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氧气空心阴极放电模拟

物理学报 2022年第2期71卷 179-190页

作者：赵立芬哈静王非凡李庆何寿杰河北大学物理科学与技术学院保定071002 河北农业大学理学院保定071002 河北大学静电技术研究所保定071002

本文利用流体模型对气压为266 Pa的氧气环境下空心阴极放电的放电特性及不同粒子的生成损耗机制进行了模拟研究.模型中包含11种粒子和48个反应.在该模拟条件下,周围阴极所对应的负辉区产生重叠,表明放电中存在较强的空心阴极效应.计算... 详细信息

本文利用流体模型对气压为266 Pa的氧气环境下空心阴极放电的放电特性及不同粒子的生成损耗机制进行了模拟研究.模型中包含11种粒子和48个反应.在该模拟条件下,周围阴极所对应的负辉区产生重叠,表明放电中存在较强的空心阴极效应.计算得到了不同带电粒子与活性粒子的密度分布.带电粒子密度主要位于放电单元中心区域,电子和负氧离子O^(-)是放电体系中主要的负电荷,其密度峰值分别达到5.0×10^(11)cm^(-3)和1.6×10^(11)cm^(-3);O_(2)^(+)是放电体系中主要的正电荷,其密度峰值为6.5×10^(11)cm^(-3).放电体系中同时存在丰富的活性氧粒子,并且其密度远高于带电粒子,按其密度高低依次为基态氧原子O、单重激发态氧分子O_(2)(a^(1)Δ_(g))、激发态氧原子O(^(1)D)、臭氧分子O_(3).对电子、O^(-)和O_(2)^(+)的生成和损耗的反应动力学过程进行了深入分析,同时给出了不同活性氧粒子的生成损耗路径概要图.结果表明各粒子之间存在一个复杂的相互耦合的过程,每一个反应在生成某种粒子的同时也在消耗相应的其他粒子,最终各种粒子密度达到一个动态平衡.

关键词：空心阴极放电氧气流体模型活性粒子生成损耗机制

空心阴极放电复合稀土氧化物对Ti6Al4V合金离子渗氮组织及性能的影响

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表面技术 2023年

作者：陈赛男董志宏鲍泽斌中国科学技术大学材料科学与工程学院中国科学院金属研究所

目的改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能，探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。方法利用空心阴极放电(Hollow cathode discharge-HCD)及稀土氧化物(Y2O3纳米颗粒)辅助在720 ℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮... 详细信息

目的改善Ti6Al4V合金的耐磨和耐蚀性能，探究辅助渗氮手段的引入对Ti6Al4V合金离子渗氮组织和性能的影响。方法利用空心阴极放电(Hollow cathode discharge-HCD)及稀土氧化物(Y2O3纳米颗粒)辅助在720 ℃对Ti6Al4V合金进行4 h离子渗氮处理。通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度测试仪、往复式摩擦磨损实验仪以及电化学工作站，对比研究了常规离子渗氮、HCD辅助离子渗氮以及HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮三种条件下Ti6Al4V合金的渗氮组织和性能。结果 HCD复合稀土氧化物辅助离子渗氮条件下，Ti6Al4V合金表面生成约126 μm厚的渗氮层，分别是常规离子渗氮条件和HCD辅助离子渗氮条件的3.1和2.4倍。化合物层中TiN含量显著增加，致渗氮层表面硬度达到1067.9 HV0.05。渗氮层整体硬度明显提高，且硬度梯度降低。Ti6Al4V合金的摩擦系数从常规离子渗氮时的0.4降至0.2。同时，TiN含量的提高使Ti6Al4V合金在3.5 wt.% NaCl溶液中自腐蚀电流降低，极化电阻增大，耐蚀性能得到改善。结论 HCD复合Y2O3辅助可显著提高氮势，促进氮向Ti6Al4V合金内快速扩散，提高合金的硬度，改善合金的耐磨性能和耐蚀性能。

关键词：离子渗氮空心阴极放电稀土氧化物 Ti6Al4V 摩擦磨损渗氮层

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空心阴极放电条纹特性的光谱诊断

光谱学与光谱分析 2011年第3期31卷 608-611页

作者：何寿杰何锋李赏欧阳吉庭北京理工大学理学院北京100081 河北大学物理科学与技术学院河北保定071002

利用发射光谱法,研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。测量了条纹区的发射光谱,在此基础上计算得到了电子激发温度、相对电子密度和电子平均能量的空间分布特性。结果表明条纹区的光强、电子激发温度和电子密度均呈非等幅的周期性变化... 详细信息

利用发射光谱法,研究了圆柱型空心阴极放电条纹的特性。测量了条纹区的发射光谱,在此基础上计算得到了电子激发温度、相对电子密度和电子平均能量的空间分布特性。结果表明条纹区的光强、电子激发温度和电子密度均呈非等幅的周期性变化。与暗纹中心处相比,明纹中心具有较高的电子激发温度和较低的电子密度。由阴极向阳极,明纹中心处的电子激发温度幅值逐渐减小。此外,条纹区的电子激发温度随着电流的增加而增加。

关键词：空心阴极放电条纹发射光谱电子激发温度电子密度

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电压对射频空心阴极放电特性的影响

真空科学与技术学报 2022年第4期42卷 282-289页

作者：贺柳良何锋欧阳吉庭王荣刚北京建筑大学理学院北京102616 北京理工大学物理学院北京100081 苏州天华超净科技股份有限公司研发中心苏州215121

为了提高射频空心阴极放电中的等离子体密度,采用粒子网格(Particle-In-Cell,PIC)法与蒙特卡洛碰撞(MonteCarlo-Collision,MCC)模型相结合的方法(PIC/MCC法),研究了空心电极上施加的射频电压变化对射频空心阴极放电特性的影响。研究结... 详细信息

为了提高射频空心阴极放电中的等离子体密度,采用粒子网格(Particle-In-Cell,PIC)法与蒙特卡洛碰撞(MonteCarlo-Collision,MCC)模型相结合的方法(PIC/MCC法),研究了空心电极上施加的射频电压变化对射频空心阴极放电特性的影响。研究结果表明,和平板电极容性耦合射频放电相比,射频空心阴极放电能获得更高的电子密度。随着射频电压的增加,孔内的鞘层电场和鞘层电势降均增加,引起鞘层振荡加热和二次电子加热的增强,这将增大电子密度。此外,在本文模拟所设置的电压范围内(150-210 V),随着电压的增加,空心阴极效应(hollow cathode effect,HCE)的强度也增加,这也将增大电子密度。同时,随着射频电压的增加,等离子体在孔内的深度也增加,这将进一步增大电子密度。因此,提高射频电压是在空心电极孔内外获得高密度等离子体的有效方法。

关键词：射频放电空心阴极放电空心阴极效应电子加热 PIC/MCC模拟

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空心阴极放电中的电势垒和电场反转

真空科学与技术学报 2015年第12期35卷 1420-1426页

作者：哈静何寿杰河北农业大学理学院保定071001 河北大学物理科学与技术学院保定071002

利用流体-亚稳态原子模型对柱型空心阴极放电中电场反转和电势垒进行了研究。模拟得到了稳态放电时电势、电子密度、离子密度、电场和粒子流密度等的分布特性。220 V阳极电压和133 Pa氩气下,电子和离子密度峰值位于放电单元中心处,为2.4... 详细信息

利用流体-亚稳态原子模型对柱型空心阴极放电中电场反转和电势垒进行了研究。模拟得到了稳态放电时电势、电子密度、离子密度、电场和粒子流密度等的分布特性。220 V阳极电压和133 Pa氩气下,电子和离子密度峰值位于放电单元中心处,为2.4×1010cm-3;在阴极位降区,离子密度远高于电子密度。负辉区电势高于阳极电势,放电的轴向存在电场反转现象,放电单元的中心处形成一电势垒。电子扩散流密度和电子流密度之比对电场反转的形成有重要影响。文章同时研究了阳极电压对电场反转特性的影响。结果表明,电压升高时,电子扩散流密度升高,电场反转和电势垒现象增强。模拟结果同时表明空心阴极放电模式下有利于电场反转的形成。该研究对于分析空心阴极放电中电场反转的成因有重要的参考价值。

关键词：空心阴极放电流体-亚稳态原子模型电场反转粒子流密度

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氩气对氦-氩气体中空心阴极放电特性的影响

河北大学学报（自然科学版） 2023年第3期43卷 257-262页

作者：邓佳松赵雪娜何寿杰河北大学物理科学与技术学院河北保定071002

利用流体模型,在氦-氩混合气体环境下模拟研究了氩气含量对空心阴极放电特性的影响.结果表明,随着氩气含量的增加(摩尔分数0~10%),放电电流、电子密度、氦离子密度、氩离子密度和阴极位降区径向电场强度均升高,负辉区径向电场强度和阴... 详细信息

利用流体模型,在氦-氩混合气体环境下模拟研究了氩气含量对空心阴极放电特性的影响.结果表明,随着氩气含量的增加(摩尔分数0~10%),放电电流、电子密度、氦离子密度、氩离子密度和阴极位降区径向电场强度均升高,负辉区径向电场强度和阴极位降区宽度降低.电子密度和氩离子密度的升高要快于氦离子密度的升高.当氩气摩尔分数高于5%时,氩气对于放电的贡献已经高于氦气.

关键词：空心阴极放电氦-氩气体流体模型电子密度

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空心阴极放电自脉冲现象的实验研究

北京理工大学学报 2009年第10期29卷 928-931,940页

作者：李赏何寿杰彭祖林北京理工大学理学院北京100081

研究了氩气中圆柱形空心阴极放电的自脉冲现象.测试了空心阴极放电不同阶段的伏安特性及自脉冲频率和电流脉冲上升沿随放电平均电流、气压和电路电容的变化;讨论了自脉冲的形成机理.结果表明,自脉冲现象出现在空心阴极放电的负阻特性阶... 详细信息

研究了氩气中圆柱形空心阴极放电的自脉冲现象.测试了空心阴极放电不同阶段的伏安特性及自脉冲频率和电流脉冲上升沿随放电平均电流、气压和电路电容的变化;讨论了自脉冲的形成机理.结果表明,自脉冲现象出现在空心阴极放电的负阻特性阶段,并具有稳定的频率.自脉冲频率随平均电流的增加而线性增大,气压和孔径的乘积pD值对频率的影响与其大小有关,但电极间的并联电容不影响脉冲频率;电流脉冲上升沿几乎与平均电流、气压或并联电容无关.实验结果表明,自脉冲现象是空心阴极本身的一种特征放电过程.

关键词：空心阴极放电伏安特性自脉冲

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空心阴极自脉冲放电的时空演化特性

真空科学与技术学报 2022年第7期42卷 533-540页

作者：王绥凯乔音音张雅何寿杰李庆河北大学物理科学与技术学院河北省光学感知技术创新中心保定071002 河北大学环境工程研究所保定071002

本文利用圆筒形空心阴极放电结构,研究了自脉冲放电等离子体参量的时空演化特性。在气压为133 Pa的氩气环境下获得了稳定的自脉冲放电,同时将测量得到的极间电压作为输入电势,利用流体模型进行了空心阴极自脉冲放电的数值模拟研究。模... 详细信息

本文利用圆筒形空心阴极放电结构,研究了自脉冲放电等离子体参量的时空演化特性。在气压为133 Pa的氩气环境下获得了稳定的自脉冲放电,同时将测量得到的极间电压作为输入电势,利用流体模型进行了空心阴极自脉冲放电的数值模拟研究。模拟得到了放电电流、电势、电子密度、电场和净电荷密度的时空分布特性。结果表明等离子体参量随时间成周期性变化。自脉冲现象为由孔外低电流、低径向电场强度、低电子密度、低净电荷密度放电模式向孔内高电流、高径向电场强度、高电子密度、高净电荷密度放电模式的一个往复转换的过程。自脉冲不同阶段放电模式的转换与平均电流有关。当自脉冲放电处于电流峰值时为具有较强空心阴极效应的正常辉光放电模式。自脉冲处于低电流时的放电模式与平均电流有关。当平均电流较低时,自脉冲放电在阳极和孔内阴极附近往复移动;此状态下瞬时电流最低值时放电处于汤生放电模式。当平均电流较高时,自脉冲放电在阴极孔口和孔内阴极附近往复移动;此状态下瞬时电流最低值时阴极附近的阴极鞘层基本形成。

关键词：空心阴极放电自脉冲时空演化特性模拟放电模式

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氩气空心阴极放电复杂动力学过程的模拟研究

物理学报 2019年第21期68卷 209-218页

作者：何寿杰周佳渠宇霄张宝铭张雅李庆河北大学物理科学与技术学院河北省光电信息材料重点实验室

利用流体模型模拟研究了氩气空心阴极放电的动力学过程.数值模型考虑了直接基态电离、基态激发、分步电离、潘宁电离、解激发、两体碰撞、三体碰撞、辐射跃迁、弹性碰撞和复合反应等31个反应过程.计算得到了电子密度, Ar+密度,激发态氩... 详细信息

利用流体模型模拟研究了氩气空心阴极放电的动力学过程.数值模型考虑了直接基态电离、基态激发、分步电离、潘宁电离、解激发、两体碰撞、三体碰撞、辐射跃迁、弹性碰撞和复合反应等31个反应过程.计算得到了电子密度, Ar+密度,激发态氩原子Ar4s、Ar4p、Ar3d能级的密度,电势和电场强度等的分布特性.同时模拟得到了不同反应机制对电子、激发态氩原子Ar4s、Ar4p的产生和消耗机理的影响.结果表明,在本模拟条件下存在明显的空心阴极效应,激发态氩原子Ar4s的密度大大高于电子密度.激发态氩原子Ar4s参与的潘宁电离2Ar4s→Ar++Ar+e和分步电离对新电子的产生和电子能量的平衡具有重要贡献,特别是以往模拟中通常被忽略的产生Ar2+的潘宁电离反应2Ar4s→Ar2++e同样对电子的产生具有重要影响.激发态氩原子密度的空间分布是放电过程中各种粒子生成和消耗相互平衡的结果.本模型所包含的反应中,激发态氩原子Ar4p退激发到Ar4s能级的辐射反应Ar4p→Ar4s+hn是Ar4s能级产生的主要来源,同时也是激发态氩原子Ar4p消耗的主要途径.电子碰撞Ar4s激发到Ar4p能级的反应Ar4s+e→Ar4p+e是激发态氩原子Ar4s消耗的主要途径,也是产生激发态氩原子Ar4p的主要途径.模拟结果同时表明,利用激发态氩原子Ar4p能级的分布特性能够更好地反映空心阴极放电中的光学特性.

关键词：空心阴极放电流体模型激发态原子反应机制