常压针-板放电等离子体密度演化

分别采用Stark展宽法、图像法诊断等离子体电子密度,研究常压针-板放电等离子体电子密度随放电参数的演化.实验结果表明,降低电源的脉冲频率,减小等离子体的电极间距和采用细径电极,都有助于提高等离子体密度.利用全局模型分析影响电子密度变化的因素可知,随着脉冲频率的下降,等离子体放电体积减小,导致电子密度上升.在电极间距减小的过程中,电子密度变化则是降低等离子体吸收功率与减小放电体积共同作用的结果,其中放电体积的减小起到了更为主导的作用,导致电子密度上升.此外,采用细径电极也可以使等离子体放电体积减小,从而有利于获得较高的电子密度.     

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。     

大气压双频氦气放电等离子体特性的数值研究

用一维流体模型研究了大气压双频氦气放电等离子体的特性。数值模拟的结果表明,在单、双频放电中,随着应用电压的增加,电子密度和放电电流都增加。相对于单频放电,双频放电中低频源的耦合效应使得放电中的电流以及电子密度降低。随着低频源电压峰值的增加,电子密度降低,离子通量,电子损失能量以及电子吸收能量均降低;但电子温度和电势随着低频源电压峰值的增加而增加。在相同低频源电压下,随着高频源电压的增加离子流非线性增加。     

脉冲放电射流辅助射频辉光放电研究

通过实验研究了脉冲放电射流辅助下大气压氦气射频辉光放电的电学和光学特性。采用组合电极结构,在射频放电前段增加脉冲电极,脉冲放电产生的射流以等离子体子弹形式注入射频放电区域,主要研究脉冲射流辅助射频放电的电流电压曲线、最低放电维持电压、放电强度和空间结构时空分布。研究结果表明:等离子体子弹经过射频放电区域后,由于等离子体子弹引入的活性粒子,会使射频放电区域等离子体强度增强;而射频放电最低维持电压也从0.93 kV降低至0.43 kV。     

脉冲驱动氩气真空介质阻挡放电的光谱特性研究

通过自主设计正极性Marx纳秒脉冲电源,在不同放电频率、不同电源电压幅值下,采用发射光谱在真空环境下对氩气放电时的电子激发温度和电子密度进行测量计算。通过双谱线法选取合适的Ar原子谱线,求得电子激发温度在1 550～3 400 K之间,在正极性脉冲电源做电压源,且电源电压一定时,电子激发温度随着电源频率的升高而呈现上升趋势,在电源频率一定时,电子激发温度也随着电源电压的增加而升高。依据Stark展宽原理对真空体积介质阻挡放电时的电子密度进行了测量计算。电子密度的数量级可达10¹³ m^-3,当电源电压不变时,电子密度随电源频率的增加呈现上升趋势,当电源频率不变,电子密度随着电源电压的升高也逐渐提升。     

气压对于低气压双频容性耦合Ar/O2 等离子体放电特性影响的研究

 研究了气压对双射频氩氧混合等离子体电子温度和电子密度的影响。在13.56MHz低频功率和94.92MHz高频功率固定为60W和氩氧气体比为1:9的情况下,利用发射光谱法分析了气压不同时氩氧混合等离子体的放电光谱中的特征谱线的变化规律。使用一维质点网格法(PIC-MC)静电模型计算了电子温度和电子密度。结果表明：电子温度随着气压的增加先降低后升高,与实验结果趋势相吻合;电子密度随着气压的增加先增大后减小。     

氦氩射频容性放电发射光谱分析

光抽运亚稳态稀有气体激光器利用放电等离子体作为激光的增益介质.为掌握容性射频放电的放电参数对等离子体各项参数的影响的基本规律,利用等离子体发射光谱法研究了氦氩混合气体在不同装置、不同Ar组分、不同气压和不同射频注入功率下的等离子体参数.利用残留水蒸气产生的OH自由基A~2Σ~+→X~2Π的转动光谱分析获得气体温度;利用电子态光谱的玻尔兹曼做图法获得电子激发温度,利用Ar原子696.5 nm谱线的斯塔克展宽获得电子密度.结果表明:气体温度随气压增加略微上升,在一个大气压下改变组分和放电功率,气体温度变化不大;电子激发温度随总气压的下降而上升,且随着Ar组分的增加而略微下降;目前放电条件下的电子密度均在10~(15)cm~(-3)量级;长时间放电监测表明,残留的水蒸气会导致电子温度的下降,从而降低Ar亚稳态的产率.     

三种电极的大气压氩等离子体射流光学特性

采用铜片-单匝线圈电极、螺旋缠绕电极和双铜片电极3种结构的放电装置,以氩气作为工作气体,在正弦波激励下获得了大气压等离子体射流。利用电学方法测量了放电电流以及电荷量,并对放电脉冲和放电功率进行了研究;利用发射光谱法对射流的等离子体参量进行了空间分辨测量,并根据ArⅠ 763.5 nm和Ar Ⅰ 772.4 nm的光强计算了电子激发温度。结果发现：在外加电压的正负半周期内,电流脉冲的个数和幅值呈现非对称的变化趋势;随着外加电压的增加,3种结构电极的放电功率从1.7 W逐渐增加到6.0 W;在相同的外加电压情况下,电极面积越小,等离子体射流的长度越长;3种等离子体射流的电子激发温度在1 348.5~3 212.1 K之间,并且随着气体流量的增加,各位置的电子激发温度总体上呈下降趋势,而等离子体的电子密度呈上升趋势。实验结果表明：外加电压对放电功率有一定影响;射流长度与电极面积有关;气体流量对电子激发温度和电子密度的空间分布起重要作用。     

低气压长间隙介质阻挡放电的光谱诊断

设计了一种电极间隔为10 cm的介质阻挡放电装置,以氩气为工作气体,在低气压下产生等离子体。采用发射光谱法,研究了放电空腔内等离子体电子温度和电子密度随空间位置的变化规律。等离子体电子温度的变化通过使用Corona模型计算获得,等离子体电子密度的变化通过分析Ar原子750.4 nm谱线强度变化得到。实验发现空腔内不同位置的等离子体电子温度和电子密度是不同的。当测量位置从阴极向阳极移动时,电子温度先略上升而后迅速下降,再缓慢上升;电子密度先缓慢而后迅速地增大。     

射频容性耦合等离子体放电特性的光谱诊断

利用流体模型模拟和发射光谱实验诊断相结合的方法,研究了中等气压、中等功率下射频容性耦合等离子体的放电特性。理论上,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气为工作气体,研究了不同气压以及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。实验上,依据仿真模型设计制作了相同尺寸的密闭玻璃腔体和平板电极,采用13.56 MHz射频放电技术电离腔体内的工作气体Ar气,测量了不同气压、不同射频输入功率时放电等离子体的发射光谱。通过分析和选择适当的Ar Ⅰ和Ar Ⅱ的特征谱线,分别利用玻尔兹曼斜率法以及沙哈-玻尔兹曼方程计算了等离子体的电子温度与电子密度,并结合模拟仿真结果对光谱诊断结果进行了修正。结果表明：当气体压强为300~400 Pa、输入功率为600~800 W时,等离子体近似服从玻尔兹曼分布,此时利用光谱法得到的等离子体参数与仿真结果相符合。仿真模拟与光谱实验诊断相结合的方法可初步诊断出中等气压下等离子体的放电参数,增加了玻尔兹曼斜率法和沙哈-玻尔兹曼方程在等离子体放电中的使用范围,扩大了光谱法在低电子密度容性耦合等离子体参数诊断的应用场合,为中等气压容性耦合等离子体在工业与军事上的应用研究提供了重要物理状态的分析手段。     

Plasma characteristics and broadband electromagnetic wave absorption in argon and helium capacitively coupled plasma

A one-dimensional self-consistent calculation model of capacitively coupled plasma(CCP) discharge and electromagnetic wave propagation is developed to solve the plasma characteristics and electromagnetic wave transmission attenuation.Numerical simulation results show that the peak electron number density of argon is about 12 times higher than that of helium, and that the electron number density increases with the augment of pressure, radio frequency(RF) power, and RF frequency. However, the electron number density first increases and then decreases as the discharge gap increases. The transmission attenuation of electromagnetic wave in argon discharge plasma is 8.5-d B higher than that of helium. At the same time, the transmission attenuation increases with the augment of the RF power and RF frequency, but it does not increase or decrease monotonically with the increase of gas pressure and discharge gap. The electromagnetic wave absorption frequency band of the argon discharge plasma under the optimal parameters in this paper can reach the Ku band. It is concluded that the argon CCP discharge under the optimal discharge parameters has great potential applications in plasma stealth.     

射频等离子体离子能量分布特性研究

利用质谱仪对不同进气速率下的氩气、氮气及氮-氘混合三种射频感应耦合等离子体的离子能量分布、离子浓度演化进行了研究。实验结果表明,等离子体的离子能量分布呈多峰结构;在功率一定时,纯氩气及氮气离子的峰值能量随进气速率增加向低能端移动,且离子通量密度逐渐降低;而氮-氘混合等离子体生成的氨系离子 ND₄⁺,峰值离子能量随氘气进气速率先降低后上升,通量密度先增大后降低。      

极板电压与间距对大气压射频氩等离子体放电参数的影响

 基于1维流体力学模型,对大气压射频裸露金属电极氩气放电过程进行了研究。模型中考虑了氩等离子体放电过程中主要发生的激发和电离等7个反应过程,对等离子体反应产生的主要粒子,包括电子、氩原子离子Ar⁺、氩分子离子Ar2⁺和氩激发态Ar^*等,建立连续性方程、动量方程和电流平衡方程。分析了极板电压、极板间距对上述粒子数密度分布的影响。给出了电子,Ar⁺,Ar^*和Ar₂⁺密度随极板电压及间距变化的时空演化过程。得出极板电压或极板间距的改变会使放电空间的电场发生改变,对应一定的极板间距,极板电压有一个最佳值,极板电压和间距的变化会使对应的极板间有一个最佳电场值,而对应最佳电场有一个等离子体气体间最佳反应系数,从而使放电空间粒子数密度发生改变。     

Effects of gas pressure on plasma characteristics in dual frequency argon capacitive glow discharges at low pressure by a self-consistent fluid model

A self-consistent fluid model for dual radio frequency argon capacitive glow discharges at low pressure is established.Numerical results are obtained by using a finite difference method to solve the model numerically, and the results are analyzed to study the effect of gas pressure on the plasma characteristics. It shows that when the gas pressure increases from 0.3 Torr(1 Torr = 1.33322×10~2 Pa) to 1.5 Torr, the cycle-averaged plasma density and the ionization rate increase;the cycle-averaged ion current densities and ion energy densities on the electrodes electrode increase; the cycle-averaged electron temperature decreases. Also, the instantaneous electron density in the powered sheath region is presented and discussed. The cycle-averaged electric field has a complex behavior with the increasing of gas pressure, and its changes take place mainly in the two sheath regions. The cycle-averaged electron pressure heating, electron ohmic heating, electron heating, and electron energy loss are all influenced by the gas pressure. Two peaks of the electron heating appear in the sheath regions and the two peaks become larger and move to electrodes as the gas pressure increases.     

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.     

Effect of driving frequency on electron heating in capacitively coupled RF argon glow discharges at low pressure

A one-dimensional(1D) fluid model on capacitively coupled radio frequency(RF) argon glow discharge between parallel-plates electrodes at low pressure is established to test the effect of the driving frequency on electron heating. The model is solved numerically by a finite difference method. The numerical results show that the discharge process may be divided into three stages: the growing rapidly stage, the growing slowly stage, and the steady stage. In the steady stage,the maximal electron density increases as the driving frequency increases. The results show that the discharge region has three parts: the powered electrode sheath region, the bulk plasma region and the grounded electrode sheath region. In the growing rapidly stage(at 18 μs), the results of the cycle-averaged electric field, electron temperature, electron density, and electric potentials for the driving frequencies of 3.39, 6.78, 13.56, and 27.12 MHz are compared, respectively. Furthermore,the results of cycle-averaged electron pressure cooling, electron ohmic heating, electron heating, and electron energy loss for the driving frequencies of 3.39, 6.78, 13.56, and 27.12 MHz are discussed, respectively. It is also found that the effect of the cycle-averaged electron pressure cooling on the electrons is to "cool" the electrons; the effect of the electron ohmic heating on the electrons is always to "heat" the electrons; the effect of the cycle-averaged electron ohmic heating on the electrons is stronger than the effect of the cycle-averaged electron pressure cooling on the electrons in the discharge region except in the regions near the electrodes. Therefore, the effect of the cycle-averaged electron heating on the electrons is to "heat" the electrons in the discharge region except in the regions near the electrodes. However, in the regions near the electrodes, the effect of the cycle-averaged electron heating on the electron is to "cool" the electrons. Finally, the space distributions of the electron pressure cooling the electron ohmic heating and the electron heating at 1/4 T, 2/4 T, 3/4 T, and 4/4 T in one RF-cycle are presented and compared.     

脉冲射频容性耦合氩等离子体的发射探针诊断

利用工作在浮点模式下的发射探针,对500 Hz脉冲调制的27.12 MHz容性耦合氩气等离子体的空间电位和电子温度的时变特性进行了诊断.等离子体空间电位是通过测量强热状态下的发射探针电位获得的,而电子温度则是由发射探针在冷、热状态下的电位差来估算得到.测量结果表明:脉冲开启时,空间电位会快速上升并在300μs内趋于饱和;当脉冲关断后,空间电位经历了快速下降后趋于稳定的过程.电子温度在脉冲开启时存在过冲并趋于稳定的特征;而在脉冲关断期间,电子温度在300μs内则快速下降到0.45 e V后略有上升.无论在脉冲开启或关断期间,空间电位基本上都随功率和气压的变化存在有线性的依赖关系;而放电功率对脉冲开启期间过冲电子温度与稳态电子温度差异的影响较大.针对空间电位和电子温度在各阶段及不同放电条件下的时变特性,给出了相应的解释.     

Numerical study on the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced plasma

Based on the fluid theory of plasma, a model is built to study the characteristics of nitrogen discharge at high pressure with induced argon plasma. In the model, species such as electrons, N2+, N4+, Ar+, and two metastable states (N 2(A3∑u+), N2 (a1 ∑u-)) are taken into account. The model includes the particle continuity equation, the electron energy balance equation, and Poisson抯equation. The model is solved with a finite difference method. The numerical results are obtained and used to investigate the effect of time taken to add nitrogen gas and initially-induced argon plasma pressure. It is found that lower speeds of adding the nitrogen gas and varying the gas pressure can induce higher plasma density, and inversely lower electron temperature. At high-pressure discharge, the electron density increases when the proportion of nitrogen component is below 40%, while the electron density will keep constant as the nitrogen component further increases. It is also shown that with the increase of initially-induced argon plasma pressure, the density of charged particles increases, and the electron temperature as well as the electric field decreases.