تعامل پلاسما با مواد فراملی

تعامل پلاسما با مواد فراملی

استفاده از فرامادها در ترکیب با پلاسما امکان ایجاد سیستم های بسیار مهم برای پیشرانه الکتریکی فضا را فراهم می کند ، به عنوان مثال برای کنترل جریانهای انرژی موج الکترومغناطیسی. در واقع ، سیستمی که در آن پلاسما از طریق نفوذ می کند و یا با یک سطح از یک ماده تماس می گیرد ، قادر است رفتارهایی را نشان دهد که به طور معمول در سیستم های دیگر مشاهده نمی شود ، یا وقتی که از دو ماده یا پلاسما به طور جداگانه یا در ترکیب با انواع دیگر مواد در کاربردهای فضایی ، چنین پلاسمائی می تواند توسط یک منبع انرژی مصنوعی (با استفاده از تنظیماتی مشابه پلاسمای فناوری که برای سنتز مواد استفاده می شود) تولید شود ، یا حتی ممکن است به عنوان یک پلاسمای فضایی مهار شود. وقتی پلاسما و مواد در کنار هم قرار می گیرند ، می توانند عناصر حیاتی کنترل کننده موج الکترومغناطیسی ، سیستم ضریب شکست منفی را تشکیل دهند یا پدیده های الکترومغناطیسی جدید و عجیب و غریب دیگری را بوجود آورند. دستگاه های ساخته شده با استفاده از چنین سیستم یکپارچه پلاسما / فرامادها ممکن است شامل آنتن های کوچک شده و دستگاه هایی برای جذب ، تعدیل و تشخیص سیگنال های مختلف از مایکروویو تا طول موج های نوری باشند. در داخل سیستم ، فرامادها ممکن است عملکرد یک بستر فعال را برای تسهیل و تداوم تولید پلاسما انجام دهد. به طور خاص ، ساختار ذاتی فرامادها ، با سازمان سلسله مراتبی از ویژگی های آن در سراسر مقیاس های طول چند ، می تواند محلی سازی انرژی موج الکترومغناطیسی اعمال شده در مقیاس های طول موج زیر را تسهیل کند. تشدید حاصل از انرژی موج در واحدهای ساختاری فرامادها ، یک میدان الکتریکی ایجاد می کند که برای تولید و متعاقباً حفظ پلاسما در مقیاس میکروسکوپی ، به اندازه کافی قوی است. از آنجا که واحدهای ساختاری درون متریال فرکانس انتخابی هستند ، می توان از بیش از یک تشدید کننده برای تولید آرایه های زیادی از تخلیه های پلاسمای میکروسکوپی موضعی مکانی در یک سیستم ماده واحد استفاده کرد. بعلاوه ، از آنجا که می توان انرژی مایکروویو را بدون تماس مستقیم به فراماده رساند ، این روش تولید پلاسما ذاتاً بی سیم است.

از طریق مهندسی پارامترهای فرامادی و پلاسما در سطح واحدهای پایه آنها ، ممکن است امکان ایجاد متادهایی بسیار کاربردی مبتنی بر آرایه میکروپلاسما با خواص کاملا غیرخطی وجود داشته باشد. در همان زمان ، با بهره گیری از ویژگی های قابل تنظیم پلاسما و فرامواد ، دستگاه هایی که رفتار غیرخطی خود را در پاسخ به تغییر شرایط کار با حساسیت بالا و عملکرد پیشرفته تنظیم می کنند ، قابل درک هستند.

شکل 9 (الف) یکی از این سیستم ها را نشان می دهد ، جایی که از آنتن پچ برای انتقال بی سیم انرژی مایکروویو به سطح سکوی فعال فرامادها استفاده می شود. میدان الکتریکی که در زیر واحدهای فرامادی تولید می شود ، یونیزاسیون گاز عامل را ، در این حالت ، Ar ، با پلاسما تولید شده در مجاورت و در فاصله نزدیک شکاف ، هدایت می کند. وجود چندین نوع "سلول واحد" که به عنوان تشدید کننده عمل می کنند ، امکان انتخاب فرکانس را فراهم می کند ، بدین وسیله پلاسما در یک مجموعه خاص از حفره های تشدید کننده تولید می شود که فرکانس آن مربوط به تابش مایکروویو اعمال می شود.

نمونه دیگری از یک سیستم مشابه در شکل 9 (ب) نشان داده شده است. در اینجا ، طراحی بستر فرامادی امکان ایجاد نفوذ پذیری منفی در سیستم را هنگام استفاده از انرژی حادثه ای با فرکانس 1.9 گیگاهرتز فراهم می کند. سکوی مواد نمایانگر یک سیستم سه بعدی سازمان یافته از تشدیدکننده های حلقه اسپلیت است که هر کدام روی یک لایه نازک ساخته شده اند. منفی حتی در حضور پلاسما در سیستم حفظ می شود.

شکل 9 (c، d) چندین نمونه از کاربردهای سیستم های پلاسما / فرامادها در فناوری هوا فضا را نشان می دهد. گسیل کننده های الکترون نانو مقیاس ممکن است برای کاتدهای کوچک به عنوان مثال استفاده شوند. مکعب ها برای افزایش کارایی و تسهیل کوچک سازی بیشتر. پمپ های حرارتی مبتنی بر مقیاس نانو که از شار الکترون برای انتقال گرما از سطوح سرد به گرم استفاده می کنند ، می توانند مسیر جدیدی را برای بازیابی و هدایت انرژی هدر رفته در رانشگرهای فضای کوچک ، که در آنها انرژی تأمین می شود ، فراهم کنند.

امکان کنترل انتشار موج الکترومغناطیسی با استفاده از سیستم پلاسما-فراماده برای فناوری هوا فضا بسیار مهم است. تنظیمات آزمایشی در شکل 10 نشان داده شده است. در اینجا ، امواج قادر به انتشار بودند ، از یک ماده نفوذپذیری منفی آغشته به پلاسما عبور می کنند.

مشابه دو نمونه قبلی ، تشدیدکننده های حلقه اسپلیت که در یک سیستم سه بعدی طراحی شده بودند ، کاملاً در پلاسما غوطه ور بودند. دومی یک پلاسمای آرگون به صورت القایی گرم است که با فرکانس اسمی 2.65 گیگاهرتز مشخص می شود. با استفاده از طیف سنجی انتقال ، این مطالعه نشان داد که امواج الکترومغناطیسی از طریق این سیستم در محدوده فرکانسی 1.3-1.7 گیگاهرتز منتشر می شوند ، حتی اگر بیش از این محدوده باشد ، هم نفوذپذیری فراماده و هم مجوز پلاسما منفی هستند.

شکل 9. (الف) نمایش شماتیک

شکل 9. (الف) نمایش شماتیک تولید از راه دور پلاسما با استفاده از فرامادها. توان مایکروویو تابش شده از زوج های آنتن به فرامکانون رزونانس به فرامواد و یک میدان الکتریکی بالا در داخل شکاف خازنی هر سلول واحد فرامادی (به عنوان مثال تشدیدکننده حلقه شکاف C شکل) ایجاد می کند. این پلاسما را که در ناحیه خازنی طول موج فرعی هر سلول واحد فرامادی قرار دارد ، مشتعل و پایدار می کند. چاپ مجدد از Singh و همکاران ، 2014  تحت شرایط مجوز بین المللی Creative Commons Attribution-Non-Commercial-NoDerivs 4.0. (ب) عکس از پلاسما در یک ساختار فرامادی سه بعدی (3 × 3 × 9) در فشار آرگون 0.6 Torr و P = 150 W. چاپ مجدد از Kim و همکاران ، 2018  تحت عنوان Creative Commons Attribution 3.0 مجوز نحوه استفاده از سیستمهای پلاسما / فرامادها در فناوری هوا فضا (پانل پایین): (c) ، ساطع کننده های الکترون با مقیاس نانو ؛ بازنشر از تحت شرایط مجوز Creative Commons Attribution 3.0. (د) ، یک پمپ حرارتی مبتنی بر مقیاس نانو از شار الکترون برای انتقال گرما از سطح سرد به سطح گرم استفاده می کند (د). چنین سیستم هایی می توانند در رانشگرهای فضای کوچک شده بسیار کارآمد باشند.