低温等离子体物理进展

概述了低温等离子体物理研究现状、发展及其应用     

简讯

全国等离子体科学与核聚变技术应用讨论会于1986年10月6日至10日在大连工学院召开。出席会议的代表来自全国26个研究部门和高等院校,共50余人。这次会议是我国首次从事高温与低温等离子体应用的研究人员一起进行交流的讨论会。大会比较集中地讨论了等离子体表面处理、成膜和高能粒子束注入表面改性等方面的内容。此外,还有低温等离子体和核聚变技术在其它方面应用的研究报告、综述报告。大会报告的论文共35篇。     

HL-1装置等离子体特性的初步研究

HL-1装置在环向磁场2.3T下运行,获得135kA平衡稳定等离子体,平顶时间160ms。实验表明,环向磁场杂散分量约为纵场的万分之一,导体壳和平衡场基本上能保证等离子体的平衡。观察到的电子温度约500eV,平均电子密度2.8×10~(13)cm~(-3),能量约束时间10ms,有效电荷数小于3,最低稳定运行安全因子2.5,最长放电持续时间1040ms。在对MHD稳定性进行观察的基础上,确定了稳定运行区域;极限密度服从Murakami定标律。     

强流脉冲离子束辐照靶材烧蚀效应二维数值研究

对强流脉冲离子束(IPIB)辐照Ti靶的烧蚀效应进行了二维数值研究.得到了表面烧蚀物质随脉冲时间的变化关系.得出TEMP Ⅱ 型加速器产生的脉冲束流辐照靶材时引起的汽、液化均是从表面开始、并且汽化过程中表面物质被层层烧蚀的结论.同时，得到中心区的平均烧蚀速度为10m/s 数量级，它远小于产生的烧蚀等离子体的喷发速度.得到脉冲期间靶材内部不同位置烧蚀斑痕形状的时间演化过程，以及束流中含有的离子种类分额不同时IPIB辐照过程产生的不同效果. 关键词： 强流脉冲离子束 靶 烧蚀过程 二维数值模拟     

Deposition of Diamond-Like carbon Films by High-Intensity Pulsed Ion Beam Ablation at Various Substrate Temperatures

Diamond-like carbon (DLC) films have been deposited on to Si substrates at substrate temperatures from 255℃ to 400O℃ by a high-intensity pulsed-ion-beam (HIPIB) ablation deposition technique. The formation of DLC is confirmed by Raman spectroscopy. According to an x-ray photoelectron spectroscopy analysis, the concentration of sp^3 carbon in the films is about 40% when the substrate temperature is below 300℃ C. With increasing substratetemperature from 25℃ to 400℃, the concentration of sp^3 carbon decreases from 43% to 8%. In other words,sp3 carbon is graphitized into sp^2 carbon when the substrate temperature is above 300℃. The results of xray diffraction and atomic force microscopy show that, with increasing the substrate temperature, the surface roughness and the friction coefficient increase, and the microhardness and the residual stress of the films decrease.     

离子注入合成β-FeSi2薄膜的显微结构

采用MEVVA源(Metal Vapor Vacuum Arc Ion Source)离子注入合成β-FeSi2薄膜,用常规透射电镜和高分辨电镜研究了不同制备参数下β-FeSi2薄膜的显微结构变化. 研究结果表明:调整注入能量和剂量,可以得到厚度不同的β-FeSi2表面层和埋入层. 制备过程中生成的α,β,γ和CsCl型FeSi2相的相变顺序为γ-FeSi2→β-FeSi2→α-FeSi2,CsCl-FeSi2→β-FeSi2→α-FeSi2或β-FeSi2→α-FeSi2. 当注入参数增加到60kV,4×1017ions/cm2,就会导致非晶的形成,非晶在退火后会晶化为β-FeSi2相,相变顺序就变为非晶→β-FeSi2→α-FeSi2. 随退火温度逐渐升高硅化物颗粒逐渐长大,并向基体内部生长,在一定的退火温度下硅化物层会收缩断裂为一个个小岛状,使得硅化物/硅界面平整度下降. 另外,对于β-FeSi2/Si界面取向关系的研究表明,在Si基体上难以形成高质量β-FeSi2薄膜的原因在于多种非共格取向关系的并存、孪晶的形成以及由此导致的界面缺陷的形成.     

大气压旋转螺旋状电极辉光放电等离子体催化甲烷偶联

采用新研制的具有旋转螺旋状电极的大气压辉光放电等离子体反应器催化甲烷偶联制碳二烃. 实验采用铜电极和不锈钢电极分别考察了输入电场峰值电压和甲烷、氢气进料流量等参数对甲烷转化率和碳二烃收率、选择性的影响. 在长时间连续反应无明显积碳的情况下, 最佳试验结果是电极材料为金属铜, 进料流量为60 mL•min^-1, V(CH₄ )/V(H₂)=1的条件下, 输入电场峰值电压为2.3 kV时, 甲烷转化率为70.64%, 碳二烃单程收率及其选择性分别为69.85%和 99.14%.     

强流脉冲离子束辐照靶及其喷发的数值研究

利用拟合实测的TEMP Ⅱ型加速器磁绝缘二极管(MID)电压波形及其焦点附近束流密度曲线，建立了Gaussian分布模型，据此计算了与靶作用的离子的能量及数量，采用Monte Carlo(MC)方法计算了沉积在靶内的能量.并以此作为热源，与流体动力学(HD)模型相结合，对不同的靶状态采用相应的状态方程，模拟计算了靶内压力演化情况; 同时对烧蚀产生的等离子体采用理想气体状态方程, 结合HD方程组, 模拟计算了喷发过程中压力的空间演化过程. 关键词： 强流脉冲离子束 Gaussian模型 HD方程 数值研究     

Two-dimensional numerical research on effects of titanium target bombarded by TEMPⅡ accelerator

Two-dimensional numerical research has been carried out on the ablation effects of titanium target irradiated by intense pulsed ion beam （IPIB） generated by TEMP Ⅱ accelerator. Temporal and spatial evolution of the ablation process of the target during a pulse time has been simulated. We have come to the conclusion that the melting and evaporating process begin from the surface and the target is ablated layer by layer when the target is irradiated by the IPIB. Meanwhile, we also obtained the result that the average ablation velocity in target central region is about 10 m/s, which is far less than the ejection velocity of the plume plasma formed by irradiation. Different effects have been compared to the different ratio of the ions and different energy density of IPIB while the target is irradiated by pulsed beams.     

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在常温常压下采用新型旋转电极等离子体反应器，对辉光等离子体作用下的甲烷偶联反应制C2烃进行了研究。结果表明，甲烷偶联反应的主要产物为C2H2，占C2烃的80%以上，能量效率在5.6%～11.2%之间；增加H2含量可以提高CH4转化率和C2烃收率；在500～2200kJ•mol−1的能量密度范围内，CH4转化率随能量密度的增大而线性增加，C2烃收率随着能量密度的增加呈峰形变化趋势。