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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。     

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。     

电子非广延分布的多离子磁化等离子体鞘层特性

等离子体磁化鞘层在半导体加工、材料表面改性、薄膜沉积等方面都发挥着重要作用.在等离子体实验和放电应用中,常存在由两种以上离子组成的多离子等离子体;对于长程相互作用的等离子体系统,非麦克斯韦分布的电子可通过Tsallis的非广延分布来描述.本文针对多离子等离子体鞘层建立一维空间坐标三维速度坐标的流体模型,假设鞘层中电子速度服从非广延分布,本底氦离子和不同种类的杂质离子在有一定倾斜角度的磁场中被磁化,通过数值模拟探究了非广延参量、杂质离子及斜磁场对多离子磁鞘中离子的数密度、速度、壁面电势和离子动能等物理量的影响.结果表明,在氦氢或氦氩混合等离子体鞘层中,随着非广延参量增大,离子沿垂直壁方向的速度减小,鞘层中离子、电子数密度均减小,鞘层厚度减小,壁面处离子动能减小;当杂质离子浓度增大时,壁面处离子动能与离子种类无关.随着磁场强度的增大,氦离子数密度和沿垂直壁方向的速度在鞘边出现起伏,且波动幅度随着非广延参量的减小而增大,而重离子则无明显的波动.此外,还分析了杂质离子种类和浓度对鞘层相关特性的影响.     

Compton散射下离子初始速度对等离子体鞘层厚度的影响

应用相对论理论、Compton散射等离子体离子源和龙格-库塔方法,研究了Compton散射对等离子体鞘层厚度的影响,提出了Compton散射等离子体离子源概念,并将入射光和Compton散射光作为形成等离子体离子初始速度的新机制,给出了Compton散射下鞘层空间内电位梯度随等离子体离子初始速度变化的修正方程,并进行了数值模拟。结果表明,与Compton散射前相比,Compton散射使等离子体鞘层厚度随加速电压增大而明显的非线性增大,这主要是由于Compton散射使离子与电子碰撞频率增大,电子温度升高,使离子初始速度和能量增大的缘故。     

Compton散射下离子初始速度对等离子体鞘层厚度的影响

应用相对论理论、Compton散射等离子体离子源和龙格-库塔方法,研究了Compton散射对等离子体鞘层厚度的影响,提出了Compton散射等离子体离子源概念,并将入射光和Compton散射光作为形成等离子体离子初始速度的新机制,给出了Compton散射下鞘层空间内电位梯度随等离子体离子初始速度变化的修正方程,并进行了数值模拟.结果表明,与Compton散射前相比,Compton散射使等离子体鞘层厚度随加速电压增大而明显的非线性增大,这主要是由于Compton散射使离子与电子碰撞频率增大,电子温度升高,使离子初始速度和能量增大的缘故.     

电子发射对稳态等离子体鞘层影响的理论研究和数值模拟

 建立了一套非线性自洽的流体力学方程组,研究了电子发射对稳态等离子体鞘层的影响,并分别考虑了发射电子及离子同中性原子的弹性和非弹性碰撞过程。数值结果表明：发射电子的初始束流密度及中性气体密度是描述鞘层空间演化的两个最关键的物理量,特别是发射电子的存在使得鞘层厚度变薄。     

氘钛等离子体高压查尔特鞘层特性理论研究

建立了混合多组分等离子体高压查尔特鞘层动力学模型,数值研究了氘钛等离子体高压查尔特鞘层特性。理论与数值研究结果表明,提升D+离子比例、降低D+离子及Ti2+离子入鞘速度、降低等离子体密度等方式,均会有效增加鞘层厚度,并降低靶面场强幅值,这些方式有利于离子汇聚传输和降低靶面击穿风险。随加速电压的增加,离子引出稳定工作区域范围呈现先增加后减小的趋势。增加D+离子比例、减小D+离子及Ti2+离子入鞘速度,均会显著增加离子引出稳定工作区域范围。     

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基于OOPIC软件,对平面直流磁控溅射放电等离子体进行了二维自洽粒子模拟,重点研究了磁场、阴极电势和气压等工作参数对磁控放电特性的影响。模拟发现,在一定的工作参数范围内,随着磁场的增强,鞘层厚度变窄,鞘层电势降减小,阴极离子密度增大,但是分布变窄;随着阴极电势的增加,鞘层厚度稍微变窄,鞘层电势降增大,阴极离子密度增大,分布变宽;随着气压的升高,鞘层厚度基本不变,鞘层电势降会增大,阴极离子密度先增大后减小,分布略微变宽。     

碰撞对非对称射频鞘层特性的影响

对于大多数活性射频等离子体刻蚀工艺，由于放电室中两个电极的面积不等，使得两个电极附近的等离子体鞘层是非对称性的.考虑离子与中性粒子的碰撞效应，建立了一种描述这种非对称射频鞘层动力学特性的自洽动力学模型.数值结果显示碰撞效应对极板上的瞬时电压降、瞬时电子鞘层厚度、鞘层内的离子密度和动能的空间分布以及两个极板上电压之差等物理量的影响. 关键词： 射频鞘层 非对称电极 碰撞效应 离子     

射频等离子体鞘层动力学模型

在流体力学方程的基础上建立了一种自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型.这种自洽性包含两个方面:一方面,由于考虑了瞬时鞘层电场对离子运动的影响,因此该模型适用于描述任意频率段的射频鞘层演化过程;另一方面,在模型中采用等效电路方法来自洽地确定极板上的瞬时电位与瞬时鞘层厚度之间的关系.采用数值方法模拟出鞘层的瞬时厚度及极板的瞬时电位变化、鞘层内离子密度和电场强度等物理量的时空变化.结果表明,当射频场的频率小于或等于离子等离子体频率时,离子流密度明显地随时间变化 关键词： 射频 离子 鞘层 流体力学     

Comparison of the directional characteristics of swift ion excitation for two small biomolecules: glycine and alanine

The characteristics of ions that enter the plasma sheath with an oblique incident angle have been investigated in the presence of an external magnetic field. The ion dynamics in a collisional and collisionless magnetized plasma sheath have been numerically calculated by using a fluid model. Several values for the ion velocity at the sheath edge, orientation and strength of the magnetic field and the ion-neutral collision frequency have been considered. The results show that in a collisionless magnetized plasma sheath, the behaviour of ions that obliquely enter the sheath with some specific velocities at the sheath edge and at some specific orientations and strengths of magnetic field, is more complicated than that of ions with normal entrance angles. For the oblique entrance of ions, the weak magnetic fields cause some fluctuations in ion velocity around its boundary value, i.e. the ion velocity does not accelerate. However, the numerical calculations show that the ion dynamics in a collisional magnetized plasma sheath are the same for both normal and inclined entrance of ions into the sheath.     

尘埃等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体方程和自洽电荷变化模型研究了尘埃等离子体鞘层的玻姆判据. 讨论了离子临界马赫数和尘埃粒子临界马赫数随尘埃密度变化的关系, 以及尘埃表面势随尘埃密度变化的趋势. 由于鞘边尘埃粒子的存在, 离子必需以大于声速的速度进入鞘层; 随尘埃密度的持续增加, 离子的临界马赫数增加到一个最大值后开始逐渐减小. 数值计算得到的结果满足Sagdeev势的定性分析. 关键词： 等离子体 鞘层 玻姆判据     

Sheath thickness evaluation for collisionless or weakly collisionalbounded plasmas

The widely used Child-Langmuir law for sheath thickness evaluation in semi-infinite collisionless plasmas makes the assumptions of quasi-neutrality (n_e=n_i) and zero electric field intensity E=0 at the sheath edge, as well as applying the Bohm criterion for ions entering the sheath. However, through a whole region fluid model, Poisson's equation has been solved numerically for the steady-state solution through the sheath and presheath without these assumptions. With the sheath edge defined, as in the Child-Langmuir law, at the place where the ion velocity is equal to the Bohm velocity, the sheath thickness of a bounded collisionless or weakly collisional plasma has been found with this model in some cases to be much larger than that obtained with the Child-Langmuir Law. The sheath thickness discrepancy is significant under conditions found in low pressure high density plasma (HDP) tools for plasma processing. Results presented indicate that the sheath thickness is very sensitive to the electric field and space charge density at the sheath edge. The electric field and space charge density can be successfully estimated by an intermediate scale matching method, and are used to derive a modified expression for the potential in the sheath that can be solved numerically for sheath thickness. With these results, the matching problem, arising when sheath and plasma are modeled separately, can be overcome     

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     

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.     

Plasma-sheath transition in the magnetized plasma-wall problem for collisionless ions

A model for the collisionless plasma-wall problem under the action of an applied magnetic field is developed. The behavior of its solution is examined and found to be qualitatively consistent with experiment. The plasma and the sheath are then modeled separately to obtain the position of the quasi-neutral plasma boundary and the position of the edge of the electron-free sheath. It is shown that the plasma boundary can be specified as the point where the component of the ion velocity normal to the wall reaches the ion sound speed (Bohm criterion), and the sheath edge is specified as the point corresponding to Godyak's condition for the electric field. Studying the behavior near the plasma boundary and the sheath edge, the plasma solution and the solution of the space charge region are patched together to approximate the solution of the plasma-wall problem.     

Influence of interrupted current amplitude on the post-arc currentand gap recovery after current zero-experiment and simulation

For commercial vacuum circuit interrupter valves with radial field contact, the post-arc current (PAC) waveform was measured after short circuit current interruption applying a transient recovery voltage (TRV) of about 15 kV/s (RRRV). Keeping the current decline di/dt at current zero constant, the power frequency (PF) current amplitude Iˆ_PF was varied from 0.5 up to two times of the rated short circuit current. Significant influence of Iˆ_PF on the gaps memory is shown in particular effecting the post-arc current duration which varies in a range between 2 and 8 μs. Based on the existing physical models an interpretation of the results is given. It is shown that the memory effect influences the gap recovery time. The experimental results were further used to determine the parameters of the sheath growth model described by Andrews and Varey (1971). The initial ion density is fitted according to the current ramp di/dt before current zero (CZ) and according to the measured Q_PF=∫i _PF×dt during the arcing phase. The results of two different test procedures were applied in order to separate the effect of current ramp di/dt and Q_PF=∫i_PF×dt. The influence of both parameters and of the rate of rise of the recovery voltage du/dt (RRRV) on the sheath edge velocity could be demonstrated by simulation     

等离子体初始密度对激光支持爆轰波特性的影响

采用守恒元求解元方法,对描述激光支持爆轰波等离子体流场演化的二维轴对称流体动力学控制方程组进行了数值模拟计算,给出了不同时刻点的等离子体压强、密度、温度、速度及对激光吸收系数的空间分布,比较了初始密度不同的情况下等离子体演化的不同特点。计算结果表明,等离子体初始密度较大时,等离子体对激光的吸收系数较大,为了增强激光能量与靶面的耦合,应合理控制靶面等离子体密度、激光脉宽及脉冲间隔。     

磁化等离子体的鞘层结构

采用流体方法数值研究了斜磁场作用下的等离子体鞘层结构.模拟结果显示磁场对鞘层结构有显著的影响,特别是在磁鞘边界附近离子的密度分布产生了明显的变化.分别讨论了离子垂直入射和斜入射两种情况,当离子斜入射进鞘层时,其运动情况要相对复杂一些.在适当的条件下,洛伦兹力的作用使离子在某些区域产生相对聚集,离子密度分布产生波动. 关键词： 鞘层 等离子体 磁场