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

【摘要】：等离子体鞘层是等离子体物理中最古老的问题之一,也是等离子体物理中最重要的基本问题之一,不仅在等离子体基础理论研究中具有重要意义,而且在等离子体诊断、表面处理和聚变研究等领域中也有实际应用。鞘层的基本理论目前已经比较完善了,但鞘层的实验诊断工作开展的并不多,且前人的鞘层实验诊断工作,主要针对的是全吸收的器壁或电极(如金属平板、球形电极)形成的稳态鞘层。而在实验室等离子体中,部分吸收的电极(如金属栅网)常被用于控制等离子体参数或激发各种离子波动模式,且激发出的等离子体集体波动模式及其特性受栅网结构影响很大。因此,在实验上对负偏压的金属栅网形成的稳态离子鞘进行诊断,探索不同条件下栅网附近鞘层结构的特性,在等离子体基础研究中具有重要的意义。 本文从实验上研究了在改进型双等离子体装置中负偏压的金属栅网附近的鞘和预鞘结构特点,比较了栅网和金属平板形成的稳态离子鞘鞘层结构的异同,还比较了栅网的疏密对稳态离子鞘鞘层结构的影响,并利用数值模拟手段研究了金属栅网附近的鞘层结构。 首先,负偏压的栅网对其周围的等离子体状态有明显影响。在靠近小栅网的区域内,利用Langmuir探针测得的电子温度明显上升,等离子体密度下降趋势也更加明显,这一明显受影响的区域的尺度和离子的平均自由程长度相当,因此可以认为这一区域为金属栅网的预鞘区。实验上也可以利用这一变化特点来确定主等离子体和预鞘的边界。 还利用发射探针仔细测量了负偏压金属栅网附近稳态离子鞘和预鞘的电势分布。实验测量结果和稳态离子鞘的理论模型符合得很好。实验还发现,弱碰撞等离子体中栅网的稳态离子鞘存在一个过渡区,过渡区的长度和部分文献中的模型估算一致。 其次,我们利用发射探针仔细测量了负偏压金属栅网和金属平板附近的稳态离子鞘和预鞘的电势分布。实验结果表明,金属栅网和金属平板的鞘内电势分布随空间位置的变化趋势是一致的,但是金属栅网的鞘厚明显小于金属平板,栅网附近的鞘内平均电场也更大,其原因可能如下。金属平板可以视为全吸收的边界,离子运动到平板表面即被平板吸收,而栅网的结构和平板不同,对离子是部分透射的,在栅网一侧的离子有一定概率可以穿过栅网,进入另一侧的鞘层,这也就导致鞘内的离子密度升高,电场变大。 再次,金属栅网的疏密程度对鞘层结构的影响也很明显,栅网越疏,其附近的离子鞘越薄。实验还发现,在鞘层外围及预鞘区域内,看不出栅网疏密对鞘层结构的影响,实验测得的鞘和预鞘边界的电场值和理论值接近,且不随栅网的疏密改变而变化。 最后,我们建立了栅网鞘层的无碰撞二维流体模型,用有限差分法求解了负偏压栅网的稳态离子鞘。数值计算的结果和实验测量所得的结果在变化趋势上一致,且对栅网的鞘层结构有进一步的解释,在很大程度上弥补了实验诊断的局限性。数值模拟主要有两点结论：首先,由于栅网是部分透射的,离子在栅网的空隙中和栅网表面附近将发生积聚,导致栅网表面附近的等效电势比栅网所加负偏压高,而金属平板的表面电势和其负偏压相等,因此栅网附近的鞘层要比全吸收的金属平板的鞘层薄一些。其次,随着栅网几何透过率的增大,离子在栅网的空隙和栅网表面附近的积聚效应明显增强,几何透过率越高的栅网,其表面附近的等效电势越高,鞘内的离子密度也越高。几何透过率越高的栅网,其鞘厚越薄。