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脉冲容性耦合放电中电子密度和温度的演化机制研究

刘飞翔  
【摘要】:目前低温等离子体脉冲放电在工业界得到了广泛的应用,尤其是在材料表面处理领域。相比于传统的稳态放电,脉冲放电形式有着众多优势,比如通过调节脉冲频率和占空比可以更灵活地控制不同活性粒子的通量,减少表面电荷沉积以及缓解离子轰击带来的表面损伤等等。由于脉冲放电中不同物理过程发生的时间尺度差异很大,导致关键的放电参数(例如电子密度和温度)有着明显地非线性动态弛豫的演化特征。因此只有采用时间分辨的实验测量和模型分析才能够深入地了解进而操控脉冲放电的物理特性。然而放电暂态过程普遍和放电气压、功率、气体种类、脉冲频率和占空比等等外部控制参数紧密相关,放电物理非常复杂,目前与之相关的报道结果尚有很多不足之处。本论文在不同脉冲容性耦合放电条件下结合测量与模型,探究了电子密度和温度的演化特征并揭示了其中的物理机制。本论文主要内容为:(一)从实验上确认了在余辉早期由容性耦合引起的位移电流对朗缪尔探针测量电子密度的干扰,并建立了从等离子体到探针的等效电路模型对其进行了定量讨论。进一步地,在强容性耦合情形下提出了修正探针数据的方法,修正后的结果能够与其他独立的实验测量结果吻合。(二)建立了能满足较宽实验条件并且同时包含鞘层塌缩和电子-电子散射作用机制的模型,用于描述低气压惰性气体余辉中电子密度和温度的演化,结果与实验测量相吻合。作为比较,前人报道的模型只适用于高密度等离子体情形,并且没有讨论电子密度空间分布位形的影响。(三)在电负性氧气脉冲放电中发现了不同余辉时长下由记忆效应引起的电子密度演化特征,通过建模分析提出了短脉冲情形下由氧分子亚稳态碰撞解吸附和电子碰撞分解吸附主导的电子循环过程,揭示了在余辉晚期氧分子亚稳态和振动激发态对电子超弹性散射导致的电子加热效应。(四)在惰性气体脉冲放电中结合模型和实验讨论了分步电离、射频功率传输、电子温度演化、分子气体掺杂以及离子在放电边界逃逸对功率加载期间电子密度弛豫的影响;在四氟化碳脉冲放电中讨论了带电粒子密度和中性自由基团密度在整个脉冲周期内的演化机制,并总结了氟原子主要的产生和损失过程。


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