流体-亚稳态原子传输混合模型模拟空心阴极放电特性

利用流体-亚稳态原子传输混合模型研究了氩气矩形空心阴极放电稳态时的参数. 数值计算得到了压强为10 Torr时的电势、电子、离子和亚稳态氩原子密度以及电子平均能量的分布. 结果表明电子和离子密度峰值为4.7×10¹² cm^-3, 亚稳态原子密度峰值为2.1×10¹³ cm^-3. 本文同时对流体-亚稳态原子传输混合模型和单一流体模型模拟得到的放电参数进行了比较. 结果表明, 分步电离是新电子产生的重要来源, 亚稳态原子对空心阴极放电特性有重要影响. 与单一流体模型相比, 混合模型计算得到的电子密度升高, 阴极鞘层宽度和电子平均能量降低. 关键词： 空心阴极放电 流体-亚稳态原子传输模型 电子密度 分步电离     

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。     

��ֹ����������������ŵ�ʵ���о�

采用纳秒脉冲电源,在静止空气条件下,开展了不同气压、放电距离和电压条件下的大体积纳秒脉冲放电实验研究.研究表明,当长度固定为200mm时,气压为250Pa时,随着电压的增大,放电区域从圆锥电极附近扩展到整个通道.当电压为12kV时,放电布满整个通道;随气压升高,初始放电电压增大.实验中发现在电压升高到一定程度时纳秒脉冲电离出现不稳定性,表现在气压相对较低时等离子体出现径向波动,气压相对较高时非平衡等离子体放电向电弧放电转变.分析认为,为了实现大体积均匀放电等离子体的产生,阻止放电不稳定性发生,应该采用上升沿时间更短,脉宽更小,电压更高的纳秒脉冲电源.     

气压对微束射频容性放电模式调制的研究

微束射频容性放电在纳米晶体颗粒等离子体增强气相合成有着潜在的应用前景.本论文利用ICCD、单反相机、高压探头和电流探头等对微束射频容性放电特性进行了实验诊断研究.结果发现:在纯氩气微束射频放电中,随着气压的增加,放电从辉光放电模式向多通道丝状放电模式转换;在99%氩/1%氢混合气体微束射频放电中,丝状放电模式消失,而是从低气压全空间分布的辉光放电模式,到中等气压向轴心收缩的辉光放电模式,最后到高气压的“环状”辉光放电模式;而在纯氢气微束射频放电中,随着气压的增加,放电模式直接从全空间分布的辉光放电模式向“环状”辉光放电模式转换.最后通过射频电场中电子加热、趋肤效应和气体热传导的共同作用解释了产生不同放电模式的物理机制.     

辉光放电等离子体镁电离的研究

以铝镁合金作阴极,采用吸收光谱测定了辉光放电放电等离子体中镁离子和原子的相对密度。提出了在近似条件下,由镁离子和原子吸光度比法求算镁电离度的方法。探讨了电离对常规分析的干扰与校正,以及影响镁电离的因素。     

110 GHz微波电离大气产生等离子体过程的理论研究

将描述电磁波的Maxwell方程组和简化的等离子体流体方程组耦合数值求解,对110 GHz微波电离大气产生等离子体的过程进行了理论研究. 研究发现:在高气压下等离子体成丝状;中等气压下等离子体先成丝状,在向微波源移动的过程中逐渐向连续的等离子体区域过渡;低气压下电离产生连续的等离子体区域. 不同气压下等离子体区域都向微波源方向移动. 初始电子数密度分布只影响放电初始阶段的等离子体区域形状,不会影响成丝与否. 等离子体区域在垂直于电场方向和平行于电场方向的移动规律不同. 当电场平行于计算平面时,由于沿着电场方向等离子体两端存在强场区,等离子体区域被拉长,在较低的气压下会出现等离子体丝阵. 关键词： 110 GHz微波 大气电离 等离子体丝阵     

氩直流辉光放电等离子体中电子运动及能量的模拟

采用自动调节时间步长的蒙特卡罗模拟,对平行板放电系统中的氩气直流辉光放电系统中的等离子体区内电子的运动过程进行了跟踪和抽样。统计结果表明:在我们的实验条件下,等离子体中的电子在电场作用下出现明显的轴向漂移;在40000次抽样中,出现能量为E的电子数目随能量E增大呈下降趋势,场强增大将引起能量分布展宽和电子平均能量增加;即使场强达到15V·cm-1,等离子体激发和电离仍是很少的;场强和气压都能明显改变电子的平均自由程。     

含温有界原子模型下电子与离子碰撞激发和电离截面的理论研究

采用扭曲波玻恩交换近似方法，在自由原子模型下计算了电子与离子碰撞激发、电离截面，计算值与实验一致；在含温有界平均原子模型下，系统研究了不同温度、密度等离子体中离子的电子碰撞直接电离截面，发现由于温度、密度效应导致离子的能级漂移，引起等离子体中离子的碰撞电离截面比自由原子情形发生较大变化. 关键词： 平均原子模型 扭曲波波恩交换近似 电离截面     

不同电极结构下介质阻挡放电电离特征的试验研究

由于具有工作气压高、放电均匀等特点,大气压介质阻挡放电成为近年来非平衡等离子体领域研究的主要技术。电极结构是电离特性的主要影响因素之一,因此,通过电极结构优化来改善电离特性,对等离子体放电设备的应用领域拓展及性能优化至关重要。为改善大气压介质阻挡放电的电离特性,产生高活性、高均匀性的低温等离子体,基于自主设计的同轴介质阻挡放电装置进行了不同电极结构的电离试验及参数诊断;在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV条件下进行了氩气电离试验;采用原子发射光谱法（AES）对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;研究了螺纹电极、齿状电极、圆柱电极放电的特征光谱参数及外施电压对介质阻挡放电特征参数的影响。结果表明,齿状电极放电所形成等离子体的放电强度更大且放电效果显著,电子平均能量利用率低,电子激励温度弱于圆柱电极;圆柱电极放电强度较弱,但易形成大面积均匀性等离子体;大气压环境下电子激励温度不因外源电压的升高而单调递加,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外施电压的供给,而是取决于电极结构、气体组份、气体压强;增大外施电压仅能增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K,符合典型的低温等离子体特征。     

高温稠密等离子体电子离子直接碰撞电离截面的理论研究

我们应用含温有界平均原子模型,采用Younger公式和分波法研究了高温稠密等离子体中电子离子直接碰撞电离的截面.     

非链式化学HF（DF）激光器工作气体中电子分离的非稳定性和气体放电等离子体的自组织现象

报道了放电引发的非链式HF（DF）激光器中的激活介质由电子碰撞负离子分离引起的电离非稳定性。这种非稳性出现在电极空间分离、脉冲CO2激光加热的基于sF6的混合气体的大体积放电中。实验研究了自引发体放电过程中由激光加热引起的放电等离子体的自组织现象以及由此在放电间隙的大部分区域形成的准周期等离子体结构。重点分析了等离子体结构随气体温度和注入能量的变化,讨论了等离子体自组织对电子碰撞分离不稳定性所产生的影响,解释了混合气体中由于电子碰撞使负离子消失导致的单等离子体通道移动的产生机理。     

非链式化学HF(DF)激光器工作气体中电子分离的非稳定性和气体放电等离子体的自组织现象(英文)

报道了放电引发的非链式HF(DF)激光器中的激活介质由电子碰撞负离子分离引起的电离非稳定性。这种非稳性出现在电极空间分离、脉冲CO2激光加热的基于SF6的混合气体的大体积放电中。实验研究了自引发体放电过程中由激光加热引起的放电等离子体的自组织现象以及由此在放电间隙的大部分区域形成的准周期等离子体结构。重点分析了等离子体结构随气体温度和注入能量的变化,讨论了等离子体自组织对电子碰撞分离不稳定性所产生的影响,解释了混合气体中由于电子碰撞使负离子消失导致的单等离子体通道移动的产生机理。     

氦氩射频容性放电发射光谱分析

光抽运亚稳态稀有气体激光器利用放电等离子体作为激光的增益介质.为掌握容性射频放电的放电参数对等离子体各项参数的影响的基本规律,利用等离子体发射光谱法研究了氦氩混合气体在不同装置、不同Ar组分、不同气压和不同射频注入功率下的等离子体参数.利用残留水蒸气产生的OH自由基A~2Σ~+→X~2Π的转动光谱分析获得气体温度;利用电子态光谱的玻尔兹曼做图法获得电子激发温度,利用Ar原子696.5 nm谱线的斯塔克展宽获得电子密度.结果表明:气体温度随气压增加略微上升,在一个大气压下改变组分和放电功率,气体温度变化不大;电子激发温度随总气压的下降而上升,且随着Ar组分的增加而略微下降;目前放电条件下的电子密度均在10~(15)cm~(-3)量级;长时间放电监测表明,残留的水蒸气会导致电子温度的下降,从而降低Ar亚稳态的产率.     

10-2～105 Pa气压范围的氦等离子体光谱分析

采用三种实验装置(介质阻挡放电装置、空心阴极放电装置和彭宁放电装置)分别测量了不同压强范围内氦等离子体的发射光谱.通过对氦等离子体发射光谱的分析,已观察到一个共同的特点,就是在三种放电条件下产生的氦等离子体中31P1→21S0的谱线强度总是最强,可以推测亚稳态氦原子的含量相当显著,但不同的装置也有不同的特点,介质阻挡放电装置能够产生准辉光放电,谱线中氦原子的谱线强度很低,而空心阴极放电与彭宁放电装置能够产生稳定均匀的等离子体,且发射足够强的光辐射.我们已对所拍摄的光谱的谱线都进行了辨认,所有结果表明原子发射光谱分析法是研究不同条件下氦等离子体状态的一种十分有效的手段.     

大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理

经典放电理论(Townsend和流注理论)解释纳秒脉冲气体放电存在局限性,近年来基于高能电子逃逸的纳秒脉冲气体放电理论研究受到广泛关注.但是目前对大气压空气纳秒脉冲板-板放电中逃逸电子产生机理研究仍较少,严重阻碍了纳秒脉冲放电等离子体的应用发展.本文利用一维粒子模型,对幅值为20 kV的纳秒脉冲电压驱动下,间隙长为1 mm的板-板电极之间的大气压空气放电中逃逸电子的产生机理进行了数值模拟研究..结果表明,在空间电荷动力学行为的影响下,板-板电极之间出现了增强电场区域,使得电子可以满足电子逃逸判据而进入逃逸模式.此外,还观察到放电通道前逃逸电子的预电离效应导致了二次电子崩的产生,随着二次电子崩与放电通道不断汇聚,引导并加速了放电通道的发展,最终导致气隙击穿.本研究进一步揭示了纳秒脉冲板-板放电机理,拓展了纳秒脉冲气体放电基础理论,为纳秒脉冲放电等离子体的应用和发展开辟了新的机会.     

大气压氦气预电离直流辉光放电二维仿真研究

基于二维流体模型,研究了大气压下预电离对短间隙和长间隙直流辉光放电的影响.对于两种放电,随着预电离的增强,带电粒子分布沿着放电方向逐渐向阴极偏移,使得阴极位降区不断收缩.从垂直放电方向来看,正柱区、负辉区和阴极位降区的宽度都不断增大,电子、离子密度的分布更加均匀.对于电场而言,随着预电离的增强,阴极位降区电场的纵向分量分布逐渐向阴极收缩,阴极附近的电场整体降低且分布更加均匀.电场的纵向分量分布逐渐减小,同时电场区域逐渐向壁面收缩.维持电压和放电功率都明显地降低.此外,随预电离的增加,短间隙放电中的压降始终集中在阴极位降区,而在长间隙放电中的压降由阴极位降区逐渐转移至正柱区.仿真结果表明,预电离能够有效增强放电均匀性,并降低放电维持电压和能量消耗.该工作对进一步优化电极配置和等离子体源的运行参数具有重要指导意义.     

激光触发弱耦合等离子体电离次序光谱分析方法

激光触发产生弱耦合等离子体在超快时间(10~100fs)内,产生离子的方式和机制一直是人们很难探知和计算的。利用激光电离原子的最基本特性,寻找出产生离子时所有的电离路径,将电离路径中产生X射线的路径标记出来加以研究,再结合弱耦合等离子体环境中原子或离子能级移动的性质,对比和计算相同路径下相同电离结果中存在的不同电离方式,可区分产生相同产物的不同电离次序。这套方法可通过罗列计算并对应所产生的特征X射线光谱来确定10~100fs内离子的产生过程以及产生机制,电离路径及电离次序。为激光与物质相互作用在超短时间(10~100fs)内的物理过程研究提供了一种可探测的技术。     

蒙特卡罗模拟在辉光放电鞘层离子输运研究中的应用

利用蒙特卡罗方法模拟氩气直流辉光放电鞘层内离子的运动过程.模拟基于离子与中性原子的电荷转移和弹性散射两种主要的散射过程，考虑了碰撞截面与能量相关和不相关两种情况，在弹性散射中采用了势场相互作用模型和刚性球碰撞两种模型.通过模拟得到不同气压和不同放电电压下离子入射阴极的能量分布和角度分布，并对几种模型的模拟结果进行了比较和讨论. 关键词： 辉光放电 等离子体鞘层 蒙特卡罗模拟     

ICP等离子体鞘层附近区域发光光谱特性分析

为了独立控制鞘层附近区域离子密度和离子能最分布,采用光发射谱(OES)测量技术,对不同射频功率、放电气压和基底偏压下感应耦合等离子体鞘层附近区域辉光特性进行了研究.原子谱线和离子谱线特性分析表明,在鞘层附近区域感应耦合等离子体具有较高的离子密度和较低的电子温度.改变放电气压和射频功率,对得到的光谱特性分析表明,鞘层附近区域离子密度随射频功率的增大而线性增大,在低压下随气压的升高而增大.低激发电位原子谱线强度增加迅速,高激发电位原子谱线强度增加缓慢,而离子谱线强度增加很不明显.改变基底直流偏压,对得到的发射光谱强度变化分析表明,谱线强度随基底正偏压的增加而增大.随着基底负偏压的加入,谱线强度先减小而后增大;直流偏压为-30 V时,光谱强度最弱.快速离子和电子是引起Ar激发和电离过程的主要能量来源.     

发射光谱法研究微波增强微秒级脉冲辉光放电中样品原子的激发和扩散过程

利用自制微波增强微秒级脉冲辉光放电装置，研究了黄铜样品原子的激发和扩散过程。结果表明，当放电气压低于１８０Ｐａ时，微波等离子体与辉光放电能够很好的耦合，当气压大于２００Ｐａ时，由于样品原子分别受到脉冲辉光放电与微波等离子体的激发，同一条共振线出现了在时间上独立的两个发射峰。利用两发射峰之间的关系可以计算出该工作条件下铜原子和锌原子的扩散速度分别约为１５０和１２９ｍ／ｓ，而辉光放电的最强激发点约离溅射样品表面１．９４～２．２５ｍｍ。实验中也考察了放电参数对两发射峰强度的影响