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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


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