N_2空心阴极放电向微空心阴极放电转变的PIC/MC模拟

开发了氮空心阴极放电PIC/MC二维自洽模型。研究了N2传统空心阴极向微空心阴极放电转变过程中电势和电场的变化。结果表明,不同尺寸的空心阴极放电的电势及电场分布规律几乎类似,但空心阴极孔径减小且气压增加时,电场近似线性增加;典型微空心阴极电场比传统空心阴极放电电场约大3个量级;微空心阴极放电产生的电子,氮分子离子和氮原子离子的密度比传统空心阴极放电约大3个量级,且微空心阴极放电中,N2+密度比N+密度大8倍以上。     

N2微空心阴极放电特性及其阴极溅射的PIC/MC模拟

采用两维PIC/MCC模型模拟了氮气微空心阴极放电以及轰击离子 (N₂⁺,N⁺) 的钛阴极溅射. 主要计算了氮气微空心阴极放电离子 (N₂⁺,N⁺) 及溅射原子Ti的行为分布, 并研究了溅射Ti 原子的热化过程. 结果表明: 在模拟条件下, 空心阴极效应是负辉区叠加的电子震荡; 在对应条件下, 微空心较传统空心放电两种离子 (N₂⁺,N⁺) 密度均大两个量级, 两种离子的平均能量的分布及大小几乎相同; 在放电空间N⁺的密度约为N₂⁺的1/6, 最大能量约大2倍; 在不同参数 (P, T, V)下, 轰击阴极内表面的氮离子(N₂⁺,N⁺)的密度近似均匀, 其平均能量几乎相等; 从阴极溅射出的Ti原子的初始平均能量约6.8 eV, 离开阴极约0.15 mm处几乎完全被热化. 模拟结果为N₂微空心阴极放电等离子体特性的认识提供了参考依据. 关键词： 微空心阴极放电 PIC/MC模拟 2等离子体')" href="#">N₂等离子体     

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采用蒙特卡罗模型对氮空心阴极放电等离子体鞘层离子(N2 、N )的输运过程进行了模拟研究,计算了阴极鞘层中氮离子(N2 、N )的能量及角分布的空间变化和粒子密度及平均能量随放电参数的变化规律。研究结果表明:空心阴极放电产生的氮离子,在鞘层输运过程中,N2 是密度几乎不变的低能粒子;N 是密度逐渐减少的高能粒子。随着电压增加,N 密度减小,平均能量增加;N2 密度和平均能量变化不明显。能量及入射角的相对分布规律与平板电极氮直流辉光放电基本类似,但圆筒空心阴极放电更有利于氮离子的产生。     

N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射模拟

采用Monte Carlo方法模拟N2/Ti微空心阴极放电等离子体阴极溅射过程,其中,氮离子(N2+,N+)轰击阴极表面采用PIC/MC模型模拟.计算溅射钛原子的热化过程、钛原子的密度及其平均能量分布.结果表明,沿各方向溅射出的90%金属Ti原子所带的初始能量小于30 eV,其散射角主要分布在30°和60°之间;溅射Ti原子在离微空心阴极壁约0.04 mm处出现热化极大值.     

微空心阴极维持辉光放电的时空特性

利用流体模型在氩气环境下模拟得到了微空心阴极维持辉光放电的电势、电子密度、离子密度和电场等放电参数的时空分布特性.模拟结果表明,微空心阴极维持辉光放电在不同的时刻表现出不同的放电模式.放电的初始阶段为汤生放电模式;第二阶段为汤生放电模式向空心阴极效应放电模式过渡阶段,微空心阴极维持辉光放电得到初步发展;第三阶段为空心阴极效应放电模式,微空心阴极维持辉光放电区逐渐形成;第四阶段为放电的稳态阶段.在稳态放电状态下,空心阴极腔内的电子和离子密度峰值达到10~(15)cm~(-3),位于空心阴极腔的中心位置,维持辉光放电区电子密度可以达到10~(13)cm~(-3).研究结果同时表明,微空心阴极放电促进了微空心阴极维持辉光放电的形成;同时微空心阴极维持辉光放电也促进了微空心阴极放电的发展.另外,实验研究表明,第二阳极对微空心阴极腔内外的电势、电场和带电粒子密度的分布均有重要影响,并且对维持辉光放电区域的影响更加明显.第二阳极是形成维持辉光放电的必要条件.     

微空心阴极放电时空特性

为了揭示微空心阴极放电的放电机理,利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×10~4Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明,整个放电过程分为四个阶段,即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应,阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量,而负辉区径向电场很弱,电子平均能量较低,电子和离子密度峰值出现在负辉区,二者数值基本相等,而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。     

离子(N2+, N+)在氮辉光放电等离子体光辐射中的作用

采用氮辉光放电等离子体电子与重粒子综合的Monte Carlo模型,研究了离子(N2+,N+)与氮分子碰撞产生光辐射的强度分布及其 在氮辉光放电等离子体光辐射中的作用。两种离子产生的各种碰撞激发和辐射都分布在鞘层区内,光辐射强度向阴极方向逐渐 增加,且总强度随放电电压增加而增强。相对于电子产生的碰撞激发辐射,离子(N2+,N+)引起的辐射在阴极附近引起次最大 光强,且原子离子N+的作用较分子离子N2+大。当电压较低时,离子(N2+,N+)引起的辐射可以忽略。模拟结果很好解释了两 种典型的N2辉光放电光学发射谱的实验结果,为等离子体诊断研究中的光谱数据分析提供参考。     

轰击阴极的重粒子能量分布

采用蒙特卡罗模拟对氮辉光放电等离子体中轰击极阴的重粒子（N2^ ,N^ ,Nf及N2f）能量分布随放电参数的变化规律进行了研究。结果表明：阴极臂前诸粒子的能量分布取决于粒子被加速的能量和碰撞频率,能量较低的快原子Nf的密度比高能粒子N^ 的密度最近两个量级。在活性氮粒子（N^ ,Nf）产率最高的放电条件下,适当降低放电气压,提高阴极位降和气体温度,有利于两种活性氮粒子（N^ ,Nf）达到阴极。     

微空心阴极放电的3维数值模拟

 给出了圆筒形微空心阴极的3维流体方程组及其稳态的差分方程和合理的边界条件,并利用计算机模拟计算,得出了He放电形成的粒子密度、电子能量、 电场及电势分布。讨论了在阴极孔径为240~360 mm,气压6 666.1~13 332.2 Pa的范围内放电参量的变化规律:固定电压和气压时,阴极孔径减小,负辉区重合越多;固定阴极孔径和气压时,气压升高,带电粒子密度随着气压增加而增加。结果表明放电参量强烈依赖阴极孔径和气压。     

微空心阴极放电的流体模型模拟

采用流体模型研究了微空心阴极放电(MHCD)的特点，对放电中电场的形成，电子和离子的密度分布，电子能量分布进行了数值模拟.该计算是针对高气压，圆筒形阴极结构下的He放电.结果表明放电中存在空心阴极效应，从电子能量分布可以看出，放电中存在高能电子，放电空间的电场分布主要表现为径向电场.此外，通过改变气压，阴极孔径等参数计算出它们对放电的影响.分析表明减小孔径有利于负辉区更充分的重合.提高气压将缩短阴极位降区. 关键词： 微空心阴极放电 流体模型     

空气中空心阴极不同放电模式下的发光特性

为了进一步揭示空心阴极放电中放电模式的转换机制,特别是空心阴极放电过程中自脉冲的形成机理,利用柱型空心阴极放电结构,在空气环境下研究了放电处于不同模式时的发光特性。测量得到了不同放电模式下的伏安特性曲线、放电发光图像、自脉冲阶段的脉冲波形等。实验结果表明随着放电电流的增加放电分为汤生放电模式、自脉冲放电模式、正常辉光放电模式和反常辉光放电模式。虽然所用电源为直流电源,但在自脉冲放电阶段电流和电压随时间呈周期性变化。实验结果表明在不同的放电模式下具有不同的发光特性。在由汤生放电转换为自脉冲放电模式和由自脉冲模式转换为正常辉光放电模式过程中,放电腔的径向中心处和轴向孔口附近均存在光强的突变。实验同时在200～700 nm范围内测量得到了不同电流时的发射光谱。结果表明发射光谱主要集中在330～450 nm,主要包括氮分子的第二正带系(C3Π_u→B3Π_g )和氮分子离子的第一负带系（B2Σ+_u→X2Σ+_g）。其中氮分子离子第一负带系具有较强的发射光谱。由于B2Σ+_u激发电位较高,因此该谱带较强发射光谱的存在表明空心阴极放电较其他放电形式更容易获得高激发态粒子和高能量电子。在650～700 nm附近存在一弱的发光谱带,主要为氮分子的第一正带发射谱（B3Π_g→A3Σ+_u）。在此基础上根据双原子光谱发射理论,结合氮分子第二正带系的三组顺序组带：Δν=-1,-2和-3,利用玻尔兹曼斜率法计算得到了不同放电模式下氮气的分子振动温度。结果表明在实验电流范围内分子振动温度在3 300 K左右,随着电流的增加而升高,并且在自脉冲消失时存在一突变迅速增强。由于电子能量、电子密度与分子振动温度密切相关,因此该结果也表明随着放电电流的增加电子平均能量和电子密度不断增加,当脉冲消失时,电子平均能量和电子密度出现跃变升高。最后,对空心阴极放电中自脉冲的形成机理进行了讨论,结果表明自脉冲放电源于放电模式的转换。     

空气介质阻挡放电发射光谱测量及放电过程粒子分析

发射光谱是对等离子体进行检测和诊断最常见的应用方法,提供了等离子体的化学和物理过程丰富的信息,放电过程中等离子的动力学行为的分析研究对于气体放电机理及其应用具有重要的作用。设计了一套介质阻挡空气放电光谱测量装置,测量了在实验条件下的发射光谱数据,通过发射光谱分析了介质阻挡放电等离子体的粒子演化。建立了数值计算模型,耦合了密度方程、能量传递方程以及Boltzmann方程,对于介质阻挡空气放电过程中的各种粒子变化规律进行了分析,解释了发射光谱的特征。结果表明,约化场强越大,激发的粒子数的浓度越大。对于40,60与80 Td的约化场强,同一时刻同种粒子数的浓度会有一到两个数量级的差距。电场的激发产生了大量的N₂(A3),N₂(B3)与N₂(C3)的粒子,但是由于其能级较高,而迅速发生了转化,并且在放电的10-6 s后,这些粒子的产生与转化达到了平衡。相比激发态氮分子,O₂(A1) O₂(B1)与O₂(A3Σ+_u)的峰值浓度并不低,这些粒子的能量相对较低,跃迁产生的谱线波长较长,光谱仪并未清晰捕捉到氧分子的发射光谱。O粒子的峰值浓度较小,因此其跃迁产生的发射光谱较弱。放电过程中产生的较为稳定的O₃浓度持续增加,NO₂的浓度达到峰值后也不会下降。建立的模型计算结果可以很好地解释实验中测量得到的发射光谱数据。     

氦气空心阴极放电动力学过程的模拟研究

利用流体模型模拟研究了氦气空心阴极放电的时空动力学过程,计算得到了不同放电时刻电子和亚稳态氦原子密度、电势、电场、基态电离速率和分步电离速率等的时空分布特性。特别是讨论了亚稳态原子和分步电离对于放电的影响。结果表明,随着电流的增长,放电处于五个不同的放电模式:第一阶段电流上升非常缓慢,为汤生放电模式,带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场均很弱;第二阶段电流迅速上升,放电模式由汤生放电向空心阴极放电过渡,带电粒子密度、亚稳态原子密度和径向电场迅速增强;第三阶段达到准稳态阶段,放电电流增长速度变缓,形成了明显的阴极鞘层结构;第四阶段为空心阴极效应形成阶段,向稳态阶段过渡;第五阶段为稳态放电阶段。研究结果同时表明,亚稳态氦原子和分步电离在放电的初始阶段对于放电的发展作用较弱,在前三阶段中,电子的产生以基态电离为主。随着放电的发展,由亚稳态原子引起的分步电离对新的电子产生的作用逐渐接近并超过基态电离,对总电离的贡献率越来越高。     

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开发了氢气甚高频(60MHz)容性耦合放电的PIC/MC模型.在模型中考虑了带电粒子(e,H+,H2+,H3+)与H2的21种碰撞反应过程,模拟了氢气甚高频放电射频电场和电势分布以及电子和氢离子(H+,H2+,H3+)粒子密度和平均能量分布,并与频率为13.56MHz的放电结果进行了比较.结果表明,相对于频率13.56MHz的放电,氢气甚高频放电等离子体电势增高,导致两电极附近的电场增强;另外,两鞘层厚度变窄并且电子和H3+离子平均能量减小,其总密度却增加.H3+离子为氢气甚高频放电空间的主要离子,H2+离子密度比H3+离子小约2～3个数量级.     

氮气中空心阴极放电条纹的发光特性

利用发射光谱法,在氮气环境下研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。测量得到了气压为20 Pa,放电电流为1.3 mA时条纹区的发射光谱,结果表明发射光谱主要为氮分子的第一正带系(B3П_g →A3П_u)和 第二正带系(C3П_u→B3П_g )。利用双原子光谱发射理论,计算得到了氮分子振动温度的空间分布特性。结果表明光谱线强度呈周期性分布,明纹中心处的谱线强度高于暗纹中心处的谱线强度。明纹中心处的N₂分子振动温度为3 500～4 400 K,并且从阴极到阳极,明纹中心处光谱线强度和分子振动温度逐渐下降。同时测量得到了放电电流为1.0和1.5 mA时的发光条纹特性,研究了放电电流对条纹特性的影响。随着放电电流的增加,明纹中心处的分子振动温度升高,条纹间距增加。另外,利用测量得到的发光条纹,计算得到了条纹区的平均约化电场强度为44～49 m-1·Pa-1,并且由阴极向阳极逐渐降低。对于揭示气体放电中发光条纹的形成机理和促进空心阴极放电的稳定性有重要的参考价值。     

空心阴极直流放电的二维自洽模型描述和阴极溅射分析

建立了空心阴极放电的二维自洽理论模型,理论研究了气压为50—120Pa,电压为150—300V的范围内Ar空心阴极放电特性、粒子密度和电离速率空间分布,特别考察了影响阴极溅射分布有关因素:阴极面上的电场、离子流和离子密度的沿阴极截面的空间分布.研究结果不仅证实了在所讨论的范围内,空心阴极效应明显存在而且发现归一化电离速率的空间分布形状强烈依赖于气压.通过研究电场、离子流和离子密度的空间分布解释了空心阴极溅射型离子激光器中不均匀阴极溅射的现象来源于阴极面附近的电场、离子流和离子密度的不均匀分布 关键词： 空心阴极放电 自洽模型 气体激光 阴极溅射     

氮气射频放电与直流放电PIC/MC模拟的比较

建立氮气容性射频等离子体过程的PIC/MC模型,将模拟结果与直流放电进行比较.结果表明:射频等离子体粒子(e,N₂⁺,N⁺)的平均密度较直流放电约大-个量级,在射频电极附近粒子(e,N₂⁺,N⁺)的平均能量比直流放电阴极附近的能量低3倍左右;密度偏低的原子离子N⁺在两电极附近具较高的能量,能量较低的分子离子N₂⁺在放电空间具较高密度,N₂⁺的密度大约是N⁺的6倍;计算的电子能量几率分布与测量结果-致.