Langmuir探针诊断低压氢等离子体电子密度与温度

为研究实验参数对螺旋波诱导的低压氢等离子体状态的影响,用Langmuir探针对等离子体伏安特性曲线进行了原位诊断,采用双曲正切函数的指数变换模型拟合曲线,根据Druyvesteyn方法得到状态参数电子密度、有效电子温度和电子能量几率函数,分析了它们随实验参数的变化规律。结果表明:射频输入功率、气压和约束磁场对等离子体状态有较大影响。随着射频射入功率增大,放电模式发生转变,电子密度跳跃增长;随着气压增大,电子密度先增大后减小,1.5 Pa为最佳电离气压,随约束磁场的增强呈线性增长;有效电子温度随功率和气压的增大而下降,随约束磁场的增强线性降低,电子能量几率函数曲线峰位和高能部分都向低能移动,与有效电子温度变化规律吻合。     

射频电感耦合等离子体在横向磁场中扩散的研究

通过轴向移动朗缪尔探针,考察了外置电磁铁提供的横向磁场对射频感应耦合等离子体(ICP)延轴向扩散过程中的电子温度、离子密度的影响。实验数据表明,与无磁场条件下的结果相比,横向磁场的加入使得扩散区内的电子温度沿轴向迅速下降,研究了横向磁场对电子的过滤作用。     

射频电感耦合等离子体在横向磁场中扩散的研究

通过轴向移动朗缪尔探针,考察了外置电磁铁提供的横向磁场对射频感应耦合等离子体(ICP)延轴向扩散过程中的电子温度、离子密度的影响。实验数据表明,与无磁场条件下的结果相比,横向磁场的加入使得扩散区内的电子温度沿轴向迅速下降,研究了横向磁场对电子的过滤作用。     

甚高频激发容性耦合氩等离子体的电子能量分布函数的演变

甚高频激发的容性耦合等离子体由于离子通量和能量的相对独立可控而受到人们的关注. 本文采用朗缪尔探针诊断技术测量了40.68 MHz激发的容性耦合Ar等离子体的特性(如电子能量概率分布、电子温度和密度等)随宏观参量的演变情况. 实验结果表明, 电子能量概率分布随着气压的增加从双麦克斯韦分布逐步转变为单麦克斯韦分布并最终演变为Druyvesteyn分布, 而射频激发功率的增加促进了低能电子布居数的增强; 在从等离子体放电中心移向边界的过程中, 低能电子的布居数显著下降, 而高能电子的布居则有所上升; 放电极板间距的变化直接导致了等离子体中电子加热模式的转变. 另外, 我们也对等离子体中的高低能电子密度和温度的分配情况进行了讨论.     

HL-2A装置的约束改善和边界净输入功率分析

在HL-2A装置孔栏位形放电的等离子体实验中,电子回旋辅助加热期间观察到了等离子体约束改善的现象,并对等离子体从低约束模式(L模)向约束改善模式转换时的等离子体线平均电子密度、等离子体储能、分界面内辐射功率、能量约束时间、H_α辐射等进行了研究。同时,分析了电子密度和等离子体辐射功率的空间分布随时间的演化。对改善约束的相关功率(辅助加热、欧姆加热功率和损失功率)进行了分析,并研究了等离子体约束改善转换时的边界净输入功率(阈值)与电子线平均密度和环向磁场的关系。     

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在HL-2A装置孔栏位形放电的等离子体实验中,电子回旋辅助加热期间观察到了等离子体约束改善的现象,并对等离子体从低约束模式(L模)向约束改善模式转换时的等离子体线平均电子密度、等离子体储能、分界面内辐射功率、能量约束时间、Hα辐射等进行了研究。同时,分析了电子密度和等离子体辐射功率的空间分布随时间的演化。对改善约束的相关功率(辅助加热、欧姆加热功率和损失功率)进行了分析,并研究了等离子体约束改善转换时的边界净输入功率(阈值)与电子线平均密度和环向磁场的关系。     

感应耦合等离子体中和枪的电子引出特性研究

给出了一种感应耦合等离子体源的设计,用于等离子体中和枪装置.通过实验方法研究等离子体源的电子引出特性,并结合理论分析了等离子体密度随射频功率的变化关系.研究结果表明等离子体源的电子引出特性与放电腔内气压有关联性,E?H模式转换中电子密度的变化与负载的电感值相关.研究成果对等离子体中和枪的发展有重要的参考价值.     

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采用Langmuir探针方法对氢等离子体中电子密度和电子能量概率函数随射频功率的变化进行研究,发现电子密度在射频功率增加过程中出现两次跳跃。通过发射光谱法测得氢等离子体Hα、Hβ和Hγ三条谱线强度比值的变化,进一步验证了密度跳跃现象。该现象说明氢等离子体的放电模式发生了从电感耦合到电容耦合再到螺旋波模式的转变。从电子与氢分子的相互作用和Nagoya type Ⅲ型(N-型)天线电场耦合作用两方面解释密度跳跃现象。随着输入功率的增加,电子与氢分子相互作用增强,使电子密度发生跃变;当天线横向电场Ey取最大值,螺旋波轴向波矢kz分别为π/la和3π/la时天线与等离子体耦合最好,分别产生两次密度跳跃。     

13.56 MHz 低频功率对60 MHz射频容性耦合等离子体的电特性的影响

使用补偿朗缪尔探针诊断技术,研究了60MHz/13.56MHz双频激发容性耦合等离子体的空间电子行为,得到了电子能量概率函数(EEPF)随径向位置和低频输入功率的演变行为. 实验结果表明,13.56MHz射频输入功率的变化主要影响低能电子的布居,其影响随气压升高而加大. 在等离子体放电中心以外,EEPF呈现出双峰分布的特性,同时发现从放电中心到极板边缘,次能峰有逐渐向高能区漂移的现象,次能峰的出现显示了中能电子的增强的加热效应. 通过EEPF方法,计算了等离子体的电子温度、电子密度. 讨论了等离子体中的电 关键词： 双频激发容性耦合等离子体 朗缪尔探针诊断 电子加热模式     

射频感应耦合Ar-N2等离子体物理特性的Langmuir探针测量及理论研究

分别通过Langmuir探针测量和动力学模型模拟方法研究了射频感应耦合Ar-N₂等离子体中电子能量分布、电子温度、电子密度等物理量随N₂含量的变化规律.实验研究结果表明：电子能量分布呈现出非Maxwell型分布,并由双温分布向三温分布过渡;电子温度在不同的气压下随N₂含量的增加呈现出不同的变化规律.在放电气压小于1.3 Pa时,电子温度随N₂含量的增加而下降;当气压大于1.3 Pa时,电子温度随N₂关键词： 感应耦合等离子体 2混合气体放电')" href="#">Ar-N₂混合气体放电 电子能量分布 Langmuir探针     

Spatio-temporal measurements of overshoot phenomenon in pulsed inductively coupled discharge

Pulse inductively coupled plasma has been widely used in the microelectronics industry,but the existence of overshoot phenomenon may affect the uniformity of plasma and generate high-energy ions,which could damage the chip.The overshoot phenomenon at various spatial locations in pulsed inductively coupled Ar and Ar/CF_4 discharges is studied in this work.The electron density,effective electron temperature,relative light intensity,and electron energy probability function(EEPF) are measured by using a time-resolved Langmuir probe and an optical probe,as a function of axial and radial locations.At the initial stage of pulse,both electron density and relative light intensity exhibit overshoot phenomenon,i.e.,they first increase to a peak value and then decrease to a convergent value.The overshoot phenomenon gradually decays,when the probe moves away from the coils.Meanwhile,a delay appears in the variation of the electron densities,and the effective electron temperature decreases,which may be related to the reduced strength of electric field at a distance,and the consequent fewer high-energy electrons,inducing limited ionization and excitation rate.The overshoot phenomenon gradually disappears and the electron density decreases,when the probe moves away from reactor centre.In Ar/CF_4 discharge,the overshoot phenomenon of electron density is weaker than that in the Ar discharge,and the plasma reaches a steady density within a much shorter time,which is probably due to the more ionization channels and lower ionization thresholds in the Ar/CF_4 plasma.     

Spatial variation behaviors of argon inductively coupled plasma during discharge mode transition

A Langmuir probe and an ICCD are employed to study the discharge mode transition in Ar inductively coupled plasma. Electron density and plasma emission intensity are measured during the E (capacitive discharge) to H (inductive discharge) mode transitions at different pressures. It is found that plasma exists with a low electron density and a weak emission intensity in the E mode, while it has a high electron density and a strong emission intensity in the H mode. Meanwhile, the plasma emission intensity spatial (2D image) profile is symmetrical in the H mode, but the 2D image is an asymmetric profile in the E mode. Moreover, the electron density and emission intensity jump up discontinuously at high pressure, but increase almost continuously at the E to H mode transition under low pressure.     

闭式电感耦合等离子体特性对比实验研究和光谱分析

ICP反应室或ICP质谱仪不同,ICP在用于衰减微波时,其腔体采用全密封石英结构,同时缺少静电屏蔽、金属衬底和磁场约束等条件,研究其内部电子密度等参数的分布对于等离子体局部隐身技术具有重要意义。利用光谱分析法,对两种典型ICP源(螺旋型和盘香型)在密闭石英立方体腔内H模式下稳定放电的电子密度分布展开了对比试验研究。使用Ar离子谱中476.45 nm谱线相对光谱强度变化研究了不同型ICP源的E—H模式跳变和功率耦合效率,通过非H谱线(Ar)的Stark展宽法,诊断了两种源的天线垂直平面上的二维电子密度分布。实验发现ICP在H模下的电子密度分布受交变磁场产生的趋肤电流影响较大,趋肤深度随着放电功率的增大而减小,同时主等离子体区域体积缩小、电子密度增加,在天线的垂直面上,螺旋型源ICP电子密度呈中心轴对称型分布,盘香型源ICP呈双峰型分布。功率耦合效率受源天线形状及其容性耦合效应影响较大,光谱相对强度显示螺旋型源的功率耦合效率低于盘香型源。通过该实验方法,可以在石英立方腔体内得到最高电子密度范围为1.4×1017～2.5×1017 m-3的螺旋型ICP源和范围1.8×1017～3.0×1017 m-3的盘香型ICP源。     

Changes of the electron dynamics in hydrogen inductively coupled plasma

Changes of the electron dynamics in hydrogen （H2） radio-frequency （RF） inductively coupled plasmas are investigated using a hairpin probe and an intensified charged coupled device （ICCD）. The electron density, plasma emission intensity, and input current （voltage） are measured during the E to H mode transitions at different pressures. It is found that the electron density, plasma emission intensity, and input current jump up discontinuously, and the input voltage jumps down at the E to H mode transition points. And the threshold power of the E to H mode transition decreases with the increase of the pressure. Moreover, space and phase resolved optical emission spectroscopic measurements reveal that, in the E mode, the RF dynamics is characterized by one dominant excitation per RF cycle, while in the H mode, there are two excitation maxima within one cycle.     

ICP等离子体鞘层附近区域发光光谱特性分析

为了独立控制鞘层附近区域离子密度和离子能最分布,采用光发射谱(OES)测量技术,对不同射频功率、放电气压和基底偏压下感应耦合等离子体鞘层附近区域辉光特性进行了研究.原子谱线和离子谱线特性分析表明,在鞘层附近区域感应耦合等离子体具有较高的离子密度和较低的电子温度.改变放电气压和射频功率,对得到的光谱特性分析表明,鞘层附近区域离子密度随射频功率的增大而线性增大,在低压下随气压的升高而增大.低激发电位原子谱线强度增加迅速,高激发电位原子谱线强度增加缓慢,而离子谱线强度增加很不明显.改变基底直流偏压,对得到的发射光谱强度变化分析表明,谱线强度随基底正偏压的增加而增大.随着基底负偏压的加入,谱线强度先减小而后增大;直流偏压为-30 V时,光谱强度最弱.快速离子和电子是引起Ar激发和电离过程的主要能量来源.     

高气压空气环状感性耦合等离子体实验研究和参数诊断

等离子体的电子密度分布, 电子碰撞频率分布, 覆盖面积, 厚度是影响其覆盖目标电磁散射特征的关键属性. 对此, 本文开展了在20 cm×20 cm×7 cm石英腔内感性耦合等离子体(ICP)的放电实验, 观察了在高气压条件下, 空气ICP的环形放电形态, E-H模式跳变现象和分层结构, 测量了其电负性核心区和电正性边缘区宽度和厚度随功率、气压的变化趋势, 并通过COMSOL Multiphysics对平板线圈磁场强度分布的分析和电负性气体扩散理论给予上述现象合理的解释, 同时, 利用微波透射干涉法测量了核心区域的电子密度随功率和气压的变化曲线, 利用理论模型计算了边缘区域的电子密度分布, 最后通过辅助气体Ar发射谱线的玻尔兹曼图形法得到了核心区和边缘区的电子激发温度.     

Mode transition in magnetic pole enhanced inductively coupled argon plasmas

The electrical probe (Langmuir probe) diagnostics of different plasma parameters and operation regimes (E/H modes) of magnetic pole enhanced, inductively coupled (MaPE-ICP) argon plasmas are investigated. It is shown that uniform, high density (n _e ∼ 10¹² cm^-3) and low electron temperature (T _e ∼ 1.5 eV) plasma can be produced in low pressure argon discharges at a low power (100 W). It is found that an MaPE-ICP reactor operates in two different modes; capacitive (E mode) and inductive (H mode). No density jump or hysteresis are reported between these modes. The effect of pressure on transition power, where the mode changes from E to H mode at 20 sccm gas flow rate are studied and it is found that for all pressures tested (∼7.5 mTorr to 75 mTorr) the transition power remains same. In the inductive mode, the above plasma parameters show a smooth variation with increasing filling gas pressure at fixed power. The intensity of the emission line at 750.4 nm due to 2p ₁ → 1s ₂ (Paschen’s notation) transition, closely follows the variation of n _e with RF power and filling gas pressure. Measured electron energy probability function (EEPF) shows that electron occupation mostly changes in the high-energy tail, which enlightens close similarity of the 750.4 nm argon line to electron number density (n _e ). The behaviour of the electron energy probability function (EEPF) with regard to pressure and RF power in two operational modes is presented.     

ELECTRON DIFFUSION IN A NON-UNIFORM ELECTRIC FIELD AND A UNIFORM MAGNETIC FIELD

A Monte Carlo simulation technique has been used to model the electron transport beharlot, especially the electron diffusion motion, in the cathode fall region of a glow discharge under the influence of a non-uniform electric field and a transverse magnetic field perpen-dicular to the cathode sheath electric field. Three types of collisions (elastic, excitation and ionization) are taken into account in our model. The electron free flying time is determined by the electron-neutral atom collision frequency. We focus attention on the electron diffusion distance and velocity. The electron-neutral atom collision processes and the electron drift velocity are also studied. The results indicate that with the increase of the magnetic field the electron diffusion distance increases and the electron diffusion velocity decreases. The results Mso show that the collision processes are enhanced by the magnetic field, this is in agreement with the experimental result. However, the axial magnetic field does not affect the electron transport behavior.