na výtěžek sekundární emise.
Model sekundární emise:
O tom, zda naše představa o jednotlivých procesech odpovídá realitě, nás přesvědčí model, který je na základě této
představy vytvořen a jeho porovnání s experimentálními daty. Jelikož se existující model [Chow a kol., 1994] neosvědčil,
byl vytvořen model nový [Němeček a kol., 2002, Richterová a kol., 2004]. V dalších pracích [Richterová a kol., 2005]
byl déle rozšířen a porovnáván s naměřenými daty. Tento model je založen na pronikání primárních elektronů do prachové
částice, kde po uražení střední volné dráhy, která závisí lineárně na energii primárních elektronů, dochází k excitaci
nového elektronu. Pravděpodobnost, že tento elektron dosáhne povrchu částice, klesá exponenciálně s jeho vzdáleností od
povrchu a energie, s jakou ho dosáhne ,je dána energetickým rozdělením. Pokud bude jeho energie větší než je povrchový
potenciál zrna, pak zrno opustí a stane se sekundárním elektronem. Primární elektron utrpí při každé excitaci konstantní
energetickou ztrátu a pokračuje dále náhodným směrem nebo dle kosinového rozdělení do doby než zrno opustí či jeho energie
neklesne na nulu. Model [Richterová a kol., 2005] je upraven po popis sekundární emise se zrna pokrytého tenkou vrstvou
vodivého materiálu. Konkrétně byl porovnán měřením na melamin-formaldehydových (MF) zrnech pokrytých tenkou vrstvou niklu.
Velikosti energetické ztráty a střední volné dráhy primárních elektronů a dále koeficient útlumu excitovaných elektronů
případně i teplota určující energetické rozdělení jsou volné parametry, které je nutno určit při porovnání modelu s
experimentálními výsledky. Tyto modely jsou v dobrém souladu jak pro rovinné vzorky, tak i pro naměřená data z mikronových
částic.
Iontová polní emise:
Pro prachové částice nabité na vysoký kladný povrchový potenciál může mít na jeho rovnovážnou hodnotu vliv i iontová
polní emise. Jde o proces, kdy kladné ionty opouští povrch vlivem silného elektrické pole. Emise kladných iontů je
způsobena třemi hlavními procesy: polní desorpcí, vypařováním a polní ionizací. Všechny tyto procesy jsou založeny na
tunelování elektronů z atomů, které jsou nad povrchem částice. Limit intenzity pole pro iontově polní emisi byl teoreticky
stanoven na hodnotu 3*1010 V/m [Draine a kol., 1979]. Čermák a kol. [1995] ukázal anomální
vybíjecí proud z kladně nabitých skleněných zrn. Přisoudil ho polní emise iontů při poli již 5*108
V/m (o dva řády níže než se očekávalo). Proto může být iontová polní emise důležitý faktor limitující povrchový potenciál
prachových zrn. V našich laboratorních experimentech jsou prachová zrna nabita ionty na vysoký kladná potenciál a poté,
při vypnutí iontového děla, je sledován pokles náboje v čase, a tím i vybíjecí proud. Exponenciální pokles náboje ukazuje,
že jde o iontově polní desorpci [Sternovský a kol., 2001]. Dále byly vyloučené další vysvětlení jako ionizace zbylé
atmosféry polní ionizací, nárůst teploty částic či vliv absorbované vrstvy na částici. Práh polní emise byl pro skleněné
částice naměřen na 5*107 V/m, což je podstatně méně než předpovídá teorie pro kovy. Částice byly
použity ze dvou různých zdrojů se stejnými výsledky. Je patrno, že dielektrika mají podstatně nižší hodnotu prahového
potenciálu než kovy. Pro nepravidelná zinková zrna byl práh naměřen na 108 V/m, což je však rovněž
níže, než předpovídá teorie. Důvodem snížení prahu u kovových zrn byl v tomto případě jejich silně nepravidelní tvar. Bylo zjištěno, že
kovová zrna mají řádově větší vybíjecí proud. Pavlů a kol. [2006/A] naměřil proud o dva řády větší pro niklem pokovená
MF zrna než pro čisté MF. To potvrzuje i Pavlů a kol. [2006 /B]. Dále byla zjištěna nezávislost vybíjecího proudu na
hustotě nabíjecího proudu. Jeřáb a kol. [2007] měřil iontovou polní emisi na zlatých zrnech. Ukázal také nezávislost
vybíjecího proudu na druhu iontů užitých při nabíjení. Tento fakt potvrzuje dřívější předpoklad, že jde o polní desorpci.
Měření ukázalo závislost vybíjení zrna na době nabíjení (odlišné množství implantovaných iontů). Difúze iontů k povrchu
je velmi pomalá (desítky hodin pro He ionty o energii 5 keV), proto je vybíjení limitováno počtem atomů na povrchu
dosažitelných pro desorpci a polní ionizaci. Z práce [Jeřáb a kol.,*] je patrna silná závislost vybíjecího proudu na
čistotě povrchu. Po vyčištění zrna iontovým bombardem vzrostl proud o jeden řád. V této práci bylo také zjištěno, že
vybíjení zrna se děje v několika krocích. Každý z kroků se dá aproximovat exponenciální křivkou a střídají se exponenciály
s exponentem 1 až 2,5 a více než 10. Intenzita 109 V/m je příliš nízká na emisi iontů z kovu.
Nicméně tato energie je dostatečná pro slabě vázané atomy He na povrchu zrna. Na základě předchozích mechanizmů byl
navržen následující scénář nabíjení a vybíjení prachových zrn.
-Primární iont rekombinuje s elektronem ze zrna a zůstane na povrchu.
-Pokud je vhodná pozice pro adsorpci zaplněná, iont rekombinuje a neutrál opustí zrno.
-Část neutrálů opouštějících povrch je ionizovaná silným polem a jejich polní ionizace snižuje náboj zrna.
-Pravděpodobnost polní ionizace roste exponenciálně s intenzitou pole a tento proces limituje dosažitelný povrchový potenciál.
-Pokud je iontové dělo vypnuto, tak desorpce a polní ionizace adsorbovaných iontů snižuje náboj zrna.
-Kroky ve vybíjecí charakteristice ukazují na několik absorpčních pozic lišících se ve vazebné energii.
-Počáteční vybíjení je převážně zapříčiněno polní ionizací atomů desorbovaných z pozic z nejnižší vazebnou energií.
-Pokud jsou tyto pozice prázdné vybíjecí proud klesá o řád a jeho zdrojem jsou ionty z míst s velkou vazební energií.
-Intenzivní iontové bombardování mění strukturu povrchu zrna. Nová struktura má pravděpodobně více vazebných pozic s nižší vazebnou energií.
Citace:
Jeřáb M. a kol., Influence of Charging Conditions on Field
Ion Emission from Dust Grains, IEEE Trans. Plasma Sci., (2007)
Jeřáb M. a kol., The Study of Field Ion Emission from Gold
Dust Grains, (*)
Němeček Z. a kol., The Secondary Emission from Small Spherical
Grains, Dusty Plasma in the New Millenium, edited by R.Bharuthram,
M.Hellberg, P.Shukla, and F. Verheest (American Institut of Physics, Melville,
Ney York, 2002)
Pavlů J. a kol., Secondary Electron Emission from Glass
Microparticles, WDS 2001
Pavlů J. a kol., Charging Properties of Dust Grain Clusters,
Dusty Plasma in the New Millenium, edited by R.Bharuthram, M.Hellberg,
P.Shukla, and F. Verheest (American Institut of Physics, Melville, Ney York, 2002)
Pavlů J. a kol., Mass-Loss Rate for MF Resin Microspheres, IEEE Trans. Plasma Sci.,32(2), (2004)
Pavlů J. a kol., Impact of Surface Properties on the Dust
Grain Charging, Adv. Space Res., (2006/A)
Pavlů J. a kol., Ion Beam Effect on Dust Grains: 2-Influence
of Charging History, Vacuum, 80, (2006/B)
Richterová I. a kol., A Model of Secondary Emission from
Dust Grains and Its Comparsion with an Experiment, IEEE Trans. Plasma Sci., 32(2), (2004)
Richterová I. a kol., Secondary Emission from Dust Grains
with a Surface Layer: Comparison between Experimental and Model Results, Adv.
Space Res., (2005)
Richterová I. a kol., Model of Secondary Emission and its
application on the Charging of Gold Grains, Phys. Rev. B, (2006)
Sternovský Z. a kol., Ion Field emission from
Micrometer-Sized Spherical Glass Grains, IEEE Trans. Plasma Sci., 29(2),
(2001)
Velyhan A. a kol., Secondary Electron Emission from Small
Metallic Grains, WDS 2001
Žilavý P. a kol., Surface Potential of Small Particles Charged by the Medium-Energy
Electron Beam, Vacuum, 139-142,(1998)
Čermák I., Laboruntersuchung Elektrischer Aufladung Kleiner
Staubtilchen, Dissertation, MPI-K Heidelberg, (1994)
Čermák I. A kol., New results in Studies of Electric
Charging of Dust Particles, Adv.Space Res., 15,10, (1995)
Drain B.T., Salpeter E.E., On the Physics of Dust Grains in
Hot Gas, Astrophys. J., 231, (1979)
Goertz C.K., Dusty Plasmas in the Solar System, Rev.Geophys., 27,2, (1989)
Grün E. a kol., Discovery of Jovian Dust Streams and Interstellar Grains by the Ulysses Spacecraft, Nature,
362, 1, (1993)
Hill J.R., Mandis D.A., The Dynamical Evolution of the Saturnian Ring Spokes, J. Geophys. Re., 87, A9, (1982)
Chow V.W., Mandis D.A., Rosenberg M., IEEE Trans. Space Sci., 22 (2), (1994)
Northrop T.G.,Dusty Plasmas, Physical Skripta, (1992)
Smith B.A. a kol., Encounter with Saturn: Voyager 1 Maging Science Results, Science 212, 10, (1981)
Whipple E.C., Potentials of Surfaces in Space, Rev. Prog. Phys., 44, (1981)