О возможности управляемого разрушения микрочастиц плазменно-пылевыми методами

В последние годы интенсивно исследуются процессы, происходящие в плазме, содержащей пылевые частицы [1-3]. Такую среду принято называть пидевой плазмой. Ряд процессов, среди которых можно выделить рекомбинацию электронов и ионов на. поверхности пылевых частиц, фотоэффект и другие, приводит к их быстрой зарядке. Поэтому в такой плазме появляются новые пространственные и временные масштабы, что делает ее поведение значительно более сложным. Интерес к пылевой плазме обусловлен ее широкой распространенностью в природе. Пылевые частицы присутствуют в межзвездной среде, в магнитосферах и ионосферах планет, в атмосферах комет [4,5]. Часто влияние пылевых частиц на. состояние среды, в которой они находятся, велико и может быть даже определяющим. Благодаря лабораторным экспериментам, которые интенсивно проводятся с середины 90-х годов, понимание процессов, происходящих в пылевой плазме, значительно улучшилось. Важным направлением исследований является поиск возможных приложений методов, развитых для описания плазменно-пылевых процессов, для описания тех или иных природных явлений, а. также технологических процессов.

В настоящее время в связи с истощением богатых месторождений в процессе добычи руд и производства, благородных металлов все большее значение приобретает вопрос о повышении эффективности разработки менее богатых месторождений и переработки рудных отвалов и хвостохранилищ, содержащих определенное количество благородных металлов в виде тонковкрапленных фракций. Извлечение вкрапленных металлов из таких фракций, размеры которых не превышают 100 мкм, является весьма, сложной проблемой [6].

Для решения этой проблемы в данной работе предпринимается попытка, использования плазменно-пылевых методов. Идея состоит в том, что, попадая в плазменную среду, мелкодисперсные частицы могут приобрести достаточно большие электрические заряды. Так, в экспериментах [7] наблюдались заряды порядка 5 • 10⁷е, г де —е — заряд электрона. Из электростатики известно, что если по поверхности частицы радиуса а равномерно распределен заряд qd = eZ^, то на поверхность частицы изнутри воздействует давление:

Р= — -Z2

^Р   8^a4^Zd "

В ситуации, когда давление (1) превосходит твердость офроч вещества частицы, возможно ее раскалывание, причем для случая полиминеральной частицы возможно ее разделение на. мономинеральные фракции (ср. с [8]).

Обычно в пылевой плазме мелкодисперсные частицы приобретают отрицательные заряды за. счет попадания на. частицы электронов и ионов окружающей плазмы, что обусловлено большей подвижностью электронов, чем ионов. Однако с точки зрения разрушения мелкодисперсных частиц данная ситуация не представляет существенного интереса, поскольку если частица заряжена отрицательно, то сила электростатического давления приводит к удалению избыточных электронов с поверхности мелкодисперсной частицы, что в конечном итоге ограничивает ее заряд, и разрушение частицы оказывается невозможным.

Иная ситуация возникает, когда, удается создать пылевую плазму с положительно заряженными мелкодисперсными частицами, например, воздействуя на. нее мощным ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. При этом в процессе зарядки частиц существенную роль играет фотоэффект. К известным источникам жесткого излучения высокой интенсивности относятся твердотельная среда, катода, сильноточного тлеющего разряда, рассеяние мощных пикосекундных лазерных импульсов на. релятивистских электронах, лазерно-электронные рентгеновские генераторы, тормозное излучение в рентгеновской трубке, тормозное гамма-излучение быстрых электронов, синхротронное излучение [9-12] и т.д. Так, например, с помощью синхротронного излучения можно создать поток фотонов с плотностью более 1012 фотонов/мм2ю. При этом средняя энергия излучения близка, к 20 кэВ [12]. Лазерно-электронные генераторы способны создавать пучки фотонов с энергиями до 33 кэВ [9]. В ситуации положительных зарядов мелкодисперсных частиц указанный эффект ограничения их зарядов не имеет места, поскольку из-за. нехватки электронов (отделенных от частицы за. счет фотоэффекта.) сила, электростатического давления воздействует непосредственно на. кристаллическую решетку, стремясь разрушить частицу.

Динамика, заряда, мелкодисперсной частицы в плазме в присутствии электромагнитного излучения описывается уравнением

^ ^{— 1} ^

где полный ток I(q ^ ) определяется суммой микроскопических электронного и ионного токов на частицу, а также тока фотоэлектронов I_p h (q d ), образующихся в результате фотоэффекта при взаимодействии электромагнитного излучения с веществом частицы. Покидая частицу в результате фотоэффекта, фотоэлектроны попадают в плазменную среду, вносят вклад в микроскопический ток электронов на. пылевую частицу и тем самым оказывают влияние на. процессы зарядки пылевых частиц.

Для простоты рассмотрим ситуацию, когда, плазма, образована, только заряженными пылевыми частицами и фотоэлектронами. Такая ситуация может быть реализована, например, в вакуумной камере, из которой предварительно откачано вещество и в которую осуществляется впрыскивание (посредством диспенсера) мелкодисперсных частиц. Стенки вакуумной камеры предполагаются прозрачными для жесткого электромагнитного излучения, которое создается источником излучения высокой интенсивности. Частицы седиментируют в камере под действием силы тяжести и облучаются жесткими фотонами, которые выбивают электроны с поверхности мелкодисперсных частиц. В результате образуется плазма, состоящая из электронов и положительно заряженных мелкодисперсных частиц. Схема, установки представлена, на. рис. 1.

Устанавливающийся на частице заряд определяется из стационарного уравнения:

^I ph ^(q d ) + ^I eph ^(q d ) — °-

где образуемый фотоэлектронами ток на. пылевую частицу (носящий название обратного тока) имеет вид

I eph (qd) — -тщеД/тта²

Л +

V -т. V

Z d e² aT e

)'

а ток фотоэлектронов, покидающих пылевую частицу, равен

I ph (q d ) = 3. А

^ max

/

i ph (w^dw.

шах { ш _д +( еу_{( і} / а ~ ) ,Ш тіп }

Здесь ri d — концентрация пылевых частиц, Т_е — температур а электронов, т_е — масса электрона, i_p h (w) — спектральная плотность поток а электромагнитного излучения, ш_шах — верхняя граница спектра излучения, ш_ші_п — нижняя граница спектра излучения, шд — работа выхода материала, формирующего пылевые частицы, 3 — вероятность выбить электрон фотоном с поверхности пылевой частицы, ~ — постоянная Планка.

Рис. 1. Схема, установки по дроблению мелкодисперсных частиц плазменно-пылевыми методами

С учетом (4), (5) переписываем уравнение (3) в виде

4=.„2 [3 -       ^т б ₊ 4 )1=о,

ot                       V .т_е \    аТ_е )

где (iph) =           m         i ph (w)dw.

max{ ^ _R+( eq _d/ a ~) ,^ min}

Решением (6), соответствующим положительному заряду пылевой частицы, является

Z d =

1 ( „Т е \ / I    4 (е²/„Т) < i ph_ >3

^{2   е}2 У \ V         ri d V^T e /.m e

-

Условие раскалывания частицы (совпадающее в случае полиминеральной частицы с условием ее разделения на. мономинеральные фракции) находится с помощью (1) и (7) и имеет вид

„ з   <  <  i ph > ЗУТ е т е

16л/2.ЩіроЧ

.

Здесь учтен тот факт, что, когда, частица, раскалывается, ее заряды являются достаточно большими, так что второе слагаемое в подкоренном выражении в правой части (7) оказывается много больше единицы.

Дальнейшие вычисления производим в предположении, что основным веществом, составляющим частицу, является кварц. Данное рассмотрение представляет практический интерес для работы с золотоносными рудами конкретных месторождений [8]. Для таких частиц твердость вещества стпроч « 90 кбар.

Рис. 2 иллюстрирует минимальные плотности потока электромагнитного излучения, необходимые для раскалывания частиц, от их размеров, вычисленные при Т_е = 1 эВ (типичная температура фотоэлектронов), /3 = 0.1, ст_Пр_Оч ~ 90 кбар.

а, нм

Рис. 2. Зависимость минимальной плотности потока фотонов, необходимой для разлома мелкодисперсных частиц от их радиуса для различных значений концентраций пылевых частиц

Из условия (8) находим, что дробление частиц с размерами, меньшими или порядка 1 мкм, происходит при пд < 10^-3 см^-3, меньшими или порядка 100 нм — при п д <  1 см^-3, меньшими или по рядка 10 нм — при п д <  103 см^-3, что указывает на принципиальную возможность дробления мелкодисперсных частиц и разделения полиминеральных частиц на мономинеральные фракции. Рис. 3 иллюстрирует заряды мелкодисперсных частиц для различных значений концентраций пылевых частиц в поле синхротронного излучения с плотностью потока 10¹⁶ фотонов/мм²-с. Видно, что заряды микронных частиц в поле такого излучения могут достигать величин, превосходящих 107 величины элементарного заряда.

Отметим, что столь значительные заряды достигаются при небольших концентрациях пыли. Данный факт обусловлен тем, что именно в случае небольших концентраций мелкодисперсных частиц количество электронов в образующейся в вакуумной камере плазме оказывается невелико, и их воздействие (обратный ток), приводящий к уменьшению зарядов мелкодисперсных частиц, минимизируется. Аналогичного эффекта можно достигнуть и при больших концентрациях мелкодисперсных частиц, если удастся предложить механизм устранения фотоэлектронов из вакуумной камеры. Отметим, что подобный механизм был предложен для устранения свободных электронов из плазмы [13,14] . В применении к рассматриваемой в данной работе задаче такой механизм предложен не был, и его разработка является предметом будущих исследований.

Рис. 3. Зависимость зарядового числа Z^ от размера мелкодисперсных частиц при плотности потока 1016 фотонов/мм² -с

Работа выполнена по Программе № 5 фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Наночастицы: условия образования, методы анализа и извлечения из минерального сырья», а также при поддержке Совета по грантам Президента РФ (проект № НШ-203.2012.5) для поддержки ведущих научных школ.