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物理学报 2007年第4期56卷 2330-2336页

作者：牛田野曹金祥刘磊刘金英王艳王亮吕铀王舸朱颖中国科学技术大学近代物理系中国科学院基础等离子体物理重点实验室合肥230026

使用静电探针和发射光谱分析方法,测量了实验室圆柱形辉光等离子体轴向I-V曲线和发射光谱.通过电子能量概率函数方法、Fermi-Dirac模型、低气压放电的Schottky扩散理论,分别计算了等离子体的电子温度、电子激发温度和电子密度.研究了利... 详细信息

使用静电探针和发射光谱分析方法,测量了实验室圆柱形辉光等离子体轴向I-V曲线和发射光谱.通过电子能量概率函数方法、Fermi-Dirac模型、低气压放电的Schottky扩散理论,分别计算了等离子体的电子温度、电子激发温度和电子密度.研究了利用等离子体发射光谱计算电子激发温度、低气压放电理论估算电子密度的方法与静电探针诊断方法的内在联系,讨论了不同方法的使用特点.所研究的方法在某些特殊环境的等离子体参数诊断中具有较好的参考和应用价值.

关键词：静电探针发射光谱电子能量概率函数 Fermi-Dirac模型

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大气压射频微等离子体放电结构演化的粒子模拟

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高电压技术 2014年第10期40卷 2997-3005页

作者：张远涛刘冰葛蕾山东大学电气工程学院山东省特高压输变电技术与气体放电重点实验室济南250061

大气压射频微等离子体放电具有较大的潜在应用价值,但实验研究较困难。为此借助于粒子模拟的方法,在给定的放电间隙下,研究了电流密度及二次电子发射系数(SEEC)对射频微等离子体的放电结构的影响。模拟结果表明,随着输入电流密度的增大... 详细信息

大气压射频微等离子体放电具有较大的潜在应用价值,但实验研究较困难。为此借助于粒子模拟的方法,在给定的放电间隙下,研究了电流密度及二次电子发射系数(SEEC)对射频微等离子体的放电结构的影响。模拟结果表明,随着输入电流密度的增大,放电空间逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电结构,电子密度也会随之增大,鞘层电场逐渐增强,同时电子能量概率函数(EEPF)曲线会随之整体向上偏移;而在给定的电流密度下,随着SEEC的增大,放电结构也会逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电的结构,电子密度会随之增大,同时鞘层电场会逐渐变小,高能电子(>20 eV)比例也随之减小。最后分析了在大间隙下出现鞘层主导结构的可能性。

关键词：大气压气体放电射频微等离子体放电结构粒子模拟二次电子电子能量概率函数

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SG滤波在朗缪尔探针信号处理中的应用

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计算机工程 2011年第17期37卷 220-222,226页

作者：桑庆双程健中国科学技术大学自动化系合肥230027

利用朗缪尔探针检测射频耦合等离子体特性参数时,测得的伏安特性曲线会受电磁干扰而产生畸变,从而影响等离子体参数的计算和特性分析。为此,利用Savitzky-Golay(SG)滤波算法对伏安特性曲线进行分段滤波,给出平滑效果较好的特性参数。实... 详细信息

利用朗缪尔探针检测射频耦合等离子体特性参数时,测得的伏安特性曲线会受电磁干扰而产生畸变,从而影响等离子体参数的计算和特性分析。为此,利用Savitzky-Golay(SG)滤波算法对伏安特性曲线进行分段滤波,给出平滑效果较好的特性参数。实验结果表明,SG算法对原始信号特征改变较少,求出的电子能量概率函数准确度较高。

关键词：朗缪尔探针等离子体伏安特性曲线 SG滤波电子能量概率函数

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电子束驱动及调制容性耦合等离子体实验研究

电子束驱动及调制容性耦合等离子体实验研究

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作者：肖希健东华大学

学位级别：硕士

高密度、低能量等离子体是制造单纳米尺度的小尺寸半导体器件所需要的。目前,能够产生这种等离子体的一种有效手段是电子束等离子体,电子束主要在空心阴极产生,由于空心阴极的尺寸较小,因此外部功率源可以有效地将能量沉积至等离子体中... 详细信息

高密度、低能量等离子体是制造单纳米尺度的小尺寸半导体器件所需要的。目前,能够产生这种等离子体的一种有效手段是电子束等离子体,电子束主要在空心阴极产生,由于空心阴极的尺寸较小,因此外部功率源可以有效地将能量沉积至等离子体中有效地加热电子,高能电子在空心阴极中来回振荡,促进电离并产生高能量电子。之后,通过在栅极和加速电极间施加直流偏压,将电子从空心阴极中引出,形成高能电子束。这样的电子束有着高能量,高密度的特征,可以应用在许多方面:材料表面处理;蒸发难熔融物质并将其沉积至材料表面,形成薄膜;刻蚀等方面。有着很高的研究价值。本文将产生电子束的一体化电极与容性耦合放电腔相结合,利用射频驱动空心阴极放电,并将电子束注入容性耦合腔形成电子束容性耦合等离子体,并利用朗缪尔(Langmuir)探针和发射光谱法结合碰撞辐射模型研究了电子束容性耦合等离子体的放电特性:(1)电子束驱动容性耦合等离子体;(2)电子束调制容性耦合等离子体;(3)利用CCD相机和滤波片,通过CCD相机拍摄的放电图像,将其与光谱仪测得的数据进行标定,得到了电子束容性耦合等离子体特性的二维分布情况。在第一章中,介绍了低温等离子体常见的发生方式以及应用,并介绍了电子束等离子体在实验和模拟上的研究现状。在第二章中,介绍了电子束容性耦合等离子体的实验装置,以及所使用的诊断方法。在第三章中,研究了电子束驱动容性耦合等离子体的放电特性,利用Langmuir探针测量了容性耦合腔放电中心的等离子体参数随射频功率的变化,并将结果与发射光谱结合碰撞辐射模型的结果进行对比,发现两种方法得到的电子温度和电子密度趋势相一致。随后,利用Langmuir探针测量了不同射频频率对电子束驱动容性耦合放电的影响,发现由于自偏压随着射频频率的增大而减小,因此随着频率的升高,注入容性耦合腔的电子反而减少,电子密度下降,电子温度也下降。探究了工作气压对电子束驱动容性耦合放电的影响,其结果发现,气压升高,电子密度随之升高,由于碰撞的加剧,电子温度则逐渐下降,此外,从电子能量概率函数中可以观察到,随着气压的增大,高能电子浓度降低,低能电子浓度明显增大。这表明高能电子主要与中性粒子发生电离碰撞,产生了更多的低能电子。最后探究了直流偏置电压对放电的影响,其结果表明,电子密度在偏置电压的影响下逐渐升高,而电子温度几乎不受偏置电压的影响。这是因为偏置电压在栅极和加速阳极间形成了一个加速电场,由于电极间距太小,电子获得能量很小。因此偏置电压的作用主要是影响将电子从空心阴极中引出,进一步提高了容性耦合腔内的电子密度。在第四章中,研究了电子束调制容性耦合等离子体的放电特性,主要研究了改变外部参数以此改变电子束的特性,从而对容性耦合放电产生的不同调制作用。首先,比较了空心阴极侧射频功率和容性耦合腔下电极侧射频功率对放电特性的影响,并与单频容性耦合等离子体(CCP)进行了比较。结果表明,下电极侧的功率变化主要影响电子温度,而空心阴极侧的功率变化则主要影响电子密度,与单频CCP相比,电子束的注入会促进α-γ的模式转变,且仅需要较小的功率就能达到更高的电子密度。在探究空心阴极侧频率对放电参数的影响时发现,电子温度和电子密度对射频频率有着较高的依赖性,随着频率的升高,电子温度逐渐下降,电子密度也随着频率的上升而略微下降,但这不适用于射频频率过低的情况(2 MHz)。这同样是因为自偏压的减小而导致注入的电子浓度降低,而在2 MHz的情况,空心阴极内部的鞘层很厚,电子获得较高的能量,但由于体区被压缩,使得电离减少,电子密度较低。工作气压对放电的影响与第三章类似,气压的升高使得中性粒子与电子的碰撞增多,促进了电离碰撞的发生,产生更多的低能电子。同样的,偏置电压对放电的影响也主要是增大了电子密度,而几乎不影响电子温度。此外,随着偏置电压的升高,频率高时的电子密度增幅要大于频率较低时的电子密度。这表明了,在空心阴极内部,电子密度仍随着驱动频率的升高明显升高。在第五章中,观察了电子束驱动容性耦合等离子体和电子束调制容性耦合等离子体的二维分布随外部参数射频功率的变化趋势。在电子束驱动容性耦合等离子体中,功率的增大使得更多的电子从喷口处进入容性耦合腔,并且保持着“束”状向下延伸,电子温度则表现出了与之相反的趋势。通过对比改变空心阴极侧和下电极侧的二维分布变化可以看出,改变空心阴极侧射频频率主要影响电子束的特性,随着功率的升高电子密度以及高能电子都增多,这使得注入后更多的高能电子与中性粒子发生电离,因而对电子密度的影响更大。而改变下电极侧的功率则导致电子获得更高的能量,并且放电的二维分布更均匀。

关键词：电子束容性耦合等离子体电子能量概率函数碰撞辐射模型

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大气压微时空尺度放电特性的粒子模拟研究

大气压微时空尺度放电特性的粒子模拟研究

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作者：刘冰山东大学

学位级别：硕士

大气压下的气体放电不需要昂贵的真空装置,可以大规模应用于工业,是近年来十分受关注的一项崭新等离子体技术。大气压下产生的大体积均匀非平衡等离子体可以用于薄膜生长、等离子体平板显示(PDP)、等离子体医疗、纳米材料合成、等离子... 详细信息

大气压下的气体放电不需要昂贵的真空装置,可以大规模应用于工业,是近年来十分受关注的一项崭新等离子体技术。大气压下产生的大体积均匀非平衡等离子体可以用于薄膜生长、等离子体平板显示(PDP)、等离子体医疗、纳米材料合成、等离子体隐身技术及杀菌消毒等领域,是目前国际上放电与等离子体研究领域的热点之一。大气压下产生均匀非平衡等离子体所需要的条件很苛刻,由于气压高,放电容易从非平衡等离子体向热平衡等离子体转化,目前已有多种放电方式来抑制这种转化以得到稳定的大气压非平衡等离子体,主要有微放电、脉冲放电等,这都是在微时空尺度的放电。本文主要介绍大气压等离子体的微时空放电特性,由于其高气压微尺度特点,电子能量概率分布函数(EEPF)随时间的变化非常剧烈,电子能量不处于麦克斯韦分布状态,常用的流体模拟不再适用于讨论该状态下的放电特性。目前对等离子体在微时空状态下的放电规律研究有限,相应的实验诊断与数值仿真均面临新的挑战,为了准确给出等离子体的动理学特性,本文借助于粒子模拟手段,分别对大气压下微空间尺度和微时间尺度的放电进行了研究,并得出以下主要结论：1)大气压射频微等离子体放电相较于通常的大间隙放电可以提供更高的电子密度及电子能量,且可以耦合更高的功率密度并保持放电的稳定性。模拟结果表明,在给定的放电间隙下,随着输入电流密度的增大,放电结构逐渐由鞘层主导的结构转变为传统的辉光放电结构,电子密度也会随之增大,鞘层电场逐渐增强,同时电子能量概率函数曲线会随之整体向上偏移。而在给定的电流密度下,随着二次电子发射系数(SEEC)的增大,放电结构也会逐渐由鞘层主导的结构转变为辉光放电的结构,电子密度会随之增大,同时鞘层电场逐渐变小,高能电子比例也随之减小。本文还进一步分析了在大间隙出现鞘层主导结构的可能性,根据模拟结果,在0.5MHz射频频率下得到鞘层主导结构依然较困难。2)脉冲调制放电是近年来比较流行的大气压放电模式,这种放电模式在节省功率、维持放电稳定性方面都有很好的效果。本文模拟结果表明,微等离子体微波脉冲调制在power-on阶段的第一个射频周期会出现一较大的脉冲电流峰,在阳极附近形成自生电场,并且在这个过程中有高能电子的出现,其能量可以超过40 eV。在高频下,占空比的提高有利于大电流峰现象出现,并且随着占空比的提高,大电流峰值和最终的电流值都会增大,在70%占空比时可以达到最好的效果;随着调制频率的提高,大电流峰依然存在,但峰值会随之下降;提高射频频率有利于大电流峰的出现,并且峰值随着射频频率的增大而增大;增大放电间隙不利于大电流峰的出现。此外,占空比的提高有利于微等离子体微波调制放电中高能电子的产生,而低调制频率则更有利于高能电子的产生。3)脉冲放电有利于在大气压下产生均匀的非平衡等离子体,且拥有较高的电子产生率等优势,本文主要针对无介质平板电极的纳秒脉冲放电进行研究。研究结果表明,在无介质平行板电极放电时,放电电流出现在放电后半段;在整个过程中,鞘层中会形成非常大的电场,电子密度在整个过程中都是上升的,在脉冲结束后密度才会下降;电子能量在经历初始时刻的增大后会随着空间电荷分布的改变而下降,在击穿放电之后又开始增大,在下降沿期间再次下降;电场在上升沿和坪区都是上升的,在下降沿则是逐步下降的。

关键词：大气压放电粒子模拟微等离子体微波脉冲调制纳秒脉冲电子能量概率函数

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