电子回旋共振离子源等离子体的密度测量

 诊断电子回旋共振离子源等离子体的传统方法是采用传统的单探针无发射时测量伏安曲线,并根据曲线的拐点由理论公式计算出的等离子体密度。本文设计并研制了等离子体密度的测量装置。采用单根朗缪尔探针（该探针可以用来发射电子）测量等离子体的伏安特性。在探针有发射和无发射两种状态下测量得到两条伏安曲线,根据这两条曲线的"分叉点"得到等离子体电位,然后根据该电位直接由计算机计算出电子温度、电子密度。采用该新方法,测量得到的等离子体参量空间电位约为17 V,悬浮电位约为-5 V,电子温度约为4.4 eV,离子密度为1.10×10¹¹cm^-3,与传统方法计算出的等离子体1.12×10¹¹cm^-3相比,两者相差仅1.8％,但新方法效率和精度更高。     

局域环境中微波等离子体电子密度诊断实验研究

为了研究局域真空环境中微波等离子体喷流电子数密度的分布规律及其影响因素,利用发射/郎缪尔探针测量等离子体的空间电位,再测量等离子体的电流-电压特性曲线,根据空间电位测量结果,在等离子体的电流-电压特性曲线上能准确地获取饱和电流,从而处理出电子数密度.最后的诊断实验表明：在有约束边界条件下,微波等离子体发生器以60 W以下的微波功率击穿流量范围是21—105 mg/s的氩气时,所产生的喷流中电子数密度分布在8.8×10¹⁴—7.53×10¹⁶/m^{3关键词： 等离子体诊断技术 等离子体基本过程 等离子体基本特性}     

甚高频激发的容性耦合Ar+O_2等离子体电负特性研究

利用探针辅助的脉冲激光诱导负离子剥离诊断技术对掺入5%O_2的容性耦合Ar等离子体电负特性进行了诊断研究.首先详细解析了脉冲激光剥离后探针的电信号,分析了探针偏压在低于或高于空间电位下的探针收集信号特征;根据探针偏压与探针收集信号之间的依赖关系,用来描述Ar+O_2等离子体电负特性的等离子体电负度被定义为脉冲激光剥离出的电子电流与偏压高于空间电位的探针收集到的背景电子电流的饱和比值,并对等离子体电负度随放电气压、射频功率以及轴向位置的变化进行了诊断测量.实验结果表明等离子体的电负度随着射频功率的增加而减小、随着放电气压的上升而变大;由于非对称电极的分布特性,在轴向方向上靠近功率电极时等离子体电负度有升高的趋势,这种趋势可能与鞘层边界附近二次电子的动力学行为以及负离子的产生与消失过程有关.     

HL-2A装置边缘等离子体的实验观测

HL-2A装置边缘等离子体在中平面的特性是通过可移动的探针组、快速扫描气动4探针和LHW天线边缘的固定4探针进行研究的。用于测量主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列用于测量同一环向截面的内外中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位及其分布。     

HL-2A等离子体边缘的快速单探针测量

介绍了对HL-2A装置中平面边缘等离子体的单探针测量。单探针是安装在可径向移动、并可绕轴旋 转360o的传动杆上的。在1MHz的快速采样频率下,测量了主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、空间电位、极 向等离子体流速的径向分布。测量的结果表明,利用单探针测量的主等离子体边缘参数与朗缪尔四探针测量结果 基本一致。     

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通过中平面活动10探针组、往复快速扫描4探针和低杂波天线口的固定4探针测量了主等离子体边缘的温度、密度、悬浮电位、径向和极向电场、雷诺协强、径向和极向等离子体流速及其径向分布。用偏滤器靶板上的14组嵌入式静电3探针阵列测量了同一环向截面的内外中性化板上的电子温度、密度、悬浮电位及其分布。比较了在孔栏位形和偏滤器位形下边缘等离子体特性的差异,特别是两种位形下边缘温度和密度衰减长度的变化。分析了在多脉冲超声分子束加料和低杂波注入条件下的边界等离子体特性,以及雷诺协强的径向梯度与极向流和径向电场梯度与湍流损失的相互关系。     

用发射探针降落法测量等离子体空间电位

介绍了一种用发射探针测量等离子体空间电位的方法——“降落法”,并利用这种方法测量了双共振腔ECR微波等离子体源的空间电位分布,从中得到该等离子体内部的一些电场信息。给出了不同微波功率和不同压强下Ar等离子体空间电位的分布情况。     

HL-2A装置偏滤器的脱靶等离子体实验

在HL-2A装置偏滤器靶板上采用嵌入式静电三探针阵列和偏滤器室内的电动扫描四探针组测量了同一极向截面的内外中性化板上和偏滤器室内的电子温度、密度、悬浮电位、空间电位、电场、电子压强及其分布,研究了偏滤器中等离子体参数的分布及非对称性和脱靶等离子体运行模式下的等离子体行为,开展了偏滤器脱离靶板等离子体的实验研究。利用主真空室的快速往复扫描三台阶式六探针系统测量了主等离子体边缘和偏滤器室内的等离子体温度、密度、粒子通量和中性粒子密度等参数,研究了脱靶等离子体的形成过程、物理特性、控制方法,以及对主等离子体性能的影响。     

真空中微波等离子体喷流电子数密度分布规律实验研究

为了准确诊断真空中微波等离子体喷流的电子数密度，利用统一的发射和单郎缪尔探针测量等离子体的空间电位，再测量等离子体的电流-电压特性曲线.根据空间电位测量结果，在等离子体的电流-电压特性曲线上能准确地获取饱和电流，从而处理出电子数密度.最后的诊断实验表明，当真空环境压强为2—6 Pa、等离子体发生器以60 W以下的微波功率击穿流量范围是42—106 mg/s的氩气时，所产生的微波等离子体喷流中电子数密度分布在1×10¹⁶—7.2×10¹⁶/m³范围内.     

气体放电中静电探针表面的污染和清洗

本文讨论了在气体放电中静电探针表面的污染及其对等离子体电子密度，电子温度和空间电位等基本参数测量的影响，提出了一种能有效地清除探针表面污染的方法。     

悬浮型微波共振探针在电负性容性耦合等离子体中电子密度的测量

本文首先利用悬浮型微波共振探针测量了Ar等离子体的电子密度,并与朗缪尔双探针的测量结果进行了比较,表明了微波共振探针在低密度等离子体测量的可行性.对40.68 MHz单射频容性耦合Ar/SF₆和SF₆/O₂等离子体的测量结果表明:电负性气体SF₆掺入Ar等离子体显著降低了等离子体电子密度,但随着增加SF₆的流量,电子密度表现为缓慢下降;而O₂掺入SF₆等离子体中,电子密度则随着O₂流量的增加表现为持续的下降.另外,40.68 MHz/13.56 MHz双频激发的SF₆/O₂容性耦合离子体的电子密度并不随低频功率的变化而变化.本文对上述的实验现象进行了初步的解释.     

Collisionless bounce resonance heating in dual-frequency capacitively coupled plasmas

We present the experimental evidence of the collisionless electron bounce resonance heating (BRH) in low-pressure dual-frequency capacitively coupled plasmas. In capacitively coupled plasmas at low pressures when the discharge frequency and gap satisfy a certain resonant condition, the high energy beamlike electrons can be generated by fast sheath expansion, and heated by the two sheaths coherently, thus the BRH occurs. By using a combined measurement of a floating double probe and optical emission spectroscopy, we demonstrate the effect of BRH on plasma properties, such as plasma density and light emission, especially in dual-frequency discharges.     

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.     

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     

Diagnosis of a low pressure capacitively coupled argon plasma by using a simple collisional-radiative model

This paper proposes a simple collisional-radiative model to characterise capacitively coupled argon plasmas driven by conventional radio frequency in combination with optical emission spectroscopy and Langmuir probe measurements. Two major processes are considered in this model, electron-impact excitation and the spontaneous radiative decay. The diffusion loss term, which is found to be important for the two metastable states (4s[3/2]₂, 4s'[1/2]₀), is also taken into account. Behaviours of representative metastable and radiative states are discussed. Two emission lines (located at 696.5 nm and 750.4 nm) are selected and intensities are measured to obtain populated densities of the corresponding radiative states in the argon plasma. The calculated results agree well with that measured by Langmuir probe, indicating that the current model combined with optical emission spectroscopy is a candidate tool for electron density and temperature measurement in radio frequency capacitively coupled discharges.     

Simulation of a Planar Emissive Probe in a Mid‐Sized Tokamak Plasma

Planar emissive probe is studied for the first time using a massively parallel particle‐in‐cell code BIT1 [22]. The probe is immersed in a plasma similar to edge plasmas of mid‐sized tokamaks. Dependence of the floating potential on electron emission from the probe is studied. With increasing emission the floating potential increases, but then saturates ～2T_e below the actual plasma potential (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

容性耦合射频氩等离子体放电诊断研究及仿真模拟

针对中等气压、中等功率下射频容性耦合(CCRF)等离子体的放电特性,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为工作气体,研究同一气压时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。同时依据仿真模型设计制作相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,实验测量了不同射频输入功率时放电等离子体的有效电流电压及发射光谱,进而计算等离子体的电子温度及电子密度;利用玻耳兹曼双线测温法,得到光谱法下等离子体的电子温度及电子密度。结果表明：当气体压强为250 Pa、输入功率为100~450 W时,等离子体电压电流呈线性关系,电子密度随功率的增大而增大,而电子温度并未随功率的变化而有明显变化,其与功率无关。运用仿真模拟验证了实验的准确性,通过比较,三种方法所得的结果相近。通过结合等效回路法、光谱法和数值模拟仿真法初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,提出了结合三种方法作为实验研究的方法,使实验结果更具说服力,证明其方法的可靠性,也为进一步的等离子体特性研究提供依据。     

超高速碰撞产生等离子体的频谱响应特征

针对探针与接地极板间的阻抗匹配问题,通过对超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断系统的理论分析,获得了超高速碰撞产生等离子体的频率组成特征;基于该理论特征建立了一种适用于超高速碰撞产生等离子体的探针测量系统,并利用该探针测量系统进行了LY12实心球形铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶实验,得到了该实验中超高速碰撞产生等离子体的功率谱特征。理论分析及实验获得的功率谱结果均表明超高速碰撞产生的等离子体具有低频为主的频谱特征：当频率低于5.8 kHz时,功率谱线比较平滑且幅值较小;频率达到11.0 kHz时,功率谱线的峰值和功率全谱峰值相近。因此频率在5.8~11.0 kHz范围的低频频段对功率谱线的峰值贡献较大,频率超过11.0 kHz时,功率谱线的大幅度抖动对功率谱线的峰值贡献较小。理论及实验结果证明了实验系统的可靠性和实现过程的合理性。