电子的非广延分布对等离子体鞘层中二次电子发射的影响

采用一维流体模型研究了非广延分布电子对等离子体鞘层中二次电子发射的影响.通过数值模拟,研究了非广延分布电子对考虑二次电子发射的等离子体鞘层玻姆判据、器壁电势、器壁二次电子临界发射系数以及等离子体鞘层中二次电子密度分布的影响.研究结果发现,当电子分布偏离麦克斯韦分布(q=1,广延分布)时,非广延参量q的改变对器壁二次电子发射有着重要的影响.不论电子分布处于超广延(q 1),还是处于亚广延状态(q 1),随着非广延参量q的增加,都会出现鞘边临界马赫数跟着减小,同时对于随着二次电子发射系数的增加,临界马赫数跟着增加.器壁电势随着参量q的增加而增加.器壁二次电子临界发射系数则随着非广延参量的增加而减小,并且等离子体中所含的离子种类质量数越大,非广延参量的变化对器壁二次电子临界发射系数的值影响越小.此外,随着非广延参量的增加,鞘层厚度减小,鞘层中二次电子数密度增加.通过对数值模拟结果分析,发现电子分布处于超广延分布状态对等离子体鞘层中二次电子发射特性的影响要比电子处于亚广延分布状态要更明显.     

二次电子发射和负离子存在时的鞘层结构特性

 建立了包括电子、离子、器壁发射二次电子以及负离子多种成分的等离子体无碰撞鞘层的基本模型,讨论了二次电子发射和负离子对1维稳态等离子体鞘层结构的影响,并且分析了多种成分等离子体鞘层内的二次电子和负离子的相互作用。结果表明：二次电子发射系数的增加和负离子含量的增加,都将导致鞘层的厚度有所减小;二次电子发射系数超过临界发射系数之后,鞘层不再是离子鞘。随着器壁材料二次电子发射系数的增加,鞘层中的负离子密度分布也逐渐增加;负离子的增加,导致二次电子临界发射系数有所增加。另外,在等离子体鞘层中二次电子发射和负离子的存在,也影响着鞘层中电子的放电特性与器壁材料的腐蚀。     

电子温度对霍尔推进器等离子体鞘层特性的影响

采用二维粒子模拟方法研究了霍尔推进器通道中电子温度对等离子体鞘层特性的影响, 讨论了不同电子温度下电子数密度、鞘层电势、电场及二次电子发射系数的变化规律. 结果表明: 当电子温度较低时, 鞘层中电子数密度沿径向方向呈指数下降, 在近壁处达到最小值, 鞘层电势降和电场径向分量变化均较大, 壁面电势维持一稳定值不变, 鞘层稳定性好; 当电子温度较高时, 鞘层区内与鞘层边界处电子数密度基本相等, 而在近壁面窄区域内迅速增加, 壁面处达到最大值, 鞘层电势变化缓慢, 电势降和电场径向分量变化均较小, 壁面电势近似维持等幅振荡, 鞘层稳定性降低; 电子温度对电场轴向分量影响较小; 随电子温度的增大, 壁面二次电子发射系数先增大后减少. 关键词： 霍尔推进器 等离子体鞘层 电子温度 粒子模拟     

尘埃颗粒与等离子体鞘层相互作用的数值模拟

通过求解一维稳态的尘埃等离子体鞘层模型,得到了等离子体鞘层势、正离子密度、电子密度和尘埃颗粒密度随一维横向的分布,Bohm判据及鞘层边界无量纲Bohm速度随尘埃密度的变化曲线,尘埃颗粒的带电量和尘埃密度的关系,尘埃颗粒的温度对尘埃颗粒自身在鞘层中分布的影响。结果表明,随着尘埃密度的增加,鞘层的厚度在减小,鞘层内的电子密度在下降,而且尘埃颗粒的带电量也在逐渐减少;随着尘埃温度的增加,鞘层的厚度减小,电子密度下降,而且鞘层附近的尘埃颗粒在逐渐增多。     

ICP等离子体鞘层附近区域发光光谱特性分析

为了独立控制鞘层附近区域离子密度和离子能最分布,采用光发射谱(OES)测量技术,对不同射频功率、放电气压和基底偏压下感应耦合等离子体鞘层附近区域辉光特性进行了研究.原子谱线和离子谱线特性分析表明,在鞘层附近区域感应耦合等离子体具有较高的离子密度和较低的电子温度.改变放电气压和射频功率,对得到的光谱特性分析表明,鞘层附近区域离子密度随射频功率的增大而线性增大,在低压下随气压的升高而增大.低激发电位原子谱线强度增加迅速,高激发电位原子谱线强度增加缓慢,而离子谱线强度增加很不明显.改变基底直流偏压,对得到的发射光谱强度变化分析表明,谱线强度随基底正偏压的增加而增大.随着基底负偏压的加入,谱线强度先减小而后增大;直流偏压为-30 V时,光谱强度最弱.快速离子和电子是引起Ar激发和电离过程的主要能量来源.     

金刚石膜合成条件下的鞘层与等离子体参数分布

本文报导了在用热阴极直流放电等离子体化学气相沉积（通常也称ＥＡＣＶＤ．即电子辅助化学气相沉积）方法合成金刚石的条件下的等离子体密度、电子温度、等离子体空间电位分布及基片附近等离子体鞘结构，并讨论其对成膜的影响．     

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基于OOPIC软件,对平面直流磁控溅射放电等离子体进行了二维自洽粒子模拟,重点研究了磁场、阴极电势和气压等工作参数对磁控放电特性的影响。模拟发现,在一定的工作参数范围内,随着磁场的增强,鞘层厚度变窄,鞘层电势降减小,阴极离子密度增大,但是分布变窄;随着阴极电势的增加,鞘层厚度稍微变窄,鞘层电势降增大,阴极离子密度增大,分布变宽;随着气压的升高,鞘层厚度基本不变,鞘层电势降会增大,阴极离子密度先增大后减小,分布略微变宽。     

电子温度各向异性对霍尔推力器BN绝缘壁面鞘层特性的影响

建立多价态多组分等离子体一维流体鞘层模型,引入电子温度各向异性系数并考虑出射电子速度分布,研究了电子温度各向异性对霍尔推力器中的BN绝缘壁面鞘层特性和近壁电子流的影响.分析结果表明,相比于纯一价氙等离子体鞘层参数,推力器中的多价态氙等离子体鞘层电势降略有降低,电子壁面损失增加,临界二次电子发射系数减小.推力器中的电子温度各向异性现象可以显著地加大出射电子能量系数,进而降低鞘层电势降,增强电子壁面相互作用.数值结果表明,空间电荷饱和机制下电子温度各向异性对鞘层空间电势分布影响显著. 关键词： 霍尔推力器 电子温度各向异性 空间电荷饱和鞘层     

等离子体鞘层附近尘埃颗粒特性的数值模拟

为了研究尘埃等离子体中尘埃颗粒以及鞘层中粒子密度分布等特性,对尘埃颗粒存在条件下等离子体鞘层结构的采取数值模拟.采用稳态无碰撞的尘埃等离子体鞘层模型,对玻姆判据、尘埃颗粒的荷电性质、平板鞘层区域的电势分布及鞘层内粒子分布特性进行了系统的数值模拟研究.计算结果显示,鞘层边缘尘埃颗粒数密度的增加、尘埃温度的升高,将引起孤立尘埃颗粒对电子吸附能力的减弱,集体效应也受到一定程度的影响;二者同时对离子玻姆速度以及鞘层厚度的增加都有着极大的促进作用.鞘层电势在靠近下极区处降落迅速,主要聚集在接近阴极极板的鞘层区域,各种微粒数密度的空间分布满足准中性条件.     

不同成分等离子体鞘层的玻姆判据

在一维平板鞘层中采用流体模型分别研究了不同成分无碰撞等离子体鞘层的玻姆判据.通过拟牛顿法数值模拟了含有电子、离子、负离子以及二次电子的等离子体鞘层玻姆判据.结果表明二次电子发射增加了鞘层离子马赫数的临界值,且器壁发射二次电子温度越高,离子马赫数临界值越小.负离子使离子马赫数临界值减小.而在含有二次电子和负离子的等离子体鞘层中,当负离子较少时,二次电子发射对离子马赫数临界值影响较大;当负离子增加时,离子马赫数的临界值则主要受负离子的影响. 关键词： 鞘层 等离子体 玻姆判据     

电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘的影响

研究了鞘层中电子和负离子的反射运动对碰撞电负性磁鞘玻姆判据和鞘层结构的影响.通过理论推导得到了考虑鞘层中电子和负离子的反射运动时鞘层玻姆判据表达式,并通过数值模拟得到了电子和负离子采用玻尔兹曼模型和反射运动模型时离子马赫数的下限随参数的变化曲线以及鞘层中带电粒子密度的分布曲线.结果表明,电子和负离子的反射运动模型和玻尔兹曼模型离子马赫数的上限完全相同,下限表达式不同,反射运动模型中下限还与基板电势有关,且随着基板电势值的增加而增大,达到与玻尔兹曼分布中相同值后保持不变,随着鞘边负离子浓度和温度的不同达到最大值的速度不同;离子马赫数的下限在玻尔兹曼和反射运动模型中都随鞘边负离子浓度的增加和温度的降低而减小,只是在反射运动模型中的最大值要小;两种模型中离子马赫数的下限都随鞘边电场的增加而增加,但在玻尔兹曼模型中增加得更快最终值更大;两种模型离子马赫数的下限都随碰撞参数或磁场角度的增加而降低,但在玻尔兹曼模型中降低更快,随着碰撞参数或者磁场角度的增加两种模型中离子马赫数的下限趋于一致;当基板电势值较小时,电子和负离子的反射运动对鞘层结构影响较大,当基板电势值较大时电子和负离子反射运动对鞘层中带电粒子密度分布的影响很小.     

Theory of self-organized dust sheaths in edge plasmas

A concept of self-organisation is used to derive the structure of dust sheath close to the wall taking into account self-consistently dust charges and dust distribution together with electron, ion distributions and ion drift. It is shown that instead of Bohm criterion the dust sheath is determined by other criteria allowing Mach number to be in restricted value ranges. The total structure of the dust sheath in dimensionless variables is determined by the Mach number only. Dust sheaths can contain definite number of dust particles per unit area which are determined by the value of the Mach number. The dust sheaths change drastically the electrostatic potential distributions and are usually much thicker than the usual plasma sheaths. A theoretical model together with numerical computations gives all dust sheath parameter distributions and the global characteristics such as the total drop of the potential, the thickness of the sheath, the number of dust particles in the sheath and the criterion of dust levitation. The recent observations on “Textor 94” indicating the long time dust survival in edge region of the present tokamaks, the dust levitation and agglomeration in the volume of edge tokamak plasma are discussed.     

具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘的结构

很多关于等离子体鞘层的研究工作都是基于电子满足经典的麦克斯韦速度分布函数,而等离子体中的粒子具有长程电磁相互作用,使用Tsallis提出的非广延分布来描述电子更为恰当.本文建立一个具有非广延分布电子的碰撞等离子体磁鞘模型,理论推导出受非广延参数q影响的玻姆判据,离子马赫数的下限数值会随着参数q的增大而减小.经过数值模拟,发现与具有麦克斯韦分布(q=1)电子的碰撞等离子体磁鞘对比,具有超广延分布(q<1)和亚广延分布(q>1)电子的碰撞等离子体磁鞘的结构各有不同,包括空间电势分布、离子电子密度分布、空间电荷密度分布.模拟结果显示非广延分布的参数q对碰撞等离子体磁鞘的结构具有不可忽略的影响.希望这些结论对相关的天体物理、等离子体边界问题的研究有参考价值.     

两种带电尘埃颗粒的等离子体鞘层玻姆判据

采用流体方程和尘埃充电自洽模型研究了鞘边含有两种尘埃颗粒的等离子体玻姆判据. 通过拟牛顿法数值模拟了鞘边两种尘埃颗粒的存在对尘埃自身充电以及离子马赫数的影响. 两种尘埃颗粒中含量较少的尘埃颗粒数密度的增加, 导致两种尘埃颗粒表面悬浮势一个降低, 一个升高. 含量较少的尘埃颗粒的数密度越多和半径越小, 都会导致离子马赫数增大. 另外鞘边无论何种尘埃颗粒的速度增加, 鞘边离子马赫数都将减小. 关键词： 等离子体鞘层 尘埃颗粒 玻姆判据     

尘埃等离子体鞘层的玻姆判据

采用流体方程和自洽电荷变化模型研究了尘埃等离子体鞘层的玻姆判据. 讨论了离子临界马赫数和尘埃粒子临界马赫数随尘埃密度变化的关系, 以及尘埃表面势随尘埃密度变化的趋势. 由于鞘边尘埃粒子的存在, 离子必需以大于声速的速度进入鞘层; 随尘埃密度的持续增加, 离子的临界马赫数增加到一个最大值后开始逐渐减小. 数值计算得到的结果满足Sagdeev势的定性分析. 关键词： 等离子体 鞘层 玻姆判据     

Simulation study of the sheath region of a processing plasma with two-temperature electrons and charged nanoparticles

A four-fluid model is used to investigate the structure of a dusty plasma sheath with two species of electrons, i.e., cold and hot electrons. Numerical results show that, in the presence of hot electrons, regular fluctuations are developed in the spatial profiles of the sheath potential and number densities of the plasma and dust nanoparticles. The amplitude and spatial period of the fluctuations depend on the hot electron parameters. The sheath width shows a non-monotonic dependence on the temperature and number density of the hot electrons, as well as the density and Mach number of the nanoparticles.     

One-dimensional solution to the stable, space-charge-limited emission of secondary electrons from plasma-wall interactions

Numerical solutions to the stable, space-charge-limited emission of secondary electrons from plasma-wall interaction are found based on one-dimensional plasma moment equations that assume cold ions, Maxwellian electrons and cold secondary electrons. The numerical method finds a range of plasma parameters that permit stable emission of secondary electrons in the absence of normal electric fields to the wall. These solutions were not obtained with previous method that solves only for the marginally stable plasma sheath. Range of the ion Mach number at the sheath edge, the floating wall potential relative to the plasmas, and secondary electron emission coefficients corresponding to the vanishing normal electric fields are found for hydrogen, argon and xenon plasmas. The results show that a relatively small range of secondary electron emission coefficient exists to allow stable sheaths structures along with larger ranges of ion injection speed at the sheath edge and floating potential of the emitting wall.     

ECR微波等离子体离子输运的数值模拟

建立了ECR微波等离子体源离子输运的平板和圆柱模型,对离子历经的空间区域的输运过程进行了数值研究。采用Monte Carlo(M-C)方法模拟了存在外磁场情况下,离子离开开放电室后历经中性区、鞘层区、最后被加负偏压的工作表面吸收的全过程,考虑了离子与中性粒子的电荷交换碰撞玫弱性散性,统一处理了中性区和鞘层区电势的衔接,采用曲线拟合,电势自洽迭代方法把中性区和鞘层区衔接起来,得到了光滑自治的电势分布曲线和鞘层区不同位置处的速度分布、能量分布及角分布。