介质阻挡均匀大气压氮气放电特性研究

基于一维流体力学模型，对介质阻挡均匀大气压氮气放电特性进行了数值计算研究.模型中考虑了氮气中主要的电离、激发过程，所包含的粒子种类为e，N₂，N⁺₂，N⁺₄，N₂(a¹∑^-_u)，N₂(A³∑⁺_u).模拟结果显示，氮中的放电具有低气压下汤生放电的特性.放电电流幅度较小，放电过程中气体电压变化缓慢，电子密度远低于离子密度，而且最大值出现在阳极，电子不能在放电间隙中被俘获，不存在中性等离子体区，气体中的电场趋于线性变化.亚稳态N₂(A³∑⁺_u)和N₂(a¹∑⁺_u)在整个放电空间都具有非常高的密度，比电子密度高三个量级以上，亚稳态密度的最大值出现在阳极，这样的分布决定了放电的空间结构.放电所需的种子电子主要由亚稳态之间潘宁电离提供，这种机理使放电的电离水平较低，导致氮气中的放电只能是汤生放电.随着放电参数的变化，多电流峰放电也可在氮气中获得. 关键词： 大气压均匀放电 介质阻挡放电 数值模拟 氮气     

外粒子源注入下气体放电过程的模拟研究

利用Geant4程序建立外源注入式、低气压气体开关物理模型,通过模拟计算电子增益与极板间电场强度、电子增益与极板间隙距离的函数关系验证了模型的正确性。计算了气体种类、气体压强对电子增益的影响,分析得到形成自持放电所需最小入射电子数,计算结果表明:在相同的气压及电场条件下,氮气的电子增益远大于氦气,这与氦气的高电离能性质相吻合; 随气压增大,电子增益呈非线性增长; 为实现自持放电,外源注入电子数面密度为1×105~2×105 /cm2。     

正弦交流电压驱动低气压CO2放电特性的对比:DBD结构与裸电极结构

火星大气富含CO₂(～95%),对其原位利用具有重要的科学和经济价值.高压放电转化CO₂具有绿色环保、可控程度高、使用寿命长等优势,在火星CO₂资源原位转化利用方面具有应用潜力.本文模拟火星低气压条件下CO₂氛围,针对kHz交流电压驱动两种典型电极结构(有/无阻挡介质)的放电特性开展对比实验研究,并辅以数值仿真分析两种电极结构下CO₂放电产物及其转化途径.结果表明,引入阻挡介质后,由于介质表面累积电荷和空间电荷畸变电场导致放电从半周期单次放电转变为多脉冲放电,不同放电脉冲对应的放电通道随机产生.主要放电产物中,CO依赖阴极位降区边界处电子与CO₂附着分解反应产生,O₂大部分产生于瞬时阳极表面或瞬时阳极侧介质表面电子与CO₂~+复合分解反应.进一步发现,介质引入不改变二者产生位置和主导反应路径,但会降低阴极位降区边界处电子密度和电子温度,使CO产量有所减少;并降低放电功率,使到达瞬时阳极表面和瞬时阳极侧介质表面的C...     

Sr离子自终止和复合激光交替振荡的动力学模型

建立了一个反映高重复率脉冲放电激励的Sr离子自终止激光和复合激光交替振荡的动力学模型，得到了与实测光电脉冲波形相一致的模拟结果.给出了He-Sr放电等离子中长寿命粒子、激光上下能级粒子数密度和电子温度随时间的演化过程.分析了两种激光交替振荡的发射过程、脉冲宽度特性和粒子数反转机理，认为在放电早期和余辉期电子温度的急剧升高和降低是Sr离子自终止和复合激光实现交替振荡的关键所在. 关键词： 自终止激光 复合激光 交替振荡 动力学模型     

CHF3双频电容耦合放电等离子体特性研究

研究了用于SiCOH 低介电常数薄膜刻蚀的CHF₃气体在1356 MHz/2 MHz,2712 MHz/2 MHz和60 MHz/2 MHz双频电容耦合放电时的等离子体性质.发现2 MHz低频源功率的增大主要导致F基团密度的增大;而高频频率从1356,2712增大到60 MHz,导致CF₂基团的密度增大和电极之间F基团密度的轴向空间不均匀性增加.根据电子温度的分布规律及离子能量随高频源频率的变化关系,提出CF₂基团的产生主要通过电子-中性气体碰撞,而F基团的产生是离子-中性气体碰撞的结果. 关键词： 双频电容耦合放电 3等离子体')" href="#">CHF₃等离子体     

缩比间隙中辉光放电相似性的初步研究

为了研究缩比实验在气体放电中的有效性, 对缩比间隙中的低气压氩气放电进行了数值模拟. 根据气体放电相似性的猜想, 如果间隙气压p和间隙距离d的乘积为常量, 即p₁d₁=p₂d₂, 并且约化电场E/p 在两个间隙中的空间分布相同, 那么这两个放电间隙的放电特性存在相似性. 数值模拟中设置三个缩比间隙: 气隙A的长度为30 mm, 气压为1 Torr (1 Torr=133.322 Pa); 气隙B的长度为15 mm, 气压为2 Torr; 气隙C的长度为10 mm, 气压为3 Torr. 仿真结果表明, 三个间隙均为辉光放电, 并存在明显的阴极位降区. 间隙A, B, C 的阴极位降区的厚度d_C分别为2.71, 1.35和0.87 mm, 相对应的pd值几乎相同, 即pd_C≈2.70 Torr·mm. 这与氩气辉光放电Paschen曲线最低点(pd≈2.86 Torr·mm)相近. 缩比间隙的放电参数的特性(如工作电压、电场、电流密度、电子密度和离子密度的沿“空间”px的分布)的数值计算结果与放电相似性猜想所预计的结果一致. 所以, 可以认为放电相似性猜想适用于低气压氩气缩比间隙的辉光放电. 关键词： 放电相似性 辉光放电 缩比间隙     

射频辉光放电CH4等离子体一维流体动力学模拟

完整建立一个关于射频辉光放电CH₄等离子体的流体动力学模型.模型包括基于迁移-扩散近似的粒子平衡方程、电子能量平衡方程,共包含了20种粒子(环境气体粒子,激发态粒子,离子和电子)和49类化学反应(电子-中性环境粒子、离子-中性环境粒子、激发态粒子-激发态粒子(中性环境粒子)).结果表明,在强电场区域有较高的电子反应率系数;等离子体中除源气体CH₄外,H₂,C₂H₆,C₃H₈,C₂H₄和C₂H₂也有较高的密度含量;激发态粒子中,CH₃含量最高,密度约为10¹⁹m^-3;在较低放电压力时(如18 Pa),CH₅⁺在离子成分中密度含量最高,当放电压力较高时(如67Pa),C₂H₅⁺在离子成分中占主导地位;除C₂H₅⁺外,其它各离子和激发态粒子在极板上的粒子流量随功率的增大逐渐升高.     

介质材料二次电子发射特性对微波击穿的影响

以介质填充的平行板放电结构为例,本文主要研究了介质填充后微波低气压放电和微放电的物理过程.为了探究介质材料特性对微波低气压放电和微放电阈值的影响,本文采用自主研发的二次电子发射特性测量装置,测量了7种常见介质材料的二次电子发射系数和二次电子能谱.依据二次电子发射过程中介质表面正带电的稳定条件,计算了介质材料稳态表面电位与二次电子发射系数以及能谱参数的关系.在放电结构中引入与表面电位相应的等效直流电场后,依据电子扩散模型和微放电中电子谐振条件,分别探讨了介质表面稳态表面电位的大小对微波低气压放电和微放电阈值的影响.结果表明,介质材料的二次电子发射系数以及能谱参数越大,介质材料的稳态表面电位也越大,对应的微波低气压放电和微放电阈值也越大.所得结论对于填充介质的选择有一定的理论指导价值.     

低气压条件下氢气潘宁放电的模拟分析

为更好地理解低气压、弱电离条件下潘宁离子源放电过程中离子和电子的动力学行为, 通过建立二维轴对称模型, 采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合(PIC/MCC)的方法, 考虑了电子与氢气之间的弹性碰撞、激发、电离以及氢原子、离子之间的弹性碰撞和电荷交换等过程, 对微型氢气潘宁离子源放电和引出过程进行了数值研究. 考察了磁场位形、壁面二次电子发射系数、引出电压和充气压力对放电过程的影响, 得到了实验中难以诊断得到的放电腔内电子与离子数密度分布, 阳极电流、引出极离子电流、单原子氢离子比例和双原子氢离子比例等宏观参数与实验结果相一致. 通过仿真使得对氢气潘宁放电机制的研究从定性过渡到定量, 这对于潘宁离子源的设计和改进具有重要意义. 关键词： 潘宁放电 氢气 粒子模拟 蒙特卡罗     

基于连续谱的氩气纳秒脉冲放电中电子温度的研究

采用了一种针对针的放电结构,将其放置在一个高纯氩气的密闭腔室中,通过施加正极性的过电压产生可重复的大气压纳秒脉冲放电,并提出建立大气压放电的连续辐射模型来诊断氩气纳秒脉冲放电中的电子温度。实验利用电压和电流探头分别获取放电过程中的电压和电流波形图,其放电脉宽约为20 ns。通过消色差透镜、单色仪和ICCD等光学系统的组合来测量放电正柱区在不同时刻（0<t<20 ns）的时间分辨发射光谱。结果表明,放电中连续谱的强度随时间先增加（0<t<10 ns）后减小（10 ns<t<20 ns）,但是氩原子的谱线强度则随时间的增加而一直增大。研究表明连续谱强度与电子密度成正相关,因而电子密度随着时间也是先增加而后减小,这与放电电流的变化规律是完全一致的。根据连续谱模型拟合得到放电过程中（0<t<10 ns）的电子温度为(1.4±0.2) eV。随着驱动电压的下降（10 ns<t<20 ns）,电子温度逐步减小至0.9 eV。在0<t<10 ns中,激发态氩原子主要是由电子碰撞激发产生的,因而谱线强度随着电子密度的增加而增大。然后,随着电子温度的减小,Ar+₂复合反应速率激增,导致电子与离子的复合过程主导产生激发态氩原子,即谱线强度继续增大。通过加入0.5%的水蒸气以获取OH的振转光谱。实验发现,OH(A)的产生机制使其偏离玻尔兹曼平衡分布,本文采用了双温的OH(A-X)光谱模型来考察气体温度。在放电过程中,气体温度保持不变,大约为400 K。此外,水蒸气的加入使得短波长的连续谱发生显著增强。光谱分析认为H₂O在放电中能够解离产生H₂,继而与氩原子的亚稳态发生能量转移生成激发态H₂(a3Σ+_g)。H₂(a3Σ+_g)将会自发辐射跃迁到排除态H₂(b3Σ+_u),同时发射短波长的连续谱。由于短波长的连续谱对电子温度（T_e>1 eV）的响应较为灵敏,所以载气中少量的水蒸气将会对连续谱诊断电子温度带来较大的影响。     

Evolution of the density profiles and flows of charged particles during the diffusive decay of an electronegative gas plasma

Different scenarios of the spatiotemporal evolution of the parameters of the diffusive decay of a pulsed electronegative gas plasma in the absence of plasma chemical processes are studied. It is shown that nonlinear diffusion in a plasma with negative ions occurs in several stages. The rate of electron density decay increases with time and, in the beginning of the second stage, almost all the electrons escape from the discharge volume. On the other hand, the ion density profile is smoothed out due to ion-ion ambipolar diffusion and the flow of negative ions toward the wall is absent in the first stage of decay. In the second stage, the main diffusion mode is first established and then the ion-ion (electronless) plasma decays exponentially with a characteristic time determined by ion-ion ambipolar diffusion.     

Fundamentals and applications of ion-ion plasmas

Ion-ion plasmas can form in the late afterglow of pulsed discharges or downstream of continuous wave discharges in electronegative gases. In ion-ion plasmas, negative ions replace electrons as the negative charge carriers. In the absence of electrons, ion-ion plasmas behave quite differently compared to conventional electron-ion plasmas. Application of a radio frequency bias to a substrate immersed in an ion-ion plasma can be used to extract alternately positive and negative ions, thereby minimizing charging on device features during micro-device fabrication. Ion-ion plasmas are also important in negative ion sources, dusty plasmas, and the D-layer of the earth's atmosphere.     

Über den zeitlichen Verlauf des Stromes einer Gasentladung in Wasserstoff

The transient growth of currents in a Townsend gas discharge system under uniform dc field conditions in Hydrogen is examined. The discharge is started by 10³ to 10⁶ electrons released from the cathode by an UV light pulse within some 10^?7 seconds. Observed oscillations of the current are found to be due to the motion of the electrons through the gap creating new electrons by photoelectron emission at the cathode due to photons generated in the gap. At sparking threshold conditions (Μ ₀=1) the electron current becomes self-sustaining after a few electron transit times. The positive ion current soon exceeds the electron current and grows linearly with time (Μ ₀=1) until the positive ions of the first generation enter the cathode. For times greater than a positive-ion transit time the current becomes self-sustaining. Neglecting space-charge effects one would not expect a spark to occur. The space-charge of the positive ions, however, causes a distortion of the field changing the ionization efficiency of the electrons. It is shown that an observed rapid growth of current leading to breakdown after some positive-ion transit times is in agreement to this conception.     

Numerical Simulation of a DC-Glow-Discharge in an Electronegative Gas

A one-dimensional continuum model is presented for a dc-glow-discharge in an electronegative gas between parallel plates. It is based on the local balance equations for particle densities and fluxes of electrons, positive and negative ions, the local electron energy balance and the Poisson equation for the self-consistent electric field. These equations are supplemented by suitably chosen boundary conditions and are solved by the finite difference procedure HEMODES (HEnyey Method Ordinary Differential Equation Solver) which, in particular, can successfully handle the singular point occuring if the inertia term in the ion momentum balance equation is taken into account. Since not all data needed within this treatment for the simulation of realistic electronegative gases were available, a fictitious argon-like gas has been considered which nevertheless can demonstrate the characteristic features of such a discharge. In particular, the influence of variations of the attachment and the ion-ion recombination coefficients on the physical variables has been studied.     

On the Kinetics of the Active Zone of the Stationary SF6 Beam Discharge Plasma

The paper deals with the impact of intensive electron attachment on the kinetics of the electrons in the active zone of the stationary band-like beam discharge plasma in SF₆ which is an alternative useful plasma medium for “dry etching”. The energy distribution of the electrons in this plasma was obtained by numerically solving the Boltzmann equation which includes apart from elastic collisions, different exciting collision processes, attachment in electron collisions, direct ionization, the ambipolar loss of electrons, Coulomb interaction between electrons and of electrons with ions and the power input to the electrons by the turbulent electric field. In particular, due to the needed fulfilment of the consistent electron particle balance, for an extended region of the turbulence energy density in this plasma a large impact on the electron kinetics of the intensive electron attachment, which is the prevailing electron loss process, was found enforcing independent of the turbulence energy density always a large power input to the electrons, smooth and only slowly decreasing energy distributions even in the energy region of direct ionization.     

具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构

很多关于等离子体鞘层的研究工作都是基于电子满足经典的麦克斯韦速度分布函数,而等离子体中的粒子具有长程电磁相互作用,使用Tsallis提出的非广延分布来描述电子更为恰当.本文建立一个具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘模型,理论推导出受非广延参数q影响的玻姆判据,离子马赫数的下限数值会随着参数q的增大而减小.经过数值模拟,发现与具有麦克斯韦分布(q=1)电子的碰撞等离子体磁鞘对比,具有超广延分布(q<1)和亚广延分布(q>1)电子的碰撞等离子体磁鞘的结构各有不同,包括空间电势分布、离子电子密度分布、空间电荷密度分布.模拟结果显示非广延分布的参数q对碰撞等离子体磁鞘的结构具有不可忽略的影响.希望这些结论对相关的天体物理、等离子体边界问题的研究有参考价值.     

前鞘等离子体的LB碰撞输运模型

本文从离子动力学方程出发，利用ＬＢ碰撞模型研究了离子－离子碰撞效应对前鞘等离子体输运的影响。电子分布假定为等温麦克斯韦－玻耳兹曼分布。结果表明，在低碰撞频率和高碰撞频率下，ＬＢ碰撞模型都能较好地描述前鞘等离子体中的离子－离子碰撞行为。离子－离子碰撞对表面等离子体的输运行为有较大影响。     

Resonant decay of a Langmuir wave in the presence of dust grains in a cylindrical plasma

The resonant parametric decay of a Langmuir wave into a backward propagating Langmuir wave and an ion acoustic (IA) wave is studied in a cylindrical dusty plasma. The analysis shows that the frequency of the IA mode decreases with the parameter δ_c (where δ_c is the ratio of the ion density to the electron density) for negatively charged dust grains. The growth rate of the resonance decay instability (RDI) and the threshold required for its onset also decrease with δ_c and are strongly dependent on the electron to ion temperature ratio for both positively and negatively charged dust grains. The results obtained also illustrate the dependence of the threshold of the resonance decay instability (μ_th) on the plasma cylinder radius.     

脉冲放电脱硫反应器中高能电子密度分布的光谱研究

脉冲流光放电产生的大于等于11.2 eV的高能电子能将处于基态的氮分子激发到N₂(C3Π_u)态,测试脉冲流光放电时的N₂(C3Π_u→B3Πg)发射光谱相对强度可以得出脉冲流光放电产生的高能电子的密度。实验在室温常压下研究了空气中线-板式脉冲流光放电脱硫反应器内高能电子密度分布情况,并研究了脉冲电压、反应器的线线间距对反应器内高能电子密度分布的影响。实验结果表明,反应器内的高能电子主要集中在放电线附近高电场区内,随着离放电线的距离增大,高能电子密度减小;脉冲电压对高能电子密度有很大影响,随着电压的升高,高能电子密度基本呈线性增大;线板间距固定,线线间距为线板间距的0.6～1倍时,反应器内高能电子密度分布较为均匀。     

碰撞对两种正离子的电负性磁鞘影响的数值研究

建立包括两种正离子的电负性磁鞘的流体模型,利用四阶龙格库塔法数值求解描述一维稳态等离子体鞘层的方程组,考察离子与中性粒子碰撞对一维稳态等离子体鞘层的影响.结果表明:鞘边Ar⁺与He⁺的含量比值与碰撞参数对离子马赫数的取值范围都有影响.鞘边负离子含量越少,碰撞对鞘层中带电粒子密度的影响越明显.并且随碰撞参数的加大,鞘层中电子、负离子的密度下降越快,两种正离子的密度则呈现不同的波动变化.鞘边负离子含量越多,碰撞对鞘层中两种正离子的速度影响就越明显.此外,碰撞参数越大对鞘边δ越大的鞘层中的带电粒子密度影响越大.