大面积NBI 射频离子源电气参数设计分析

为探究射频离子源驱动器线圈电气参数对射频放电的影响,主要进行了射频离子源等离子体激发的物理分析,并计算了射频电源的频率选择与线圈放电电流、线圈匝间电压以及放电气压之间的关系,设计了射频离子源驱动器的主要参数。研制的射频离子源驱动器装置,成功获得氢等离子体射频放电。实验结果和理论计算结果符合很好。     

双驱动射频负氢离子源匹配网络设计与实验研究

随着磁约束聚变实验装置对中性束注入器的输出束流强度与脉冲时间的要求越来越高,开展高功率大面积射频离子源的研究迫在眉睫。为了实现大面积、高密度均匀等离子体放电,基于多驱动射频离子源的设计是当前的发展趋势,而阻抗匹配网络是射频功率源将最大功率输送至线圈并耦合至等离子体的关键,故对其结构设计和调谐特性的研究是不可或缺的。基于前期在单驱动射频离子源的研究基础上,结合双驱动射频离子源的放电需求,开展了双驱动阻抗匹配网络优化结构的设计与分析,通过实验中对匹配网络的调谐,成功实现了140 kW高功率和25 kW/1 000 s长脉冲的稳定运行。随后在等离子体稳定放电的基础上研究了两个驱动器之间的功率分配均匀性问题,实验结果表明了该匹配网络的优化设计合理可行,上下驱动器的射频功率分配基本均匀。     

高频感应等离子体流动模型与微型电推进器流场特性分析

微型射频离子推力器具有结构简单、工作寿命长、推力动态范围大、性能调节响应灵敏等特点,是国际微电推进领域的研究热点之一.射频离子推力器电离室内的感性耦合放电等离子体特性和推力器的性能密切相关.为此,文章建立了低气压、小尺寸微型射频离子推力器电离室内感性耦合等离子体流体模型,开展了电磁场、流场、化学反应浓度场的多物理场耦合仿真分析,并研究了等离子体放电特征参数随推进剂工质气压、放电吸收功率、射频频率以及线圈匝数等因素的变化规律.结果表明,推进剂工质气压、放电吸收功率是调节微型射频离子推力器性能的主要因素,该研究为综合调控微型射频离子推力器的工作性能奠定了良好的基础.      

脉冲放电射流辅助射频辉光放电研究

通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构,在射频放电前段增加脉冲电极,脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域,主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明:等离子体子弹经过射频放电区域后,由于等离子体子弹引入的活性粒子,会使射频放电区域等离子体强度增强;而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。     

使用斯塔克展宽计算大气压射频介质阻挡放电氮气等离子体的电子密度

大气压射频等离子体是近几年发展起来的一种新型非平衡等离子体。以氮气掺杂少量氩气为放电气体,实现了大气压射频介质阻挡放电。利用发射光谱对放电进行在线诊断研究,并分析谱线线型,从中分离出谱线的Stark线型,从而计算出放电通道的电子密度。研究了单个放电通道中电子密度的空间分布并测量了通道同一位置的电子密度随放电输入功率的变化。结果显示,在放电通道中部,当放电输入功率由138W增加至248W,电子密度由4.038×1021 m-3升高至4.75×1021 m-3。     

脉冲金属氢化物真空弧放电等离子体发射光谱特性

利用发射光谱方法对真空弧离子源放电等离子体特性进行了诊断。同时,基于局域热力学平衡等离子体的发射光谱理论,建立了等离子体的发射光谱拟合模型,对真空弧放电等离子体光谱进行了分析。针对TiH真空弧离子源,分别对330~340nm与498~503nm范围内Ti+离子与Ti原子的发射光谱进行了对比拟合,获得了较好的符合度,解决了传统Boltzmann斜率法计算等离子体温度需要孤立的不受附近谱线干扰的线状光谱的困难。最后,利用该方法计算了真空弧离子源在不同放电条件下的等离子体发射光谱、等离子体密度与温度参数。结果表明,TiH真空弧放电等离子体温度在1eV左右,同时,放电所产生的氢原子要远远大于金属原子,并且随着真空弧离子源馈入功率的增加,TiH电极中解吸附出来的氢比蒸发出来的金属增加得更多,这有利于TiH离子源在中子发生器方面的应用。     

射频放电阻抗测量用于等离子体诊断研究

利用自行研制的传感器和测量装置,通过对射频放电电压、电流以及其相位角的精确测定,算出放电管的总阻抗,结合放电管的等效电路模型与Godyak等建立的射频放电模型,对射频激励铜离子激光管在氦气中的放电特性进行了研究,得出射频激励铜离子激光器不同气压及电流密度下的等离子体电阻、容抗、鞘层厚度及电子密度 关键词： 射频放电 阻抗测量 等离子体诊断     

感应耦合等离子体的1维流体力学模拟

 采用双极扩散近似的流体力学模型，通过数值模拟方法研究了射频感应耦合等离子体(ICP)中等离子体密度和电子温度等物理量的空间分布，其中射频源的功率沉积由动力学理论给出。分析了不同的射频线圈的驱动电流和放电气压对等离子体密度和电子温度空间分布的影响。在低气压下，等离子体密度基本上保持空间均匀分布。随着放电压强的增加，等离子体密度的分布呈现出明显的空间不均匀性。当线圈电流增大时，等离子体密度和电子温度都随着增大。     

O2中α型射频放电的理论研究

根据射频放电中电流连续性方程、稳态时电子数密度的连续性方程以及电子的能量平衡方程,建立了气体放电氧碘激光器中α型射频放电等离子体的理论模型,通过数值求解得到了射频放电等离子体中电场、电子数密度的空间分布,分析了放电参数对放电特性的影响.结果表明采用频率高的射频放电会使放电空间电场降低,电子数密度增加,从而有利于单重氧的生成,为提高气体放电中单重氧的产率提供了理论依据.     

三维数值模拟射频热等离子体的物理场分布

射频热等离子体的产生包含了丰富、复杂的物理场分布,正确认识这些物理场分布对射频热等离子体在工业领域的应用有指导作用.本文建立了三维射频热等离子体的热-电-磁-流动强耦合数学物理模型,考虑了感应线圈的真实螺线管结构,开发了用于计算三维射频热等离子体复杂电磁场的C++程序代码,计算了射频热等离子体重要物理场,如温度场、流场和电磁场的分布情况.结果表明,射频热等离子体各物理场分布具有三维非对称效应,感应线圈结构对温度场和流场的空间分布有重要影响.研究结果对优化、控制射频热等离子体的实际应用过程有重要的指导意义.     

大功率RF 离子源阻抗匹配电路的设计与实现

在大功率RF 离子源中,激励器的作用是产生等离子体,阻抗匹配电路是激励器吸收RF 功率的关键。将激励器等效阻抗视为一个电阻和一个电感的串联,采用了一种由一个RF 变压器并和两个可调电容组成的阻抗匹配电路,给出了视RF 变压器为理想变压器时阻抗匹配电路的分析模型,推导了阻抗匹配时两个可调电容的电气参数。当激励器实验装置使用一个石英玻璃激励器时,搭建了一个阻抗匹配电路,成功地将RF 功率耦合进激励器并产生了等离子体。     

Study on the RF Power Necessary to Ignite Plasma for the ICP Test Facility at HUST

An Radio‐Frequency (RF) Inductively Coupled Plasma (ICP) ion source test facility has been successfully developed at Huazhong University of Science and Technology (HUST). As part of a study on hydrogen plasma, the influence of three main operation parameters on the RF power necessary to ignite plasma was investigated. At 6 Pa, the RF power necessary to ignite plasma influenced little by the filament heating current from 5 A to 9 A. The RF power necessary to ignite plasma increased rapidly with the operation pressure decreasing from 8 Pa to 4 Pa. The RF power necessary to ignite plasma decreased with the number of coil turns from 6 to 10. During the experiments, plasma was produced with the electron density of the order of 10¹⁶m^–3 and the electron temperature of around 4 eV. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

Characteristics of an atmospheric‐pressure radio frequency‐driven Ar/H2 plasma discharge with copper wire in tube

This paper investigates a plasma discharge driven by a 13.56 MHz radio frequency (RF) power supply at atmospheric pressure, in which a copper wire is inserted in the discharge tube for the deposition of Cu films. The results show that the jet plasma formation originates from the discharge between the copper wire and induction coil because of its electrostatic field. The axial distribution of the plasma parameters in the RF plasma jet, namely the gas temperature, excitation temperature, and electron number density, is determined by diatomic molecule OH fitting, Boltzmann slope, and H_β Stark broadening, respectively. The discharge current significantly declines when a small amount of hydrogen is added to the argon as the plasma‐forming gas, and the gas temperature of discharge plasma increases considerably.     

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For a RF ion source test facility, the driver is used to produce plasma, and the matching unit is the key for the driver to absorb RF power. The driver’s impedance could be equivalent to a resistance and an inductance in series. A matching unit which consisted of an RF transformer and two variable capacitances was chosen, it was analyzed by an ideal transformer model and its electrical parameters were derived under the condition of matching. When a quartz glass driver was mounted onto the test facility at HUST, a matching unit was implemented, it transmitted RF power into the driver and then plasma was successfully produced.     

柱面天线射频感性耦合等离子体放电模式特性的实验研究

利用Z-scan、电流、电压探头,通过测量等离子体吸收功率、天线电流、电压、等离子体直流悬浮电位等多种参数,研究了匹配网络、天线耦合强度、导电地面积、气压等多种因素对E,H放电模式特性及模式转化行为的影响.基于Γ型阻抗匹配网络中串联电容对射频电源输出功率的影响,提出了E—H放电模式转化的正负反馈区概念.研究发现：在相同的其他放电条件下,处于正反馈区时等离子体放电易于产生跳变型模式转化,而且模式跳变的临界天线电流、回滞宽度、跳变临界功率、跳变功率差等参数均随阻抗匹配网络参数产生明显变化;在负反馈区内,模式转化过程趋于连续.由于阻抗匹配网络的影响,E—H模式的跳变电流并不是总大于H—E模式的跳变电流.在不同导电地面积、阻抗匹配网络、气压下,模式转化过程中等离子体直流悬浮电位的变化呈现多样性. 关键词： 射频等离子体 感性耦合 容性耦合 模式转化     

高频离子源等离子体的光谱诊断

 采用发射光谱法研究了高频离子源的等离子体性质。该离子源应用于ZF-200keV中子发生器中，是一种电感耦合型无极环形放电高频离子源。实验采用绝对定标后的光学多道分析系统测定了离子源等离子体在不同阶段氢原子巴耳末谱线系中前三条谱线的强度，并采用部分局部热力学平衡状态的理论，计算出了相应阶段高频离子源等离子体的电子温度、氢原子浓度、氢离子浓度等参数，并进行了简要分析。     

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基于感应耦合等离子体(ICP)技术设计了一套用于在硅基片上制作形成超浅结的等离子体浸没注入(PIII)系统。该ICP PIII系统工作腔室为圆柱形,采用射频功率源,注入偏压源为一脉冲直流电压源,系统与Langmiur探针相连。探针诊断结果表明,该系统的等离子体离子密度达到1017m-3,离子密度径向均匀性达到3.53%。硼和磷的超低能注入试验的二次离子质谱测试结果表明：掺杂离子注入深度在10nm左右,最浅的注入深度为8.6nm(在注入离子密度为1018cm-3时);注入离子剂量达到了1015cm-2以上;掺杂离子浓度峰值在表面以下;注入陡峭度达到了2.5nm/decade。     

用于中性束注入的大功率射频离子源激励器研制

建立了一个等离子体射频激励器,工作气体为氢气,工作气压为0.3Pa,激励器陶瓷桶直径300mm,工作频率1MHz。实现了RF等离子体激发放电,在输入射频功率16kW条件下,采用朗缪尔探针测得的等离子体密度>10¹⁸m^-3,初步建立了一个RF等离子体源实验平台。