电子回旋共振等离子体密度均匀性的数值研究

基于漂移扩散近似,在轴对称假设下,对电子回旋共振等离子体源腔室内的等离子体建立了二维流体模型.采用有限差分法对所建立的模型进行了自洽数值模拟,得到了等离子体密度均匀性随时间演化的数值结果.通过对数值结果的分析,研究了背景气体压强、微波功率和磁场线圈电流对等离子体密度均匀性的影响.研究表明,在电离初期,电子密度的均匀性好于离子密度的均匀性.在电离后期,离子密度的均匀性好于电子密度的均匀性.随着背景气体压强的增大,电子密度和离子密度的均匀性都在增加,且离子密度的均匀性增加的更快.随着微波功率的增大,电子密度和 关键词： 等离子体密度均匀性 背景气体压强 微波功率 磁场线圈电流     

微波液相等离子体发射光谱研究

为了研究微波液相放电等离子体的基本物理现象和放电特性,为微波液相放电技术奠定一定的理论基础,利用发射光谱仪对水中微波液相放电及放电中产生的活性粒子进行了检测,同时对微波液相放电光谱数据统计方法进行了研究。 利用发射光谱仪结合数控摄像机对微波液相放电过程中起始放电和稳定放电两个过程进行了同步检测拍摄。 实验结果发现：微波液相等离子体发射光谱强度波动较大,光谱强度可以用10个光谱数据点进行平均计算;放电的强度在一定程度上可以由等离子体区域面积所反映,尽管如此,等离子体区域面积和羟基自由基发射光谱强度的变化梯度并不一致,这主要是因为在放电过程中,放电强度不仅体现在等离子体区域面积,同时也与等离子体区域的亮度有关。     

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在微波化学气相沉积装置上采用微波激发氢气甲烷体系等离子体,通过光学多道分析仪采集等离子的发射光谱.实验表明,甲烷在等离子体中的裂解产物主要以CH,CH-,C2基团的形式存在.这些基团的发射光谱强度主要受放电压强和放电功率的影响.随着微波功率的增加甲烷基团发射光谱强度呈增长的趋势;而随着放电压强的增加则是先增大,后减小.这些实验结果对于理解微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)中各种反应过程,调整薄膜制备工艺提供了参考.     

微波液相放电等离子体发射光谱研究

液相放电能够产生各种活性物质,其中羟基自由基(OH),氢自由基(H)被认为是引发液相化学反应的主要活性物种,但由于其活性强寿命短的特点,测量比较困难,由于缺少标准样品,定量测量更为困难。用光学方法测量自由基是一种直接测量方法,其特点是瞬时在线测量,能立即获得数据,进行时间和空间分布测量。为了研究微波水中放电产生的自由基特性,利用发射光谱诊断技术对微波水中放电产生的活性物质进行了在线检测,考察了微波功率、反应器内部压强对OH自由基相对光谱强度的影响,并观测了等离子体中OH自由基强度的空间分布;同时,估算了微波液相等离子体中的电子激发温度。实验结果表明,微波水中放电可以产生大量的OH,H,O自由基,其中OH自由基的相对光谱强度最强,并随微波功率的增加呈现明显上升的趋势,随反应器内部压强的增大而迅速减弱;以OH为主的自由基主要产生于电极尖端附近。微波液相等离子体的电子激发温度约为0.33×104 K。     

微波氢等离子体的特性

在MPCVD装置中,通过调节微波功率和反应腔压强,使用高分辨率多道光谱仪采集氢气的Hα线.由谱线的多普勒展宽计算得到氢等离子体中的离子温度.结果显示,随着微波功率的增大,离子温度会先升高后降低;随着反应压强的增大,离子温度也先升高后降低.这说明在MPCVD装置中,可以通过调节装置,得到最佳微波能量吸收点.     

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。     

低压氢等离子体发光光谱

本实验使用2.45 GHz微波(100～200 W)激励产生低压(1～4 kPa)氢等离子体,通过光纤光谱仪探测氢等离子体的发射光谱,并分析了特征谱线分布及谱线强度随压强、功率的变化情况,计算了氢等离子体的电子激发温度.实验结果表明,压强由1 kPa增加至4 kPa,谱线强度减小;功率由100 W增大至200 W,谱线强度增大.随着压强的增大,电子激发温度减小或先减小后增大.     

圆柱形等离子体对微波散射的数值模拟与实验研究

模拟和实验研究了非均匀圆柱形等离子体及阵列对微波的散射作用。利用有限时域差分(FDTD)方法仿真得到了等离子体柱的密度、碰撞频率对微波传播系数的影响,并利用低气压放电产生的等离子体柱对微波的吸收和散射作用进行了验证。结果表明:电子密度中心高、周围低的非均匀等离子体柱可将微波散射至两个侧向;等离子体频率越大,散射的微波功率越强;增加碰撞频率使等离子体柱的微波散射功率减小、吸收增大。等离子体必须具有合适的密度,才能对微波反射产生较大影响。     

开放空间等离子体对微波传输影响的模拟研究

以氮气为背景气体,采用脉冲式微波产生等离子体,使用另外一束连续波作为传输模拟对象,并基于扩散效应的全域模型分析等离子体电子温度与电子密度的演化过程。实验中放电气压为300 Pa,实验结果表明：在微波脉冲开始之后极短的时间内,连续波接受信号发生剧烈衰减;而在微波脉冲结束后,连续波接受信号则缓慢恢复。微波传输主要受到等离子体电子密度的影响,而全域模型的计算结果显示等离子体电子密度在开始放电时迅速上升,甚至高于放电微波频率对应的临界密度,在放电微波脉冲结束时电子密度则缓慢下降。这说明开放空间中等离子体在失去能量维持之后,由于扩散效应占主导作用,电子密度不会迅速下降,此时连续波依然会被阻碍,直到电子密度下降到连续波频率对应的临界密度以下。     

圆柱形等离子体对微波散射的数值模拟与实验研究

模拟和实验研究了非均匀圆柱形等离子体及阵列对微波的散射作用。利用有限时域差分(FDTD)方法仿真得到了等离子体柱的密度、碰撞频率对微波传播系数的影响,并利用低气压放电产生的等离子体柱对微波的吸收和散射作用进行了验证。结果表明:电子密度中心高、周围低的非均匀等离子体柱可将微波散射至两个侧向;等离子体频率越大,散射的微波功率越强;增加碰撞频率使等离子体柱的微波散射功率减小、吸收增大。等离子体必须具有合适的密度,才能对微波反射产生较大影响。     

一种大气微波环形波导等离子体设备

微波等离子体相对其它等离子体而言有很多的优点,具有极高的工业应用价值。但在大气条件下,大体积的微波等离子体较难获得。为达到产生该种微波等离子体并将之应用的目的,特设计了一台环形波导反应腔设备并从事了等离子体激发的相关研究。介绍了该设备的设计思路,给出了常用的非磁化微波等离子体工作气体的击穿曲线,通过软件仿真得到了反应腔内的电场分布,并陈述了微波等离子体反应的基本现象。结合试验的结果,证明了软件仿真的正确性和装置的有效性。目前,该装置可在大气压下顺利激发一定体积的氦、氩等离子体。     

宽气压范围空气中微波击穿电场的计算公式

为了简便快捷地计算微波击穿电场,依据电子扩散模型的基本理论,结合气体放电的基本参量,应用特征扩散长度的概念,给出了适合于规则结构微波部件的击穿电场的计算方法。为避免各种气体参数的不确定性对计算准确度的影响,对等效直流电场与特征扩散长度之间的实验关系进行了拟合,并根据等效直流电场的定义,得出了一个适用于较高气压范围的击穿电场计算表达式。为了将该计算表达式扩展到更低的气压范围,综合考虑了电子扩散模型和基于二次电子发射现象的真空微放电机理,引入了一个合理形式的等效扩散长度,进一步给出了适合于更广气压范围的微波击穿电场的计算表达式,计算结果更符合A.D.Macdonald的实验结果。     

Horizon problem in a closed universe dominated by fluid with negative pressure

We discuss the horizon problem in a universe dominated by fluid with negative pressure. We show that for generally accepted value of nonrelativistic matter energy density parameter Ω_m0 < 1, the horizon problem can be solved only if the fluid influencing negative pressure (the so-called “X” component) violates the point-wise strong energy condition and if its energy density is sufficiently large (Ω_X0 > 1). The calculated value of the Ω_X0 parameter allowing for the solution of the horizon problem is confronted with some recent observational data. Assuming that p_X/ρ_X < —0.6 we find that the required amount of the “X” component is not ruled out by the supernova limits. Since the value of energy density parameter Ω_v0 for cosmological constant larger than 1 is excluded by gravitational lensing observations the value of the ratio p_X/ρ_X should lie between the values —1 and —0.6 if the model has to be free of the horizon problem beeing at the same time consistent with observations. The value of Ω_X0 + Ω_m0 in the model is consistent with the constraints 0.2 < Ω_tot < 1.5 following from cosmic microwave background observations provided that Ω_m0 is low (<0.2).     

大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验

设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1～10 kW主频2.45 GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。     

常压微波等离子体炬装置的模拟与设计

介绍了一台低成本的常压微波等离子体炬设备,给出了该设备构造及喷嘴的设计思路,分析了各种气体的非磁化微波等离子体的击穿电场强度,数值求解了设备中矩形TE103谐振腔中的电磁场分布,应用高频电磁场模拟分析软件HFSS优化了喷嘴在波导中的具体位置,并对优化后喷嘴周围的电场分布进行了模拟。模拟结果表明：微波输入有效功率为500 W,喷嘴伸出矩形波导1 mm时,喷嘴尖端处的电场强度在1.2×106 V·m-1以上,远大于氩气的击穿电场强度,更易于等离子体炬的激发。实验结果证明了模拟结果的正确性和装置的有效性。     

大气压微波等离子体炬的仿真设计与实验

设计了一个低成本、高稳定性的基于BJ22矩形波导的微波等离子体炬源。整个系统由1～10 kW主频2.45 GHz的磁控管微波功率源、环形器、调谐器和微波反应腔体组成。通过特殊设计的调谐装置,在气体喷嘴处产生高幅值的电场强度,使工作气体电离形成大气压开放式微波等离子体炬。对影响电场强度的几个关键因素进行了仿真,得出各个参数对场强的影响规律;根据仿真参数设计了微波反应腔体,该系统可以在大气压下激发和维持开放的稳定氩气、氦气、氮气和空气等离子体炬。对等离子体炬的基本特性和基本参数进行了研究,验证了设计参数的正确性,讨论了其可扩展性及潜在的工业应用。     

新型大气压微波等离子体炬的仿真研究

设计了一种新型的大气压微波等离子体炬结构。入射主频为2 450 MHz,基于HFSS软件对其进行了仿真研究。在仿真过程中,对该结构的各个参数进行了优化,并得出对场强分布的影响规律。结果表明,探针的使用对腔内场分布有很大影响。根据优化参数对微波等离子体炬进行了仿真模拟,在等离子体发生腔产生了高幅值的电场强度,品质因数达到2×104,可以在大气压下激发等离子体。     

垂直入射电磁波在大气压非平衡等离子体层中的传播特性

用数值模拟的方法对大气压非平衡等离子体薄层中,不同的电子密度分布对微波反射、吸收和透射的影响进行了研究。所采用的理论分析方法是分层模型和镶嵌不变原理。计算中考虑了微波在子层间的多次反射和吸收。数值结果表明,对于电磁波的吸收来说,等离子体中具有二次分布的电子密度,其效果要高于线性分布10%左右;而对于反射来说,线性分布效率更高。功率反射系数随波长的增大而增大,功率吸收系数A也不是单调的,当电子密度不变时,A存在一个峰值,随着电磁波波长的增加而增加,达到最大值后,缓慢降低。     

大气微波等离子体射流处理H2S废气

利用大气微波等离子体射流(MPJ)技术对H2S气体进行了处理研究。考察了温度、微波功率、载气(Ar)流量及气源总流量对H2S分解效率的影响。实验结果表明,为了有利于H2S的处理,必须将温度控制在一定范围之内;随着微波功率和载气流量的增加,H2S分解率均是先增加后减小;随着气源总流量的增加,H2S分解率逐渐降低。当H2S与Ar气体流量比达到10∶90,总流量为1000 mL/min,微波功率为1000 W时,H2S的分解率达到最佳值91.32%。对处理后得到的固体物质进行拉曼（Raman）光谱和X射线衍射分析（XRD）分析,结果表明回收得到的固体物质为纯度极高的硫。     

利用半透平板测量微波波长

在微波接收器前放置板面垂直于波传播方向的半透平板,沿波传播方面移动板的位置可以测量微波的波长,测量结果与用迈克孙干涉法测量的结果相同。