不同成分等离子体鞘层的玻姆判据

在一维平板鞘层中采用流体模型分别研究了不同成分无碰撞等离子体鞘层的玻姆判据.通过拟牛顿法数值模拟了含有电子、离子、负离子以及二次电子的等离子体鞘层玻姆判据.结果表明二次电子发射增加了鞘层离子马赫数的临界值,且器壁发射二次电子温度越高,离子马赫数临界值越小.负离子使离子马赫数临界值减小.而在含有二次电子和负离子的等离子体鞘层中,当负离子较少时,二次电子发射对离子马赫数临界值影响较大;当负离子增加时,离子马赫数的临界值则主要受负离子的影响. 关键词： 鞘层 等离子体 玻姆判据     

电子的非广延分布对等离子体鞘层中二次电子发射的影响

采用一维流体模型研究了非广延分布电子对等离子体鞘层中二次电子发射的影响.通过数值模拟,研究了非广延分布电子对考虑二次电子发射的等离子体鞘层玻姆判据、器壁电势、器壁二次电子临界发射系数以及等离子体鞘层中二次电子密度分布的影响.研究结果发现,当电子分布偏离麦克斯韦分布(q=1,广延分布)时,非广延参量q的改变对器壁二次电子发射有着重要的影响.不论电子分布处于超广延(q 1),还是处于亚广延状态(q 1),随着非广延参量q的增加,都会出现鞘边临界马赫数跟着减小,同时对于随着二次电子发射系数的增加,临界马赫数跟着增加.器壁电势随着参量q的增加而增加.器壁二次电子临界发射系数则随着非广延参量的增加而减小,并且等离子体中所含的离子种类质量数越大,非广延参量的变化对器壁二次电子临界发射系数的值影响越小.此外,随着非广延参量的增加,鞘层厚度减小,鞘层中二次电子数密度增加.通过对数值模拟结果分析,发现电子分布处于超广延分布状态对等离子体鞘层中二次电子发射特性的影响要比电子处于亚广延分布状态要更明显.     

壁面二次电子发射对霍尔推力器放电通道绝缘壁面双鞘特性的影响

为进一步揭示霍尔推力器放电通道绝缘壁面鞘层的特性, 利用考虑了壁面二次电子分布函数的一维稳态流体鞘层模型, 研究了壁面二次电子发射对近壁双鞘特性的影响. 分析结果表明, 由于壁面发射的二次电子对近壁鞘层中的电子密度有增加作用, 存在一个临界二次电子发射系数σ_dc使得: 当σ≤σ_dc时, 鞘层为单层的正离子鞘结构; 当σ>σ_dc时, 鞘层表现为双层的正离子鞘和电子鞘相连结构, 连接点对应于垂直于壁面方向上电势分布的拐点. 然而, 当σ进一步增大到0.999时, 鞘层转变为三层的正离子鞘-电子鞘-正离子鞘交替结构. 数值结果表明: 随着σ的增加, 电子鞘与离子鞘的连接点向远离壁面的方向移动, 电子鞘的厚度逐渐增加; 随着壁面出射电子能量系数a的增加, 近壁区鞘层的厚度也逐渐增加. 关键词： 霍尔推力器 双鞘 壁面二次电子发射     

霍尔推进器中磁化二次电子对鞘层特性的影响

为进一步研究霍尔推进器壁面二次电子发射对推进器性能的影响,采用流体模型数值模拟了二次电子磁化效应的等离子体鞘层特性.得到二次电子磁化鞘层的玻姆判据.讨论了不同的磁场强度和方向、二次电子发射系数以及不同种类等离子体推进器的鞘层结构.结果表明:随器壁二次电子发射系数的增大,鞘层中粒子密度增加,器壁电势升高,鞘层厚度减小;鞘层电势及粒子密度随着磁场强度和方位角的增加而增加;而对于不同种类的等离子体,壁面电势和鞘层厚度也不同.这为霍尔推进器的磁安特性实验提供了理论解释. 关键词： 霍尔推进器 磁鞘 二次电子     

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建立了包含两种正离子的碰撞等离子体鞘层的流体模型,通过四阶龙格-库塔法模拟了碰撞对含有两种正离子的等离子体鞘层中的离子密度和速度分布产生的影响。结果表明,对于两种正离子的等离子体来说,鞘层中无论哪种离子与中性粒子碰撞频率的增加,该种离子的密度和速度分布都将呈现波动变化,密度是先增加后降低,速度是先降低后增加;而另一种离子的密度和速度呈单调变化。鞘边正离子的含量越少,受自身与中性粒子的碰撞频率增加,鞘层中该种离子密度先增加后降低的变化位置就越远离等离子体的鞘层边界。同时发现该种离子密度分布受自身碰撞频率增加,降低的幅度变化非常小。另外发现电子碰撞器壁产生的二次电子发射系数对质量较轻的离子影响要大一些。     

霍尔推进器壁面材料二次电子发射及鞘层特性

霍尔推进器放电通道等离子体与壁面相互作用形成鞘层,不同壁面材料的二次电子发射对推进器鞘层特性具有重要影响,本文针对推进器壁面鞘层区域建立二维物理模型,研究了氮化硼(BN)、碳化硅(SiC)和三氧化二铝(Al_2O_3)三种不同壁面材料的二次电子发射特性,在改进SiC材料二次电子发射模型的基础上,采用粒子模拟方法,讨论了壁面二次电子发射系数与电子温度和磁场强度的关系,研究了三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的鞘层特性,结果表明:修正的二次电子发射模型拟合曲线与实验曲线几乎一致;在相同电子温度下,三种材料(BN,SiC和Al_2O_3)的二次电子发射系数和壁面电子数密度依次增大,而鞘层电场和鞘层电势降依次减小,BN材料具有合适的二次电子发生射系数,使得霍尔推进器能在低电流下稳态工作。     

二次电子发射系数对含有超广延分布电子的等离子体器壁电势的影响

采用一维模型研究本底电子为麦氏分布的等离子体中存在部分超广延分布的高温电子情况下的二次电子发射系数对器壁电势的影响。数值模拟结果表明：当器壁二次电子发射系数较小时,器壁电势随着超广延分布电子与本底电子的浓度比值、温度比值、以及超广延参量这些参数的增加而减小;当器壁二次电子发射系数较大时,器壁电势则随着超广延分布电子与本底电子的浓度比值、温度比值、以及超广延参量值的增加而增加。     

多成分电负性碰撞等离子体的鞘层玻姆判据

采用双流体模型研究了多成分的电负性碰撞等离子体鞘层的玻姆判据,讨论了一维稳态情形下不同的带电粒子对鞘层玻姆判据的影响。采用拟牛顿法,得到了数值解。结果表明：玻姆判据存在上限和下限。二次电子发射系数越大,离子的马赫数越大;负离子的含量越多,离子的马赫数越小。鞘层中离子的温度、离子与中性粒子的碰撞以及离子的带电量对玻姆判据的上下限的取值都有一定的影响。     

电子温度各向异性对霍尔推力器BN绝缘壁面鞘层特性的影响

建立多价态多组分等离子体一维流体鞘层模型,引入电子温度各向异性系数并考虑出射电子速度分布,研究了电子温度各向异性对霍尔推力器中的BN绝缘壁面鞘层特性和近壁电子流的影响.分析结果表明,相比于纯一价氙等离子体鞘层参数,推力器中的多价态氙等离子体鞘层电势降略有降低,电子壁面损失增加,临界二次电子发射系数减小.推力器中的电子温度各向异性现象可以显著地加大出射电子能量系数,进而降低鞘层电势降,增强电子壁面相互作用.数值结果表明,空间电荷饱和机制下电子温度各向异性对鞘层空间电势分布影响显著. 关键词： 霍尔推力器 电子温度各向异性 空间电荷饱和鞘层     

二次电子分布函数对绝缘壁面稳态鞘层特性的影响

由于缺乏详细的理论计算和实验结果,在研究绝缘壁面稳态流体鞘层特性时,通常假设壁面出射的总二次电子服从单能分布(0)、半Maxwellian分布等.在单能电子轰击壁面的详细二次电子发射模型基础上,采用Monte Carlo方法统计发现:当入射电子服从Maxwellian分布时,绝缘壁面发射的总二次电子服从三温Maxwellian分布.进而,采用一维稳态流体鞘层模型进行对比研究,结果表明:二次电子分布函数对鞘边离子能量、壁面电势、电势及电子/离子密度分布等均具有明显影响;总二次电子服从三温Maxwellian分布时,临界空间电荷饱和鞘层无解,表明随着壁面总二次电子发射系数的增加,鞘层直接从经典鞘层结构过渡到反鞘层结构.     

Sheath structure in plasma with two species of positive ions and secondary electrons

The properties of a collisionless plasma sheath are investigated by using a fluid model in which two species of positive ions and secondary electrons are taken into account. It is shown that the positive ion speeds at the sheath edge increase with secondary electron emission(SEE) coefficient, and the sheath structure is affected by the interplay between the two species of positive ions and secondary electrons. The critical SEE coefficients and the sheath widths depend strongly on the positive ion charge number, mass and concentration in the cases with and without SEE. In addition, ion kinetic energy flux to the wall and the impact of positive ion species on secondary electron density at the sheath edge are also discussed.     

Heat flow through a plasma sheath in the presence of secondary electron emission from plasma‐wall interaction

The formation of a plasma sheath in front of a negative wall emitting secondary electron is studied by a one‐dimensional fluid model. The model takes into account the effect of the ion temperature. With the secondary electron emission (SEE ) coefficient obtained by integrating over the Maxwellian electron velocity distribution for various materials such as Be, C, Mo, and W, it is found that the wall potential depends strongly on the ion temperature and the wall material. Before the occurrence of the space‐charge‐limited (SCL ) emission, the wall potential decreases with increasing ion temperature. The variation of the sheath potential caused by SEE affects the sheath energy transmission and impurity sputtering yield. If SEE is below SCL emission , the energy transmission coefficient always varies with the wall materials as a result of the effect of SEE , and it increases as the ion temperature is increased. By comparison of with and without SEE , it is found that sputtering yields have pronounced differences for low ion temperatures but are almost the same for high ion temperatures.     

聚合物物理属性对离子注入效应的影响

聚合物导电性能差, 表面电荷积聚所产生的电容效应致使其表面电位衰减, 采用等离子体浸没离子注入对其表面改性是非常困难的. 建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的粒子模拟(PIC)模型, 实时跟踪离子在等离子体鞘层中的运动形态及特性并进行统计分析. 并基于PIC模型, 将聚合物表面的二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数等物理量对鞘层演化、离子注入能量和剂量的影响规律. 研究结果表明: 当聚合物厚度小于200 μ m, 相对介电常数大于7, 二次电子发射系数小于0.5时, 离子注入剂量和高能离子所占的份额与导体离子注入情况相当. 通过对聚合物表面离子注入剂量和高能离子所占份额的研究, 为绝缘材料和半导体材料表面等离子体浸没离子注入的实现提供了理论和实验依据.     

等离子体浸没离子注入非导电聚合物的适应性及栅网诱导效应的研究

本文建立了绝缘材料等离子体浸没离子注入过程的动力学Particle-in-cell(PIC)模型, 将二次电子发射系数直接与离子注入即时能量建立关联, 研究了非导电聚合物厚度、介电常数和二次电子发射系数对表面偏压电位的影响规律以及栅网诱导效应. 研究结果表明: 非导电聚合物较厚时, 表面自偏压难以实现全方位离子注入, 栅网诱导可以间接为非导电聚合物提供偏压, 并抑制二次电子发射, 为厚大非导电聚合物表面等离子体浸没离子注入提供了有效途径.     

Effects of secondary electron emission on plasma characteristics in dual-frequency atmospheric pressure helium discharge by fluid modeling

A one-dimensional(1D) fluid simulation of dual frequency discharge in helium gas at atmospheric pressure is carried out to investigate the role of the secondary electron emission on the surfaces of the electrodes. In the simulation, electrons,ions of He~+ and He_2~+, metastable atoms of He*and metastable molecules of He*_2 are included. It is found that the secondary electron emission coefficient significantly influences plasma density and electric field as well as electron heating mechanisms and ionization rate. The particle densities increase with increasing SEE coefficient from 0 to 0.3 as well as the sheath's electric field and electron source. Moreover, the SEE coefficient also influences the electron heating mechanism and electron power dissipation in the plasma and both of them increase with increasing SEE coefficient within the range from 0 to 0.3 as a result of increasing of electron density.     

One-dimensional solution to the stable, space-charge-limited emission of secondary electrons from plasma-wall interactions

Numerical solutions to the stable, space-charge-limited emission of secondary electrons from plasma-wall interaction are found based on one-dimensional plasma moment equations that assume cold ions, Maxwellian electrons and cold secondary electrons. The numerical method finds a range of plasma parameters that permit stable emission of secondary electrons in the absence of normal electric fields to the wall. These solutions were not obtained with previous method that solves only for the marginally stable plasma sheath. Range of the ion Mach number at the sheath edge, the floating wall potential relative to the plasmas, and secondary electron emission coefficients corresponding to the vanishing normal electric fields are found for hydrogen, argon and xenon plasmas. The results show that a relatively small range of secondary electron emission coefficient exists to allow stable sheaths structures along with larger ranges of ion injection speed at the sheath edge and floating potential of the emitting wall.