射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,采用基于流体模型的COMSOL软件仿真,建立一维等离子体放电模型,以Ar气为工作气体,研究了不同气压以及不同射频输入功率下等离子体电子温度和电子密度的分布规律。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明：当气体压强为300~400 Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。     

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。     

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。     

气压对于低气压双频容性耦合Ar/O2 等离子体放电特性影响的研究

 研究了气压对双射频氩氧混合等离子体电子温度和电子密度的影响。在13.56MHz低频功率和94.92MHz高频功率固定为60W和氩氧气体比为1:9的情况下,利用发射光谱法分析了气压不同时氩氧混合等离子体的放电光谱中的特征谱线的变化规律。使用一维质点网格法(PIC-MC)静电模型计算了电子温度和电子密度。结果表明：电子温度随着气压的增加先降低后升高,与实验结果趋势相吻合;电子密度随着气压的增加先增大后减小。     

氦氩射频容性放电发射光谱分析

光抽运亚稳态稀有气体激光器利用放电等离子体作为激光的增益介质.为掌握容性射频放电的放电参数对等离子体各项参数的影响的基本规律,利用等离子体发射光谱法研究了氦氩混合气体在不同装置、不同Ar组分、不同气压和不同射频注入功率下的等离子体参数.利用残留水蒸气产生的OH自由基A~2Σ~+→X~2Π的转动光谱分析获得气体温度;利用电子态光谱的玻尔兹曼做图法获得电子激发温度,利用Ar原子696.5 nm谱线的斯塔克展宽获得电子密度.结果表明:气体温度随气压增加略微上升,在一个大气压下改变组分和放电功率,气体温度变化不大;电子激发温度随总气压的下降而上升,且随着Ar组分的增加而略微下降;目前放电条件下的电子密度均在10~(15)cm~(-3)量级;长时间放电监测表明,残留的水蒸气会导致电子温度的下降,从而降低Ar亚稳态的产率.     

介质阻挡放电羽的等离子体参数光学诊断

利用介质阻挡放电装置在大气压下产生了稳定的氩气等离子体羽,利用示波器对等离子体羽的外加电压、电流和发光信号进行了记录。光学诊断结果表明,等离子体羽由高速运动的等离子体子弹组成。基于碰撞辐射模型,利用300~800nm范围的光学发射谱诊断了等离子体羽的电子密度。结果表明,电子密度随外加电压和气体流量的增大而增大,随驱动频率的增大而减小。利用光谱法对等离子体羽的振动温度和转动温度进行了研究,发现其振动温度和转动温度均随外加电压和气体流量的增大而升高,随驱动频率的增大而降低。通过分析放电电场,对以上现象进行了定性解释。     

采用发射光谱和朗缪尔探针诊断低温低压氢等离子体

使用发射光谱诊断法和Langmuir探针诊断法,测量了螺旋波激发等离子体化学气相沉积装置中产生的氢等离子体的发射光谱和电流-电压曲线。运用日冕模型和Druyvestey方法,对不同放电参数条件下激发态氢原子密度﹑等离子体密度及电子能量分布的变化规律进行了研究。结果表明：激发态氢原子密度随射频功率增大而增大,随工作气压的增大先增大,后缓慢下降。等离子体密度随射频功率增大线性增大,随工作气压的增加也是先增大,出现峰值后缓慢下降。电子平均能量随射频功率的变化是先增大,后达到平衡;随着工作气压的增大逐渐减小。两种诊断方法得到的结果基本相符。在低温低压等离子诊断中,两种诊断方法结合使用,可以得到更准确和更多的等离子体信息。     

感应耦合等离子体的1维流体力学模拟

采用双极扩散近似的流体力学模型,通过数值模拟方法研究了射频感应耦合等离子体(ICP)中等离子体密度和电子温度等物理量的空间分布,其中射频源的功率沉积由动力学理论给出。分析了不同的射频线圈的驱动电流和放电气压对等离子体密度和电子温度空间分布的影响。在低气压下,等离子体密度基本上保持空间均匀分布。随着放电压强的增加,等离子体密度的分布呈现出明显的空间不均匀性。当线圈电流增大时,等离子体密度和电子温度都随着增大。     

采用发射光谱和朗缪尔探针诊断低温低压氢等离子体

 使用发射光谱诊断法和Langmuir探针诊断法,测量了螺旋波激发等离子体化学气相沉积装置中产生的氢等离子体的发射光谱和电流-电压曲线。运用日冕模型和Druyvestey方法,对不同放电参数条件下激发态氢原子密度﹑等离子体密度及电子能量分布的变化规律进行了研究。结果表明：激发态氢原子密度随射频功率增大而增大,随工作气压的增大先增大,后缓慢下降。等离子体密度随射频功率增大线性增大,随工作气压的增加也是先增大,出现峰值后缓慢下降。电子平均能量随射频功率的变化是先增大,后达到平衡;随着工作气压的增大逐渐减小。两种诊断方法得到的结果基本相符。在低温低压等离子诊断中,两种诊断方法结合使用,可以得到更准确和更多的等离子体信息。     

感应耦合等离子体的1维流体力学模拟

 采用双极扩散近似的流体力学模型,通过数值模拟方法研究了射频感应耦合等离子体(ICP)中等离子体密度和电子温度等物理量的空间分布,其中射频源的功率沉积由动力学理论给出。分析了不同的射频线圈的驱动电流和放电气压对等离子体密度和电子温度空间分布的影响。在低气压下,等离子体密度基本上保持空间均匀分布。随着放电压强的增加,等离子体密度的分布呈现出明显的空间不均匀性。当线圈电流增大时,等离子体密度和电子温度都随着增大。     

大气压脉冲调制射频氩气放电等离子体特性的数值研究

基于等离子体流体理论,建立了大气压脉冲调制射频氩气放电的一维流体模型。通过数值模拟的方 法研究了放电参数(放电电极间距、射频频率)对氩等离子体特性的影响。研究结果表明：当电压固定时,随着电 极间距的增加,等离子体区逐渐增大,最大电子密度也增加,在 0.20cm 达到最大值后略有降低;放电电流密度 与输入功率密度随着电极间距的增加而增加;鞘层区电子温度随着电极间距的增加而降低;在脉冲开启前期,等 离子体区电子温度随着电极间距的增加而增加,但当脉冲开启后期,电极间距对等离子体区电子温度影响较小。 不同射频频率下最大电子密度随电极间隙的增加而减小,也具有一个最优值。      

大气压下氩原子谱线辐射诊断试验研究

大气压下介质阻挡放电应用领域具有多范畴、深广度、常态化等优势,针对同轴电极放电试验进行了系列参数诊断。采用自主研发的介质阻挡放电助燃激励器,在一个标准大气压、放电频率11.4 kHz、放电峰值电压5.4～13.4 kV(间隔1.0 kV)条件下进行了氩气电离试验。采用原子发射光谱法(AES)对氩等离子体谱线的激发、分光进行了检测分析;选用二谱线法及Boltzmann法测试了电子激励温度;根据Stark展宽效应计算了电子密度;获得了电子激励温度及电子密度随放电峰值电压增长的变化规律。结果表明,在试验电压条件下电子激励温度并不随外加电压的升高而递增,这表明通道内微放电的主要特征并不依赖于外部电压的供给,而是取决于气体组份、气体压强和放电模型,增大外加放电电压仅增加单位时间内微放电的数量,经整合电子激励温度可达3 500 K符合典型的低温等离子体特征;电子密度随外加电压的增长而趋于准线性趋势,电子密度数量级可达到108～109 cm-3,电离度偏弱。这些参数的探索对等离子体研讨有重大意义。     

大气压双频氦气放电等离子体特性的数值研究

用一维流体模型研究了大气压双频氦气放电等离子体的特性。数值模拟的结果表明,在单、双频放电中,随着应用电压的增加,电子密度和放电电流都增加。相对于单频放电,双频放电中低频源的耦合效应使得放电中的电流以及电子密度降低。随着低频源电压峰值的增加,电子密度降低,离子通量,电子损失能量以及电子吸收能量均降低;但电子温度和电势随着低频源电压峰值的增加而增加。在相同低频源电压下,随着高频源电压的增加离子流非线性增加。     

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Based on one dimensional fluid model, the characteristics of helium plasma discharge driven by dual frequency at atmospheric pressure were studied. The results show that the electron density and discharge current increase with power voltage both in single frequency discharge and dual frequency discharge. In comparison with single frequency discharge, the discharge current and electron density in dual frequency discharge are lowered due to the coupling of low frequency source. As the voltage of low frequency source increases, the electron density, ion flux, electron energy dissipation, as well as electron heating decrease, whereas electron temperature and potential increase. As the voltage of high frequency source increases, the ion flux nonlinearly increases at the same voltage of low frequency source.     

13.56 MHz/2 MHz柱状感性耦合等离子体参数的对比研究

通过Langmuir双探针和发射光谱诊断方法,对比研究了驱动频率为13.56 MHz和2 MHz柱状感性耦合等离子体中电子密度和电子温度的径向分布规律.结果表明:在高频和低频放电中,输入功率的增加对等离子体参数产生了不同的影响,高频放电中主要提升了电子密度,低频放电中则主要提升了电子温度.固定气压为10 Pa,分别由高频和低频驱动时,电子密度的径向分布均为"凸型".而电子温度的分布差异比较明显,高频驱动时,电子温度在腔室中心较为平坦,在边缘略有上升;低频驱动时,电子温度随径向距离的增加而逐渐下降.为了进一步分析造成这种差异的原因,在相同放电条件下采集了氩等离子体的发射光谱图,利用分支比法计算了亚稳态粒子的数密度,发现电子温度的径向分布始终与亚稳态粒子的径向分布相反.继续升高气压到100 Pa,发现不论高频还是低频放电,电子密度的径向分布均从"凸型"转变为"马鞍形",较低气压时电子密度的均匀性有了一定的提升,但低频的均匀性更好.     

Self-consistent three-dimensional modeling and simulation of large-scale rectangular surface-wave plasma source

A self-consistent and three-dimensional (3D) model of argon discharge in a large-scale rectangular surface-wave plasma (SWP) source is presented in this paper, which is based on the finite-difference time-domain (FDTD) approximation to Maxwell's equations self-consistently coupled with a fluid model for plasma evolution. The discharge characteristics at an input microwave power of 1200~W and a filling gas pressure of 50~Pa in the SWP source are analyzed. The simulation shows the time evolution of deposited power density at different stages, and the 3D distributions of electron density and temperature in the chamber at steady state. In addition, the results show that there is a peak of plasma density approximately at a vertical distance of 3~cm from the quartz window.     

Plasma characteristics and broadband electromagnetic wave absorption in argon and helium capacitively coupled plasma

A one-dimensional self-consistent calculation model of capacitively coupled plasma(CCP) discharge and electromagnetic wave propagation is developed to solve the plasma characteristics and electromagnetic wave transmission attenuation.Numerical simulation results show that the peak electron number density of argon is about 12 times higher than that of helium, and that the electron number density increases with the augment of pressure, radio frequency(RF) power, and RF frequency. However, the electron number density first increases and then decreases as the discharge gap increases. The transmission attenuation of electromagnetic wave in argon discharge plasma is 8.5-d B higher than that of helium. At the same time, the transmission attenuation increases with the augment of the RF power and RF frequency, but it does not increase or decrease monotonically with the increase of gas pressure and discharge gap. The electromagnetic wave absorption frequency band of the argon discharge plasma under the optimal parameters in this paper can reach the Ku band. It is concluded that the argon CCP discharge under the optimal discharge parameters has great potential applications in plasma stealth.     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。