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低气压感应耦合放电器件研究及模型建立

李文鹏  
【摘要】: 本论文围绕两个主要问题开展研究: 1.感应耦合H型(感应放电模式)放电特性; 2.感应耦合E型(静电放电模式)和E-H型放电过渡特性; 通过对这两大方面问题的探究,可以更加深入的了解感应耦合器件在射频信号下的等离子体电磁特性、等离子体放电机理和等离子体模式转变特性等多方面信息。为真正深入了解其放电特性并加以实际应用提供物理认识。 论文使用射频信号发射器和功率放大器,提供可调制的射频功率信号通过感应诱导方式激发Kr-Hg放电。在实验中将H型放电和E型放电通过光亮度、功率和输入线圈电流的不同加以区分,明确此两类感应耦合放电的原理。 通过单匝线圈法和电磁轮廓模型的应用,在H型放电情况下利用外部电参量构建了放电管空间电磁轮廓,将电磁E场和B场在放电管径向和轴向分别求解,发现放电空间E场和B场均具有由中心沿径向指数上升的特性,而在轴向则由于等离子体浓度和能量的耗散具有指数下降的趋势。求解中通过有限差分和功率拟合的方法,同时还可计算出不同功率情况下放电空间等离子体磁导率μ、等离子体电导率矢量σ_r+iσ_i、趋肤长度δ等参量。 H型放电中应用变压器模型,可以进一步得到放电阻抗和感抗随线圈电流和功率的变化。随着功率的增长,等离子体等效阻抗进一步增长而等效感抗有所降低。阻抗的增长说明在小功率范围内,电子动量迁移频率ν增长的速率要高于电子浓度n_e。的增长速率。因此体现了放电等离子体的正阻特性。而在H型放电由于功率减小而接近H-E型跳变时,阻抗降低,而感抗则有很大的增加。因而对应的ωL_p/R_p在小功率情况下有很大的增加,这与推断的功率因数的急剧下降相吻合,并体现了耦合能量效率的急剧下降。 通过H型放电电磁轮廓模型和H型放电变压器模型的计算,可以验证此两类模型的正确性和实用性,同时进一步通过电导率公式、电子温度和电子动量转移截面的假设,可应用最优化方法计算H型放电中电子浓度、电子温度和气体温度等随功率的变化趋势。 在E型放电和E-H型放电过渡的研究中,通过测量电参量和光谱参量数据,得出在E型放电和H型放电中,存在多种能量耗散和激发平衡点。正是能量平衡的非线性变化导致了两种放电的滞后效应。 而在过渡放电的光谱分析中,通过Hg435.8nm、Kr811.3nm谱线的选取以及Hg365.0nm谱线和Hg312.6nm谱线强度比值可以分析得到,H型放电下高能电子浓度和高能电子比例大幅度增长,而正因为此,等离子体EEPF更加趋于Maxwellian分布;而Hg亚稳态浓度与非亚稳态浓度之比在放电模式转变过程中有一突然增加,在H型放电过程中随放电电流增大而进一步增大。


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