CHARGING OF PARTICLES IN MULTICOMPONENT DUSTY PLASMA OF HUMID NITROGEN-OXYGEN MIXTURES

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The charging of micron-sized dust particles in a multicomponent plasma of humid air and H2O:O2:N2 gas mixtures at various gas ionization rates by an external ionization source is considered. The dust particle charge is determined using a kinetic model of ion-molecular processes encompassing over 600 processes for electrons, negative and positive ions, including hydrated ions containing up to 12 water molecules. It is established that, despite the negligible electron number density far from the dust particle in an undisturbed plasma, the charge of dust particles in humid air is determined by the electron flux when the gas ionization rate exceeds a critical value. This leads to relatively high dust particle charges, comparable to those in electropositive gases. The influence of the gas ionization rate and its composition on the dust particle charge is studied. A comparative analysis of the obtained data with the results of the analytical theory of particle charging at elevated pressures is performed. The issue of the influence of particle charge polarization under the action of a point charge of an ion (electron) on the dust particle charge is considered.

About the authors

D. V. Vysotskii

Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research

Moscow, Russia

N. I. Trushkin

Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research

Moscow, Russia

A. V. Filippov

Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research

Email: fav@triniti.ru
Moscow, Russia

V. E. Cherkovets

Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research

Moscow, Russia

References

  1. Цытович В.Н. // УФН. 1997. T. 167. C. 57. https://doi.org/10.3367/UFNr.0167.199701e.0057
  2. Фортов В.Е., Храпак А.Г., Храпак С.А., Молотков В.И., Петров О.Ф. // УФН. 2004. Т. 174. С. 495. https://doi.org/10.3367/UFNr.0174.200405b.0495
  3. Fortov V.E., Ivlev A.V., Khrapak S.A., Khrapak A.G., and Morfll G.E. // Phys. Rep. 2005. V. 421. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2005.08.007
  4. Morfll G.E, Ivlev A.V. // Rev. Mod. Phys. 2009. V. 81. P. 1353. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1353
  5. Melzer A. Physics of dusty plasmas. Cham, Switzerland: Springer, 2019. https://doi.org/10.1007/ 978-3-030-20260-6
  6. Pustylnik M.Y., Pikalev A.A., Zobnin A.V., Semenov I.L., Thomas H.M., and Petrov O.F. // Contrib. Plasma Phys. 2021. V. 61. P. 202100126. https://doi.org/10.1002/ctpp.202100126
  7. Adamovich I., Agarwal S., Ahedo E., Alves L.L., Baalrud S., Babaeva N., Bogaerts A., Bourdon A., Bruggeman P.J., Canal C., Choi E.H., Coulombe S., Donkó Z., Graves D.B., Hamaguchi S., Hegemann D., Hori M., Kim H.-H., Kroesen G.M.W., Kushner M.J., Laricchiuta A., Li X., Magin T.E., Thagard S.M., Miller V., Murphy A.B., Oehrlein G.S., Puac N., Sankaran R.M., Samukawa S., Shiratani M., Simek M., Tarasenko N., Terashima K., Tomas E. Jr., Trieschmann J., Tsikata S., Turner M.M., van der Walt I.J., van de Sanden M.C.M., and von Woedtke T. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022. V. 55. P. 373001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ac5e1c
  8. Beckers J., Berndt J., Block D., Bonitz M., Bruggeman P.J., Couedel L., Delzanno G.L., Feng Y., Gopalakrishnan R., Greiner F., Hartmann P., Horа́nyi M., Kersten H., Knapek C.A., Konopka U., Kortshagen U., Kostadinova E.G., Kovačevic E., Krasheninnikov S.I., Mann I., Mariotti D., Matthews L.S., Melzer A., Mikikian M., Nosenko V., Pustylnik M.Y., Ratynskaia S., Sankaran R.M., Schneider V., Thimsen E.J., Thomas E., Thomas H.M., Tolias P., van de Kerkhof M. // Phys. Plasmas. 2023. V. 30. P.120601. https://doi.org/10.1063/5.0168088
  9. Hegemann D., Gór M., Kalem F., and Navascués P. // Materials Today Nano. 2024. V. 27. P.100503. https://doi.org/10.1016/j.mtnano.2024.100503
  10. Choudhary M. // J. Plasma Phys. 2025. V. 91. P. E7. https://doi.org/10.1017/S0022377824001636
  11. Krivtsun I.V., Momot A.I., Antoniv D.V., and Qin B. // Plasma Chem. Plasma P. 2025. V. 45. P.971. https://doi.org/10.1007/s11090-025-10554-3
  12. Gunn R. // J. Atmos. Sci. 1954. V.11. P.339. https://doi.org/10.1175/1520-0469(1954)011
  13. Keefe D., Nolan P.J., and Rich T.A. // Proceed. Royal Irish Acad. Section A: Mathematical and Physical Sciences. 1959. V. 60. P. 27.
  14. Fuchs N.A. // Geofisica pura e applicata. 1963. V. 56. P. 185. https://doi.org/10.1007/BF01993343
  15. Fuchs N.A. // Bull. Academy of Sciences of the USSR. Geophys. ser. 1964. V. 4. P.579.
  16. Hoppel W.A., Frick G.M. // Aerosol Sci. Tech. 1986. V. 5. P. 1. https://doi.org/10.1080/02786828608959073
  17. Fjeld R.A., McFarland A.R. // J. Aerosol Sci. 1986. V. 17. P. 653. https://doi.org/10.1016/0021-8502(86)90045-5
  18. Oron A., Seinfeld J.H., and Okuyama K. // J. Colloid. Interf. Sci. 1989. V. 133. P. 57. https://doi.org/10.1016/0021-9797(89)90281-6
  19. Yair Y., Levin Z. // J. Geophys. Res.-Atmos. 1989. V. 94. P. 13085. https://doi.org/10.1029/JD094iD11p13085
  20. Reischl G.P., Mӓkelӓ J.M., Karch R., and Necid J. // J. Aerosol Sci. 1996. V. 27. P. 931. https://doi.org/10.1016/0021-8502(96)00026-2
  21. Dhanorkar S., Kamra A.K. // J. Geophys. Res.-Atmos. 2001. V. 106. P. 12055. https://doi.org/10.1029/2000JD900709
  22. Gensdarmes F. // The electrical charging of inactive aerosols in high ionised atmosphere, the electrical charging of artificial beta radioactive aerosols. CEA/Fontenay-aux-Roses, 2000. No. CEA-R-5941.
  23. Clement C.F., Calderbank D.M.J., and Harrison R.G. // J. Aerosol Sci. 1994. V. 25. P. 623. https://doi.org/10.1016/0021-8502(94)90004-3
  24. Clement C.F., Clement R.A., and Harrison R.G. // J. Aerosol Sci. 1995. V. 26. P. 1207. https://doi.org/10.1016/0021-8502(95)00525-0
  25. Clement C.F., Harrison R.G. // J. Aerosol Sci. 2000. V. 31. P.363. https://doi.org/10.1016/S0021-8502(99)00064-6
  26. Albdour S.A., Sharaf O.Z., and Addad Y. // Sci. Total Environ. 2024. V. 955. P.177130. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.177130
  27. Паль А.Ф., Старостин А.Н., Филиппов А.В. // Физика плазмы. 2001. Т. 27. С.155.
  28. Дербенев И.Н., Филиппов А.В. // ЖЭТФ. 2015. Т. 148. С. 391.
  29. Babaeva N.Y., Lee J.K., and Kim H.C. // Plasma Sources Sci. T. 2003. V. 13. P. 127. https://doi.org/10.1088/0963-0252/13/1/016
  30. Babaeva N.Y., Lee J.K. // IEEE Trans. Plasma science. 2004. V. 32. P. 823. https://doi.org/10.1109/TPS.2004.830724
  31. Грач В.С., Гарасёв М.А. ЖЭТФ. 2015. T. 148. С. 150. https://doi.org/10.7868/S0044451015070147
  32. Филиппов А.В., Дербенев И.Н., Куркин С.А. // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. С. 1131. https://doi.org/10.7868/S004445101711027X
  33. Fridman A., Lawrence A.K. Plasma physics and engineering. Boca Raton: CRC press, 2004.
  34. Matsoukas T., Russell M. // J. Appl. Phys. 1995. V. 77. P. 4285. https://doi.org/10.1063/1.359451
  35. Matsoukas T., Russell M. // Phys. Rev. E. 1997. V. 55. P. 991. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.55.991
  36. Shotorban B. // Phys. Rev. E. 2011. V. 3. P. 066403. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.83.066403
  37. Matthews L.S., Shotorban B., and Hyde T.W. // Phys. Rev. E. 2018. V. 97. P. 053207. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.97.053207
  38. Shotorban B. // Phys. Plasmas. 2014. V. 21. P. 033702. https://doi.org/10.1063/1.4868860
  39. Mishra S.K., Misra S. // Phys. Plasmas. 2015. V. 22. P. 023705. https://doi.org/10.1063/1.4907664
  40. Asgari H., Muniandy S.V., and Ghalee A. // J. Plasma Phys. 2014. V. 80. P. 465. https://doi.org/10.1017/S0022377814000014
  41. Филиппов А.В., Дербенев И.Н., Дятко Н.А., Куркин С.А., Лопанцева Г.Б., Паль А.Ф., Старостин А.Н. // ЖЭТФ. 2017. Т. 152. С. 293. https://doi.org/10.7868/S0044451017080077
  42. Паль А.Ф., Серов А.О., Старостин А.Н., Филиппов А.В., Фортов В.Е. // ЖЭТФ. 2001. Т. 119. С. 272.
  43. Белов И.А., Иванов А.С., Иванов Д.А., Паль А.Ф., Старостин А.Н., Филиппов А.В., Демьянов А.В., Петрушевич Ю.В. // ЖЭТФ, 2000. Т. 117. С. 105.
  44. Батыгин В.В., Топтыгин И.Н. Сборник задач по электродинамике. М.: Наука, 1970.
  45. Смайт В. Электростатика и электродинамика. М.: Иностранная литература, 1954.
  46. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н., Лебедев Ю.А., Медведев В.А., Потапов В.К., Ходеев Ю.С. Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. М.: Наука, 1974.
  47. Verwey E.J.W., Overbeek J.T.G. Theory of the Stability of Lyophobic Colloids. New York-Amsterdam-London-Brussels: Elsevier Publishing Company, 1948.
  48. Barnes M.S., Keller J.H., Forster J.C., O’Neill J.A., and Coultas D.K. // Phys. Rev. Lett. 1992. V. 68. P. 313. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.68.313
  49. Дербенев И.Н., Дятко Н.А., Филиппов А.В. // Физика плазмы. 2012. Т. 38. С. 270.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).