射频感应耦合Ar-N2等离子体物理特性的Langmuir探针测量及理论研究

分别通过Langmuir探针测量和动力学模型模拟方法研究了射频感应耦合Ar-N₂等离子体中电子能量分布、电子温度、电子密度等物理量随N₂含量的变化规律.实验研究结果表明：电子能量分布呈现出非Maxwell型分布,并由双温分布向三温分布过渡;电子温度在不同的气压下随N₂含量的增加呈现出不同的变化规律.在放电气压小于1.3 Pa时,电子温度随N₂含量的增加而下降;当气压大于1.3 Pa时,电子温度随N₂关键词： 感应耦合等离子体 2混合气体放电')" href="#">Ar-N₂混合气体放电 电子能量分布 Langmuir探针     

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。     

Use of average value of Langmuir probe characteristic for characterization of pulsed discharges

Based on numerical calculations a new method has been developed, which enables plasma analysis from the average value of the Langmuir probe current measured in pulsed discharge. The application of this method for characterization of a planar reactor used for plasma enhanced chemical vapor deposition of TiN and (TiAl)N hard coatings is described as an example. (© 2003 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

等离子体增强化学气相沉积中对尘埃颗粒诊断

采用SiH4,C2H4和Ar在射频容性耦合柱状放电室中产生了尘埃颗粒,利用发射光谱测得射频尘埃等离子体放电室中的一些基本碎片的发射光谱,并给出了这些碎片的光发射强度随着实验条件变化的曲线。随着功率和气压的增加,碎片的光发射强度逐步增加,尤其是随功率增加得更快,这说明功率对硅烷和乙烯的离解作用明显。随着硅烷和乙烯流量的增加,碎片的光发射强度随之下降。利用朗缪尔探针的实验结果得出尘埃密度的变化趋势,给出了尘埃密度随射频功率变化的曲线,其结果与硅烷和乙烯的离解变化趋势基本吻合。     

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。     

甚高频激发容性耦合氩等离子体的电子能量分布函数的演变

甚高频激发的容性耦合等离子体由于离子通量和能量的相对独立可控而受到人们的关注. 本文采用朗缪尔探针诊断技术测量了40.68 MHz激发的容性耦合Ar等离子体的特性(如电子能量概率分布、电子温度和密度等)随宏观参量的演变情况. 实验结果表明, 电子能量概率分布随着气压的增加从双麦克斯韦分布逐步转变为单麦克斯韦分布并最终演变为Druyvesteyn分布, 而射频激发功率的增加促进了低能电子布居数的增强; 在从等离子体放电中心移向边界的过程中, 低能电子的布居数显著下降, 而高能电子的布居则有所上升; 放电极板间距的变化直接导致了等离子体中电子加热模式的转变. 另外, 我们也对等离子体中的高低能电子密度和温度的分配情况进行了讨论.     

PSII系统中微波ECR等离子体的朗缪尔探针诊断

用朗缪尔探针对一个新颖的双谐振腔多功能PSII系统的微波ECR等离子体进行了诊断,得出了会切场中工作气体压强和微波功率对等离子体密度和电子温度的影响,及真空室内等离子体的分布。     

Floating double probe in non‐Maxwellian plasmas: Determination of the electron density and mean electron energy

A theoretical study of the floating double probe based on the Druyvesteyn theory is developed in the case of non‐Maxwellian electron energy distribution functions (EEDFs). It is used to calculate the EEDF in the electron energy range larger than –e(V_f ? V_p) from the I–V double probe characteristics. V_f and V_p are the floating and plasma potential, respectively. The analytical distribution function corresponding to the best fit of EEDF in the energy range larger than e(V_f ? V_p) allows the determination of the total electron density (n_e) and the mean electron energy (<?_e>). The method is detailed and tested in the case of a theoretical Maxwell–Boltzmann distribution function. It is applied for experiments that are performed in expanding microwave plasmas sustained in argon. Analytical EEDFs determined by this method are compared with those measured by means of single probes under the same experimental conditions. A good agreement is observed between single and double probe measurements. Results obtained under different experimental conditions are used to define the best conditions to obtain reliable results by means of the double probe technique.     

ITER偏滤器朗缪尔探针的设计与研制进展

对ITER 偏滤器朗缪尔探针进行了物理需求分析和结构设计,确定了探针离偏滤器靶板瓦表面的高度范围。通过结构设计和模拟仿真,得到了探针在稳态热负载条件下的温度场分布和应力状况,探针的最高温度低于相应的偏滤器靶板瓦最高温度,探针各个部件的应力低于材料的屈服强度。同时对探针进行了加工工艺和连接工艺的探索研发,初步确定探针体和钨屏蔽结构选用锻造钨材料,而且使用锻造钨试制了探针体和钨屏蔽结构。探针体与钨屏蔽结构之间使用氧化铝陶瓷绝缘,并使用特殊的工艺连接探针体、陶瓷和钨屏蔽结构。     

ITER偏滤器朗缪尔探针测控系统初步设计

根据ITER诊断测控需求和控制、数据访问和通信(CODAC)设计规范,偏滤器朗缪尔探针系统使用企业建模工具(EA平台)进行仪器和控制建模设计.参照中央控制系统自动化运行和控制流程,完成了探针测控系统在等离子放电模式下运行流程的逻辑分层,具备数据采集、探针驱动电源管理、机柜健康监测、EPICS通讯等基本功能,实现了系统软...     

Variation of filamentation phenomenon in strongly magnetized plasma with various discharge parameters

Filamentation phenomenon is one of the most important outcomes of applying a strong magnetic field to low-pressure plasmas and dusty plasmas. In this article, the variation of filamentation phenomenon with neutral gas pressure and plasma density will be investigated using numerical simulations. It will be shown through these simulations how the formation of the filamentary patterns in the magnetized plasma results in a localized electric field structure that strongly contributes to the properties of the filamentary patterns. Based on the results of the simulations, a theoretical model is derived that relates the width of the filamentary patterns to the plasma density. The model has been successfully employed to predict the width of the patterns emerging in various simulations of the magnetized plasma.     

Principles for radiation of time-harmonic elementary current in magnetized electron plasma half-space

The radiation emitted by a time-harmonic elementary current in magnetized electron plasma half-space, bounded by an ideal electric plane, is investigated using an exact formulation. It is found that: conventional image principle holds for vertical magnetization case; while for parallel magnetization case, coupled image principle seems to be valid.     

ITER朗缪尔探针系统初步设计与研制

根据ITER朗缪尔探针系统的测量需求开展了探针系统的初步设计和部分研制工作。通过对探针系统测量需求的细化分析,确定了不同等离子体参数的测量方式和对应的探针工作模式;并对探针开展了结构设计和热结构分析,得到了探针在稳态10MW·m^-2热负载条件下的温度和应力分布,同时根据ITER真空材料手册,初步确定选用锻造钨材料加工制造探针体和探针屏蔽结构并开展了机加工工艺、焊接工艺等方面的研究。根据探针系统测量需求和工作模式对电子学系统,包括电源、模式切换模块和信号调理单元等,进行了设计分析,且电源技术验证样机正在研制。测控系统已完成初步设计,主要功能包括下发配置、状态监控、校准、数据采集、与ITER CODAC通讯、实时测量偏滤器靶板离子流通量等。     

Langmuir双探针诊断Ne辉光放电管电子密度

应用Langmuir双探针诊断理论,对充有氖气的石英放电管中的辉光放电等离子体进行了诊断,通过实验测得伏安特性曲线,计算得出电子温度和电子密度,讨论了等离子体的宏观参量与电子温度和电子密度的关系.采用直径为0.1 mm的探针对等离子体进行诊断,不仅减小了对所测等离子体区域的扰动,而且减小了读取伏安特性曲线所带来的误差.     

碰撞等离子体中电中性条件对单探针测量的约束

在碰撞等离子体中使用单探针测量系统测得的伏安特性曲线会发生畸变. 实验中分别测量了非碰撞条件下(20 Pa)和碰撞条件下(400 Pa)氩气(Ar)电感耦合等离子体的单探针伏安特性曲线, 并进一步通过在400 Pa下测量不同位置处的单探针伏安特性曲线和引入干扰电极调节整体电中性约束的程度的方法来分析研究曲线的畸变现象. 结果表明碰撞等离子体中整体电中性约束条件会对非碰撞探针测量系统进行约束, 并通过理论分析和实验证明:在单探针测量过程中, 以真空室壁为电位参考点, 等离子体将通过改变自身等离子体电位来满足整体电中性的要求, 此时, 单探针测得的伏安特性曲线就不是理论上的单探针的鞘层伏安特性.     

大面积等离子体片密度分布分析

利用空心阴极放电产生了尺寸为60 cm× 60 cm× 2 cm的大面积等离子体面. 在实验室条件下对大面积等离子体片的密度分布进行了测量. 由于高压放电脉冲脉宽较短, 实验中改变了测量方法, 同时, 在中等磁场影响下, 为了得到真实的等离子体密度, 进行了必要的数值修正.在放电电流为1---6 A时, 测量了二维的电子密度分布. 另外, 测量并讨论了其他环境参数对等离子体密度的影响. 电子密度的分布情况对与微波波束切换相当重要. 由空心阴极增强型放电产生的大面积等离子体面具有反射X波段(8---12 GHz) 微波需要的足够稠密的电子密度和足够均匀的密度分布, 这是等离子体面在雷达系统中取代金属面板的有利条件.     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序———ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热α粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热α粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,α粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对α粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高α粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加α粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。     

球形及柱形磁化等离子体靶中α粒子能量沉积率分析

基于单粒子理论模型及积分算法,编写了单粒子轨道数值模拟程序ALFA,分析了柱形和球形两种边界位形磁化等离子体靶中非热粒子通过库仑碰撞对D-T等离子体加热的能量沉积率。在均匀背景磁场及相同的D-T等离子体密度、温度条件下,柱形边界中非热粒子能量沉积率比球形边界更高。在相同等离子体温度及密度条件下,粒子的能量沉积率随磁场的增大而增大,但计算结果表明,磁场的有效作用区域存在明显的上下限值,当等离子体内磁场小于下限阈值时,磁场增加对粒子能量沉积率的提高贡献不大,而且当等离子体内磁场超过上限阈值后,磁场再增加对提高粒子能量沉积率的作用也不明显。对不同几何尺寸的磁化等离子体靶,磁场有效作用区域的上下限值不同,靶尺寸越大,相应的上下限阈值越小。提高等离子体密度,可增加粒子能量沉积率,也能降低磁场有效作用区域的上下限阈值。26035002     

Langmuir probe study in the nonresonant current drive regime of helicon discharge

Characterization of the current drive regime is done for helicon wave-generated plasma in a torus, at a very high operating frequency. A radiofrequency-compensated Langmuir probe is designed and used for the measurement of plasma parameters along with the electron energy distributions in radial scans of the plasma. The electron energy distribution patterns obtained in the operational regime suggest that Landau damping cannot be responsible for the efficient helicon discharge in the present study. A typical peaked radial density profile, high plasma temperature and absence of an appreciable amount of energetic electrons for resonant wave-particle interactions, suggest that the chosen operational regime is suitable for the study of nonresonant current drive by helicon wave. Successful and significant current drive achieved in our device clearly demonstrates the capability of nonresonant current drive by helicon waves in the present operational regime.