Pulsed microwave-driven argon plasma jet with distinctive plume patterns resonantly excited by surface plasmon polaritons

Atmospheric lower-power pulsed microwave argon cold plasma jets are obtained by using coaxial transmission line resonators in ambient air.The plasma jet plumes are generated at the end of a metal wire placed in the middle of the dielectric tubes.The electromagnetic model analyses and simulation results suggest that the discharges are excited resonantly by the enhanced electric field of surface plasmon polaritons.Moreover,for conquering the defect of atmospheric argon filamentation discharges excited by 2.45-GHz of continued microwave,the distinctive patterns of the plasma jet plumes can be maintained by applying different gas flow rates of argon gas,frequencies of pulsed modulator,duty cycles of pulsed microwave,peak values of input microwave power,and even by using different materials of dielectric tubes.In addition,the emission spectrum,the plume temperature,and other plasma parameters are measured,which shows that the proposed pulsed microwave plasma jets can be adjusted for plasma biomedical applications.     

微腔等离子体放电过程的数值研究

采用2维自洽完全流体模型,数值研究了阳极为通孔的高气压微腔放电结构中等离子体参数的变化过程。模拟结果获得了当氩气压强为13.3 kPa时,放电中的电势分布、等离子体密度分布、径向电场分布和电子温度分布等重要参数的演化过程。模拟结果表明在放电过程中,阴极附近的电场由轴向电场逐步转变为径向电场,等离子体密度最大值位于放电腔中间处,并随时间推移由阳极附近向阴极附近移动,电子温度的最大值出现在阴极环形鞘层区域。     

外加磁场微波等离子推力器内流场数值模拟

为了提高微波等离子推力器性能，改善等离子体对电磁波能量的吸收状况，提高核心区温度，提出外加磁场的方案，并对热等离子体进行了数值模拟.假设局域热平衡条件，采用Navier-Stokes，Maxwell和Saha方程，利用压力修正的半隐格式和时域有限差分求解方法，建立了径向磁镜场下推力器内等离子体流场的数值计算模型.数值模拟结果表明：外加磁场后的磁感应强度小于0.5 T时，推力器内热等离子体核心区最高温度随磁感应强度的增加而迅速提高.外加磁场后的磁感应强度大于0.5 T时，核心区最高温度随磁感应强度的增加而缓慢提高.磁感应强度为0.5 T时，热等离子体核心区最高温度与不加磁场相比提高了24%.外加磁场对等离子体流场速度分布影响不大. 关键词： 等离子体模拟 等离子体相互作用 等离子体流动     

多模式离子推力器栅极系统三维粒子模拟仿真

栅极系统是离子推力器推力产生的主要部件,推力器的性能和寿命都与栅极系统密切相关.对于具有多种工作模态的离子推力器,基于电流电压入口的仿真可以有效评估推力器的工作状况.采用三维粒子模拟方法对两栅极系统等离子体输运过程进行了仿真,获得了不同模式下的推力器性能参数,对比NSTAR的在轨测试参数,验证了模型的正确性;分析了工作模式变化对栅极区域电场分布和束流状态的影响以及离子推力器多模式设计需求.分析结果表明:远离栅极系统的外凸型屏栅鞘层和内凹型零等势面、低鞍点电势值和平缓的下游电势分布,有利于提高栅极系统离子通过率,抑制电子返流,减小Pits-and-Grooves腐蚀,是离子推力器工作模式的设计方向;提高束流电压会导致发散角损失增大,但可扩展栅极工作电流范围,在束流强度较大的模式下,使束流具有较好的聚焦状态,有利于减小Barrel腐蚀.研究结果为多模式离子推力器工作模式设计提供了参考.     

负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.     

离子推力器羽流特性的粒子模拟

采用粒子网格单元和蒙特卡罗碰撞方法,建立了离子推力器羽流场的2维轴对称模型,对其特性进行了数值模拟,并将模拟结果与实验测量数据进行了对比分析。研究结果表明:数值模拟结果与实验测量值基本一致,模型可以很好地评估离子推力器的羽流特性;返流区离子数密度达到1014m-3量级,会对航天器表面产生污染;背压对束流区域外电荷交换离子影响较为显著,不可忽略。     

微空心阴极放电推力器性能研究

微空心阴极放电推力器是一种新颖的电热式微推力器,利用纳卫星提供的1~10 W的功率可提高微推进装置的性能。为了预示该推力器的性能,结合实验中测量的气体温度值和火箭发动机原理,初步计算得出微放电推力器的推力范围为几十至上千μN,以氩气为工质比冲量级为600~1 000 N.s/kg,以氦气为工质比冲量级为3 000 N.s/kg。研究结果表明,微空心阴极放电较小的尺寸结构与强烈并可控的气体加热相结合,可以开发应用在电热式微放电推进中,作为微小卫星,尤其是纳卫星和皮卫星的动力系统。     

氩气微腔放电中特性参数的数值模拟研究

本文采用二维自洽完全流体模型,针对阳极为通孔的高气压微腔放电结构,研究了微腔放电的参数特性.数值计算得到了氩气压强为100 Torr,放电稳态时的电势分布、电子数密度分布和电子温度分布等重要参数.模拟结果表明放电区存在显著的阴极鞘层结构,电子数密度的峰值达到10²⁰ m^-3,电子温度的量级为几个eV至十几eV,该结论与实验结果相一致.数值模拟合理的解释了微腔放电的基本原理. 关键词： 微腔放电 等离子体模拟 流体模型     

气体压强及表面等离激元影响表面波等离子体电离发展过程的粒子模拟

基于表面等离激元 (SPP) 的表面波等离子体 (SWP) 源, 具有高密度、低温度及高产率等优异性能, 其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域. 但由于SPP激励SWP放电的电离过程难于用理论分析和实验测量描述, 因而SWP源均匀稳定产生的电离发展过程一直未研究清晰. 本文以SWP放电的数值模拟为研究手段, 采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟 (PIC) 方法, 结合蒙特卡罗碰撞 (MCC) 方法处理碰撞效应的优势, 研究气体压强影响电离过程的电磁能量耦合机理. 模拟结果表明SWP的高效产生是SPP的局域增强电场致使, 气体压强能够改变波模共振转换的出现时刻而影响了SWP的电离发展过程. 本文的研究成果展示了SPP维持SWP放电的电离过程, 可为下一代米级SWP源的参数优化提供设计建议. 关键词： 表面波等离子体 表面等离激元 粒子模拟 电离过程     

栅极热变形对离子推力器工作过程影响分析

栅极热变形是影响离子推力器性能和寿命的重要因素. 采用三维粒子方法对栅极系统等离子体输运过程进行模拟, 对比、分析栅极热变形前后栅极系统的电子返流限制、导流系数限制、离子通过率和发散角损失. 结果表明: 栅极热变形增大了屏栅离子通过率和推力器推力值, 并由于加速栅截止电流阈值的提高拓展了推力器工作电流区间, 但电子返流阈值的明显降低对栅极系统可靠工作造成了不利影响.