碰撞参数对磁化电负性等离子体鞘层结构的影响

数值研究了离子马赫数的取值和碰撞参数对由热电子、热负离子和冷正离子构成的磁化电负性等离子体鞘层结构的影响.通过理论推导得到了鞘层模型的玻姆判据的表达式,并得到了不同离子马赫数情况下鞘层的正离子密度分布和净电荷分布曲线,还进一步得到了几个不同碰撞参数下鞘层的带电粒子密度、净电荷以及电势分布曲线.结果表明:离子马赫数取值不同对应不同的鞘层结构;碰撞使鞘层中正离子密度增加,使电子密度更快减小到零,对负离子密度分布影响不明显;碰撞使净电荷密度的峰值幅度增加并向鞘层边缘移动,使鞘层中电势值升高并使鞘层厚度减小.     

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。     

电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘的影响

研究了鞘层中电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘玻姆判据和鞘层结构的影响.通过理论推导得到了考虑鞘层中电子和负离子的反射运动时鞘层玻姆判据表达式,并通过数值模拟得到了电子和负离子采用玻尔兹曼模型和反射运动模型时离子马赫数的下限随参数的变化曲线以及鞘层中带电粒子密度的分布曲线.结果表明,电子和负离子的反射运动模型和玻尔兹曼模型离子马赫数的上限完全相同,下限表达式不同,反射运动模型中下限还与基板电势有关,且随着基板电势值的增加而增大,达到与玻尔兹曼分布中相同值后保持不变,随着鞘边负离子浓度和温度的不同达到最大值的速度不同;离子马赫数的下限在玻尔兹曼和反射运动模型中都随鞘边负离子浓度的增加和温度的降低而减小,只是在反射运动模型中的最大值要小;两种模型中离子马赫数的下限都随鞘边电场的增加而增加,但在玻尔兹曼模型中增加得更快最终值更大;两种模型离子马赫数的下限都随碰撞参数或磁场角度的增加而降低,但在玻尔兹曼模型中降低更快,随着碰撞参数或者磁场角度的增加两种模型中离子马赫数的下限趋于一致;当基板电势值较小时,电子和负离子的反射运动对鞘层结构影响较大,当基板电势值较大时电子和负离子反射运动对鞘层中带电粒子密度分布的影响很小.     

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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。     

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     

带有射频偏压源的感性耦合Ar/O2/Cl2等离子体放电的混合模拟研究

在刻蚀工艺中,通常会在感性耦合等离子体源的下极板上施加偏压源,以实现对离子能量和离子通量的独立调控.本文采用整体模型双向耦合一维流体鞘层模型,在Ar/O₂/Cl₂放电中,研究了偏压幅值和频率对等离子体特性及离子能量角度分布的影响.研究结果表明:当偏压频率为2.26 MHz时,随着偏压的增加,除了Cl^-离子和ClO⁺离子的密度先增加后降低最后再增加外,其余带电粒子、O原子和Cl原子的密度都是先增加后基本保持不变最后再增加.当偏压频率为13.56和27.12 MHz时,除了Cl^-离子和Cl₂⁺离子外,其余粒子密度随偏压的演化趋势与低频结果相似.随着偏压频率的提高,在低偏压范围内(<200 V),由于偏压源对等离子体加热显著增加,导致了带电粒子、O原子和Cl原子的密度增加;而在高偏压范围内(>300 V),由于偏压源对等离子体加热先减弱后增强,导致除了Cl₂⁺离子和Cl^-     

二次电子发射和负离子存在时的鞘层结构特性

 建立了包括电子、离子、器壁发射二次电子以及负离子多种成分的等离子体无碰撞鞘层的基本模型,讨论了二次电子发射和负离子对1维稳态等离子体鞘层结构的影响,并且分析了多种成分等离子体鞘层内的二次电子和负离子的相互作用。结果表明：二次电子发射系数的增加和负离子含量的增加,都将导致鞘层的厚度有所减小;二次电子发射系数超过临界发射系数之后,鞘层不再是离子鞘。随着器壁材料二次电子发射系数的增加,鞘层中的负离子密度分布也逐渐增加;负离子的增加,导致二次电子临界发射系数有所增加。另外,在等离子体鞘层中二次电子发射和负离子的存在,也影响着鞘层中电子的放电特性与器壁材料的腐蚀。     

斜磁场作用下碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体模型研究了外加斜磁场作用下的碰撞电负性等离子体鞘层的玻姆判据, 讨论了负离子和磁场对鞘层玻姆判据的影响. 研究结果表明: 在电负性鞘层中, 正离子更容易进入鞘层, 负离子的存在只能影响离子马赫数取值的下限; 而外加磁场可以使离子马赫数的取值范围整体发生移动.     

两种带电尘埃颗粒的等离子体鞘层玻姆判据

采用流体方程和尘埃充电自洽模型研究了鞘边含有两种尘埃颗粒的等离子体玻姆判据. 通过拟牛顿法数值模拟了鞘边两种尘埃颗粒的存在对尘埃自身充电以及离子马赫数的影响. 两种尘埃颗粒中含量较少的尘埃颗粒数密度的增加, 导致两种尘埃颗粒表面悬浮势一个降低, 一个升高. 含量较少的尘埃颗粒的数密度越多和半径越小, 都会导致离子马赫数增大. 另外鞘边无论何种尘埃颗粒的速度增加, 鞘边离子马赫数都将减小. 关键词： 等离子体鞘层 尘埃颗粒 玻姆判据     

两种温度电子对稳态等离子体鞘层的影响

建立包含冷热电子的无碰撞等离子体鞘层的流体模型,利用数值模拟研究含有两种温度电子时等离子体鞘层的产生.结果表明:对于含有两种不同温度电子的稳态等离子体,冷电子的温度越低或者冷电子的含量越多,鞘边离子的马赫数临界值就越小,鞘层的宽度就变得越窄,沉积器壁的离子动能流也就越少.此外,研究不同种类的等离子体(Ar、Ke、Xe),鞘层厚度和离子沉积器壁动能流受冷电子的影响.     

Atomic collision processes relevant for heavy ion beam probes

Atomic collision processes of fast Tl and Cs ions with particles in a high temperature fusion plasma are investigated. At low beam energies (<5 MeV), ion impact collisions and charge exchange processes can be neglected compared to electron ionization processes. At beam energies above 5 MeV and high plasma ion temperatures, collisions with ions start to contribute significantly to signal generation and attenuation. Also, collisions with the neutral background gas in the beamlines can attenuate the ion beam significantly and lower the signal level, if the vacuum pressure is above 10^-4 Torr. For the heavy ion beam probes operating today, only electron impact ionization processes are important and accurate predictions of the secondary signal level and electron density profile measurements are possible because of the good knowledge of electron impact ionization cross sections for Cs ⁺ and Tl⁺ ions     

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开发了氢气甚高频(60MHz)容性耦合放电的PIC/MC模型.在模型中考虑了带电粒子(e,H+,H2+,H3+)与H2的21种碰撞反应过程,模拟了氢气甚高频放电射频电场和电势分布以及电子和氢离子(H+,H2+,H3+)粒子密度和平均能量分布,并与频率为13.56MHz的放电结果进行了比较.结果表明,相对于频率13.56MHz的放电,氢气甚高频放电等离子体电势增高,导致两电极附近的电场增强;另外,两鞘层厚度变窄并且电子和H3+离子平均能量减小,其总密度却增加.H3+离子为氢气甚高频放电空间的主要离子,H2+离子密度比H3+离子小约2～3个数量级.     

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.     

Nonstationary macroparticle charging in an arc plasma jet

The charging of liquid metal macroparticles in the rarified part of a vacuum arc plasma jet is studied. The sheath in the vicinity of the macroparticle is collisionless and the problem with different Debye length to macroparticle radius ratios is analyzed. Maxwellian velocity distribution functions with different temperatures for the electrons and ions in an arbitrary ratio are allowed in the model. By solving the equation for the electric field together with the equation for ion and electron flux, the charging time and the near electric field of the macroparticles were calculated. The kinetics of the macroparticle charging are controlled by the ion and electron flux to the macroparticle, which depend on the potential distribution in the sheath. The potential falls off slower than 1/r² in the case of the large Debye length to macroparticle radius ratio, and falls off more rapidly than 1/r² in the other case. The charge which accumulates on a macroparticle at distances of about 10 cm from a 100-Å cathode is about 10^-16 C and the charging time is about 10^-5 s. The influence of the plasma drift velocity on the macroparticle charging is small. The model presented here agrees well with an experimental study of macroparticle repulsion from biased substrates     

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.     

Development of an intense pulsed metallic ion beam source

Intense pulse metallic ion beams (Al⁺, Cu⁺, and Pb⁺) were produced by a magnetically insulated ion diode having a metal anode. Metal ion plasmas on the anode could be generated through enhanced electron bombardment by using a radial cathode. The energy, current density, and duration time of the lead ion beam were 30~140 keV, ~7.5 A/cm² (total ion current ⩾0.5 kA), and 800 ns, respectively. The ion current density exceeded the space-charge-limited current by a factor of 50. The lead ions in the first-to-sixth states of ionization were detected by a Thomson-parabola ion-spectrometer together with light loss, such as C⁺ and O ⁺. The ratio of the ion current of heavy metals to the total ion current was measured using a magnetic mass analyzer with a charge collector. The ratio was about 90% for a lead ion beam and 20~50% for Al and Cu ion beams     

Lower hybrid waves in plasmas with negative ions

The ion-ion hybrid mode, with frequencies ω≈(ω_c+ω_c-)^1/2, is briefly analyzed for a warm plasma containing positive ions (gyrofrequency ω_c+), negative ions (gyrofrequency ω_c-), and electrons. Experiments with SF₆ ^- as the negative ion are proposed