大面积表面波等离子体源微波功率吸收的数值模拟研究

建立了大面积矩形表面波等离子体(SWP)源全尺寸的三维模型,用数值模拟的方法研究了SWP源基于碰撞的功率吸收问题,给出了随等离子体参数变化的微波反射率曲线,分析了不同天线对微波功率沉积的影响,并讨论了微波功率吸收和表面波的定性关系. 结果发现,均匀放电的SWP源功率沉积本质是由表面波等离子体的性质决定的,等离子体密度太大或太小都不利于功率吸收. 在正常工作气压下,SWP源通过碰撞机理即可以实现微波功率的有效沉积,微波吸收率可达80%以上,与已有实验相符. 本研究同时发现,天线阵列激发的表面波模式越紧凑,强度越大,越有利于微波的吸收. 关键词： 时域有限差分法 等离子体表面波 功率吸收 狭缝天线     

装置参数对狭缝天线激发的等离子体表面波传播的影响

采用时域有限差分法对矩形结构装置的等离子体表面波传播进行了三维数值模拟.研究了装置参数(如介质板相对介电常数、厚度以及介质板上方空气间隙)对天线阵列激发的等离子体表面波传播的影响,给出了合适的介质板相对介电常数和厚度,并指出空气间隙的存在会严重削弱天线阵列对表面波的激发.计算结果可为大面积矩形表面波等离子体源装置的优化设计提供参考. 关键词： 时域有限差分法 等离子体表面波 狭缝天线     

气体压强及表面等离激元影响表面波等离子体电离发展过程的粒子模拟

基于表面等离激元 (SPP) 的表面波等离子体 (SWP) 源, 具有高密度、低温度及高产率等优异性能, 其应用在电子器件微纳加工、材料改性等领域. 但由于SPP激励SWP放电的电离过程难于用理论分析和实验测量描述, 因而SWP源均匀稳定产生的电离发展过程一直未研究清晰. 本文以SWP放电的数值模拟为研究手段, 采用等离子体与电磁波相互作用的粒子模拟 (PIC) 方法, 结合蒙特卡罗碰撞 (MCC) 方法处理碰撞效应的优势, 研究气体压强影响电离过程的电磁能量耦合机理. 模拟结果表明SWP的高效产生是SPP的局域增强电场致使, 气体压强能够改变波模共振转换的出现时刻而影响了SWP的电离发展过程. 本文的研究成果展示了SPP维持SWP放电的电离过程, 可为下一代米级SWP源的参数优化提供设计建议. 关键词： 表面波等离子体 表面等离激元 粒子模拟 电离过程     

微秒脉冲大气压氦气等离子体射流阵列特性

为了深入研究等离子射流阵列的放电特性,利用上升沿1μs、脉宽2μs的微秒脉冲电源产生等离子体射流,通过电压电流波形的测量和发光图像的拍摄,研究了在针-环双电极结构下,不同电极位置以及不同重复脉冲频率下氦气等离子体射流阵列的放电特性。实验结果表明放电最初产生在阵列的两端,随着外加电压幅值的增加,中心管也会有射流产生,最终形成射流阵列。随地电极距管口距离的变远,放电电流和中心管的射流长度均呈现出先增大后减小的变化趋势(20mm处取得最大值),随着重复脉冲频率的增大,放电由不均匀的丝状放电向均匀放电转变,放电电流先减小而后保持不变。     

负偏压离子鞘及气体压强影响表面波放电过程的粒子模拟

由于表面电磁波沿着介质-等离子体分界面传播,而很难通过对传统的表面波等离子体(SWP)源施加负偏压实现金属材料溅射,因此限制了SWP源的使用范围.近期,一种基于负偏压离子鞘导波的SWP源克服了这个问题,且其加热机理是表面等离激元(SPP)的局域增强电场激励气体放电产生.但是该SWP源放电过程的影响因素并未研究清晰,导致其最佳放电条件没有获得.本文采用粒子(PIC)和蒙特卡罗碰撞(MCC)相结合的模拟方法,探讨了负偏压离子鞘及气体压强影响SWP电离发展过程的放电机理.模拟结果表明,负偏压和气体压强的大小影响了离子鞘的厚度、SPP的激励和波模的时空转化,从而表现出不同的放电形貌.进一步分析确定,在负偏压200 V左右和气体压强40 Pa附近,该SWP源的放电效果最佳.     

大面积表面波等离子体的特性研究

介绍一种矩形反应腔体结构的表面波等离子体源，通过对垫层介质及天线结构的优化设计，产生了大面积均匀的等离子体.采用静电探针测量了等离子体参数(密度，电子温度)在不同运行条件(气压，功率)下的空间分布；采用扩散模型，数值模拟了等离子体密度在垂直方向上的空间分布，并比较好地解释了实验测量结果. 关键词： 表面波等离子体 狭缝天线 数值模拟 探针测量     

非热等离子体材料表面处理及功能化研究进展

等离子体技术在现代材料制备和表面处理过程中起着重要的作用.本文聚焦于非热等离子体(NTP)材料表面处理及功能化应用,重点综述NTP在材料表面处理及功能化过程中的最新研究进展,包括激励产生等离子体的等离子体源、NTP材料表面处理及功能化工艺以及具体应用.其中,激励产生等离子体的等离子体源包括感应耦合等离子体/容性耦合等离子体、电子回旋共振/表面波等离子体、螺旋波等离子体、大气压射流等离子体和介质阻挡放电等; NTP材料表面处理及功能化工艺包括等离子体表面接枝和聚合、等离子体增强化学气相沉积和等离子体辅助原子层沉积、等离子体增强反应刻蚀和等离子体辅助原子层刻蚀工艺等;等离子体表面处理及功能化的具体应用领域包括亲水/疏水表面改性、表面微纳加工、生物组织表面处理、催化剂表面处理等.最后提出了NTP技术材料表面处理及功能化的应用前景与发展趋势.     

面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源研制

为了产生高能等离子体合成射流,设计了一台面向等离子体合成射流应用的微秒脉冲源,输出电压为10 kV,重复频率为100 Hz,可承受高达250 A的放电电流。详细介绍了微秒脉冲源的工作原理,比较了不同放电电容对脉冲变压器原边电流及输出电压的影响。进一步将所设计的微秒脉冲源成功应用于等离子体合成射流实验中,研究了不同间距对等离子体合成射流的影响,比较了有无放电电容条件下的能量消耗率。实验结果表明:不同放电电容在相同激励器间距的条件下,击穿电压基本相同;击穿电压随激励器间距增大而增大。有放电电容能产生较大的放电电流,且电流值随电容值的增大而增大。有放电电容条件下的能量消耗率比无放电电容要高,易于产生高能的等离子体合成射流。     

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为优化表面波放电的狭缝天线阵设计,给表面波放电装置的设计提供理论依据,对狭缝天线布局进行了理论和仿真计算分析。结果表明,宽缝辐射的电磁场比纵缝强,同相激励天线辐射的电磁场比异相激励强,更容易击穿空气产生等离子体。基于磁场强度同相分布规律对已经采用的纵缝天线阵进行改进,纵缝按照两侧交互并间隔半个波导波长布置,各个纵缝均为同相,产生等离子体效果更好。     

毛细管等离子体射流技术研究现状及应用前景

 毛细管放电等离子体是近年来发展起来的一种新型脉冲高能粒子源，可以产生高温、高密和高速等离子体射流，具有推进、发射、加速等功能，可以加热或引燃化学工质，具有广泛的应用前景。介绍了毛细管等离子体的基本原理和特点，综述了国内外研究现状，对毛细管等离子体应用前景进行了展望，以期引起我国对这一技术研究的重视，促进毛细管等离子体技术的发展。     

A numerical simulation of surface wave excitation in a rectangular planar-type plasma source

The principle of surface wave plasma discharge in a rectangular cavity is introduced simply based on surface plasmon polariton theory. The distribution of surface-wave electric field at the interface of the plasma-dielectric slab is investigated by using the three-dimensional finite-difference time-domain method (3D-FDTD) with different slot-antenna structures. And the experimental image of discharge with a novel slot antenna array and the simulation of the electric field with this slot antenna array are both displayed. Combined with the distribution of surface wave excitation and experimental results, the numerical simulation performed by using 3D-FDTD is shown to be a useful tool in the computer-aided antenna design for large area planar-type surface-wave plasma sources.     

Large Volume and High Density Surface Wave Plasmas Sustained by Two Microwave Launchers

Surface wave plasma （SWP） is an electromagnetic excitation along the planar interface between a dielectric and plasma medium when plasma density is so large that its permittivity becomes negative. An experiment SWP system consisting of two microwave launchers （upper and side microwave launcher） has been developed for producing large volume surface wave plasmas in our laboratory. The experimental investigation shows that comparable uniformity plasma with not only large volume but also high density properties has been obtained by the two launchers.     

Modeling of argon discharge characteristics of planar-type surface wave plasmas in an electron fluid model

The planar-type surface wave plasma (SWP) device permits the generation of high-density and uniform processing plasmas via 2.45-GHz microwave power without the application of an external magnetic field. In the present study, the discharge characteristics in the SWP device were analyzed using a two-dimensional numerical simulation code, and the results were compared with experimental observations. The simulation code is based on the finite-difference time-domain (FDTD) method for the microwave field and on the electron fluid model for the argon discharge plasma. Experimental measurements were performed, and they showed that the surface-wave discharge at a filling pressure of 10-100 mtorr has characteristic electron-density distributions that have a peak at approximately 2 cm from the surface. This characteristic of the electron density profiles, as well as the electron temperature profiles in the plasma, is reproduced by the simulation code, albeit with some discrepancies. In order to reduce the effects of these discrepancies, intentional changes in the electron heat conductivity were introduced, and the adiabatic assumption was found to result in a reasonable electron temperature profile. The effects of the alumina window thickness were also investigated in the simulation.     

Particle-in-cell investigation on the resonant absorption of a plasma surface wave

The resonant absorption of a plasma surface wave is supposed to be an important and efficient mechanism of power deposition for a surface wave plasma source. In this paper, by using the particle-in-cell method and Monte Carlo simulation, the resonance absorption mechanism is investigated. Simulation results demonstrate the existence of surface wave resonance and show the high efficiency of heating electrons. The positions of resonant points, the resonance width and the spatio-temporal evolution of the resonant electric field are presented, which accord well with the theoretical results. The paper also discusses the effect of pressure on the resonance electric field and the plasma density.     

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.     

电磁波在高密度等离子体微柱腔体结构中的新传输模式

超高声速飞行器再入过程中会因为等离子体鞘层而产生通信中断,俗称"黑障".近些年人们针对黑障通信的研究虽取得了一些成果,但仍然没能从根本上解决问题.本文从电磁波在高密度等离子体柱中的传输机理研究出发,借鉴二维光子晶体和表面波局域耦合相关理论,设计出了一种新型的等离子体微柱腔体结构,在这种特殊结构下L和S波段的电磁波在某些频段内出现了不同寻常的传输现象,即从高密度等离子体柱的内部穿过.这种新结构下的传输模式将为黑障通讯研究提供新的技术途径和方法.