收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

等离子体源离子注入及辉光放电过程中脉冲鞘层动力学研究

刘成森  
【摘要】:在等离子体材料表面加工技术应用中,等离子体鞘层的时空演化过程对等离子体与 材料表面相互作用有着非常重要的意义。针对等离子体源离子注入(PSII)过程中的直 流脉冲(DC)鞘层,本文建立了两维自洽流体动力学模型,模型包括描述离子的连续性方 程、动量方程、电子Boltzmann分布,以及描述鞘层中电势分布的泊松方程。利用这一 模型研究了等离子体鞘层中各种物理量的时空演化规律,这些物理量包括电势和电场分 布、离子密度分布、离子速度分布、样品表面离子束流分布以及离子注入剂量分布。为 低气压辉光放电过程建立了漂移扩散流体动力学模型,研究了在连续的直流脉冲偏压作 用下,在氮气中实现气体辉光放电的演化过程,包括电子与中性气体粒子碰撞电离产生 等离子体,以及等离子体中的离子在电场的作用下获得能量轰击作为阴极的工件表面的 物理机理。 利用两维无碰撞自洽流体动力学模型,考察了在无附加电极和在中心轴线放置零电 位圆柱状附加电极两种情况下,空心圆管端点附近脉冲偏压等离子体鞘层的演化过程。 得到了各自情况下鞘层中电场的分布、离子密度分布、鞘层中离子的动力学行为、沿空 心圆管内表面、端点表面和外表面的离子束流分布和离子注入剂量分布以及这些分布的 均匀性状况。结果显示,由于电场分布的弯曲导致离子运动的聚焦效应使得离子束流和 离子注入剂量在空心圆管端点附近的表面上分布非常不均匀。在圆管内部的等离子体鞘 层演化规律与一维动力学模型已经揭示的规律是一致的,这也是我们提出的两维模型合 理性的一个证明。 利用Monte Carlo方法模拟离子在有附加零电位电极的空心圆管内鞘层中行进时的 运动轨迹,考察了离子在等离子体鞘层中与中性气体粒子碰撞对离子注入能量和注入角 度的影响。通过在不同半径的鞘层边界上随机抽取与半径成正比的离子数量,计算了空 心圆管中的所有离子注入圆管内表面的能量分布和角度分布。在模型中,通过考虑两种 主要碰撞过程:电荷交换碰撞和弹性碰撞,对不同工作气压下的离子注入进行了考察。 随着中性气体压力的增加,气体密度增大,离子平均自由程变短,在穿越鞘层的过程中 等离子体源离子注入及辉光放电过程中脉冲鞘层动力学研究 与中性粒子经历比较频繁的碰撞。这些碰撞一方面使离子失去能量,另一方面也使离子 改变运动方向,导致注入的低能离子和不垂直于表面入射的离子增多。 针对半圆形容器,考察了在无附加电极和在中心点放置零电位球形附加电极两种情 况下的脉冲偏压等离子体鞘层的演化过程,并为这一工件建立了两维热传导模型。将无 附加电极情况得到的离子束流作为能量输入,研究束流中的离子携带能量沉积在工件表 面后引起的工件温度升高。模拟结果显示,容器边缘附近温度总是高于容器底部温度。 在一定脉冲频率电压作用下,脉冲宽度增加,温度分布达到稳定状态所用的时间逐渐增 加,但达到某一值后,将不再受脉冲宽度增加的影响。在一定脉冲宽度电压作用下,随 着脉冲频率的增加,工件平均温度在增加到某一值后,将不再受脉冲频率增加的影响。 针对直流脉冲辉光放电过程,提出了一个能够自洽地描述其放电的等离子体流体模 型,反映在连续的不断的脉冲电压作用下,从脉冲施加到阴极上开始一直持续到气体实 现稳定放电的过程中,这个过程包含了脉冲开启和脉冲关断交替进行的连续作用过程。 考察了这一过程中的离子密度、电子密度和电场分布的时空演化规律,模拟结果显示, 放电行为强烈依赖所施加在阴极上的脉冲电压幅值,高的电压将产生大的放电电流并且 缩短放电延迟时间。模拟中得到的电压-电流关系与实验数据相吻合。 关键词:等离子体源离子注入,流体动力学模型,咖nt e Carl。模拟,热传导过程,直 流脉冲辉光放电


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 宋远红,宫野,王德真;等离子体源离子注入鞘层随时空演化的数值模拟[J];计算物理;1995年04期
2 王德真,马腾才,宫野;等离子体源离子注入球形靶的蒙特-卡罗模拟[J];物理学报;1995年06期
3 尹世明,吴一平,程宇航,乔学亮;射频等离子体放电动态过程的流体动力学模拟[J];华中理工大学学报;1998年S1期
4 金维睦;He-Ne管正柱区鞘层及电子温度的计算[J];中国激光;1985年08期
5 黄建军,吕宽洲,刘正之;射频激励铜离子激光器的功率消耗[J];真空科学与技术;2003年05期
6 钱丹娜;李雪春;王友年;;平板直流负偏压碰撞鞘层Child-Langmuir定律的拟合公式[J];核聚变与等离子体物理;2006年01期
7 于炯,宫野,王德真;等离子体源离子注入鞘层时空演化的研究[J];核聚变与等离子体物理;1995年04期
8 刘成森,王德真;空心圆管端点附近等离子体源离子注入过程中鞘层的时空演化[J];物理学报;2003年01期
9 王正汹,刘金远,邹秀,刘悦,王晓钢;尘埃等离子体鞘层的玻姆判据[J];物理学报;2004年03期
10 于永澔,王浪平,王小峰,汤宝寅,甘孔银,刘洪喜,王宇航,王松雁;轴承滚珠等离子体浸没离子注入过程的数值模拟[J];强激光与粒子束;2004年12期
11 方锦清;发展中的强流离子光学[J];物理;1981年03期
12 王惠三,陈开芹,李家全,曾旭初,邢大中,耿漫,尚振魁;在等离子体源离子注入中靶周围等离子体的行为[J];核聚变与等离子体物理;1994年02期
13 吴静;张鹏云;王德真;;尘埃颗粒与等离子体鞘层相互作用的数值模拟[J];核聚变与等离子体物理;2008年01期
14 高庆弟,陈小平,龙永兴;偏滤器靶板磁预鞘层边界的离子流[J];核聚变与等离子体物理;2003年02期
15 王耕国 ,朱家珍;电磁波在不均匀等离子体鞘层中的反射与透射[J];宇航学报;1985年04期
16 魏在福,程兆谷,王润文;朗谬尔探针法测量横流CO_2激光器的电子密度[J];中国激光;1990年09期
17 王久丽,张谷令,王友年,刘元富,刘赤子,杨思泽;等离子体源离子注入离子鞘层及鞘层扩展动力学计算方法[J];科学通报;2004年05期
18 邹秀;;斜磁场作用下的射频等离子体平板鞘层结构[J];物理学报;2006年04期
19 邹秀;刘惠平;谷秀娥;;磁化等离子体的鞘层结构[J];物理学报;2008年08期
20 刘成森;王德真;刘天伟;王艳辉;;半圆形容器等离子体源离子注入过程中离子动力学的两维PIC计算机模拟[J];物理学报;2008年10期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 田立成;石红;李娟;张天平;;二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
2 张凤奎;于达仁;丁永杰;李鸿;;霍尔推力器内电子分布函数各向异性对鞘层动态特性的影响[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
3 段萍;李肸;鄂鹏;卿绍伟;;霍尔推进器中磁化二次电子对鞘层特性的影响[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
4 武洪臣;Andre Anders;;流动金属等离子体中导体球周围非对称动态鞘层的测量[A];第十五届全国等离子体科学技术会议会议摘要集[C];2011年
5 郭慧梅;林国强;王德真;;电弧离子镀尘埃颗粒在脉冲等离子体鞘层中的受力及运动状态研究[A];TFC’03全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2003年
6 姚红冉;李明;吕少波;张海明;蔺增;巴德纯;;直流辉光放电等离子体鞘层流体动力学模拟[A];第八届全国真空冶金与表面工程学术会议论文摘要集[C];2007年
7 马锦秀;李毅人;肖德龙;郑尧邦;王道泳;张文贵;;利用发射探针测量预鞘区等离子体空间电位[A];第十三届全国等离子体科学技术会议论文集[C];2007年
8 姚红冉;李明;吕少波;张海明;蔺增;巴德纯;;直流辉光放电等离子体鞘层流体动力学模拟[A];真空冶金与表面工程——第八届真空冶金与表面工程学术会议论文集[C];2007年
9 吕少波;李明;姚红冉;蔺增;巴德纯;;射频偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[A];第八届全国真空冶金与表面工程学术会议论文摘要集[C];2007年
10 吕少波;李明;姚红冉;蔺增;巴德纯;;射频偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[A];真空冶金与表面工程——第八届真空冶金与表面工程学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李义;等离子体基低能离子注入内表面鞘层特性的数值研究[D];大连理工大学;2013年
2 李毅人;弱碰撞等离子体中金属栅网附近稳态鞘和预鞘的实验诊断与数值模拟[D];中国科学技术大学;2011年
3 张凤奎;霍尔推力器绝缘壁面鞘层动态特性及其对近壁传导的影响[D];哈尔滨工业大学;2009年
4 刘成森;等离子体源离子注入及辉光放电过程中脉冲鞘层动力学研究[D];大连理工大学;2005年
5 李雪春;等离子体源离子注入介质靶鞘层特性的数值研究[D];大连理工大学;2008年
6 甘宝霞;电负性尘埃等离子体中尘埃颗粒的振荡、晶格波和稳态尘埃空洞[D];中国科学技术大学;2008年
7 李弘;低温气体放电现象的数值研究[D];中国科学技术大学;2002年
8 戴忠玲;射频及脉冲偏压等离子体鞘层流体动力学模拟[D];大连理工大学;2004年
9 肖德龙;栅网附近离子波动模式激发机理和尘埃离子声波非线性演化的研究[D];中国科学技术大学;2006年
10 易小林;等离子弧焊中等离子云检测机理与模糊控制的研究[D];天津大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 田立成;等离子体浸没离子注入空心圆柱形介质管内表面鞘层特性的数值研究[D];大连理工大学;2010年
2 郑尧邦;扩散流中上下游鞘层结构的实验研究[D];中国科学技术大学;2011年
3 沈鸿娟;霍尔推进器放电通道壁面鞘层特性PIC模拟研究[D];大连海事大学;2013年
4 吴美薇;偏滤器靶板附近等离子体鞘层特性的模拟研究[D];大连理工大学;2012年
5 李佳佳;快离子注入对悬浮器壁附近磁化鞘层的影响[D];大连理工大学;2012年
6 李运虎;等离子体浸没离子注入介质靶鞘层特性的粒子模拟研究[D];大连理工大学;2012年
7 孙耀东;太阳风中航天器充电的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2013年
8 陈杏彪;月球表面电场环境的数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 王楠;聚变装置中边界等离子体的磁鞘层特性[D];大连理工大学;2010年
10 邱华檀;碰撞效应对射频等离子体鞘层特性及刻蚀剖面的影响[D];大连理工大学;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978