碰撞等离子体的产生及其性质研究

【摘要】：等离子体作为带电粒子的集合，由于其中存在复杂的集体作用和丰富的非线性现象，一般认为其状态具有较强的条件依赖性。这些性质较大的限制了等离子体应用的标准化和工程化。然而，当等离子体中电子—中性粒子的碰撞频率(ν_(en))与等离子体频率(ω_(pe))相当或更大时，以等离子体频率为特征频率的等离子体集体行为受到限制，等离子体从动力学行为上已经趋向于普通流体，此时的等离子体可以称为碰撞等离子体。由于碰撞等离子体在半导体、照明、材料加工等领域具有广泛的应用背景，尤其是因为它良好的电磁波吸收能力具有较强的国防技术应用背景，近年来国内外对碰撞等离子体基本性质的研究十分活跃。但目前大多数工作主要集中在碰撞等离子体与电磁波相互作用的性质上，对碰撞等离子体产生的特殊性及等离子体在碰撞条件下表现出来的不同特征尚缺少系统研究。 本论文工作主要着重于研究碰撞等离子体产生的物理过程中区别于无碰撞等离子体的一些特殊性质，以及碰撞条件下等离子体表现出的不同特征。 论文介绍了碰撞等离子体中的一些基本概念、性质和碰撞等离子体的应用，并着重介绍了碰撞条件下束流产生等离子体及射频耦合等离子体(ICP)的研究现状。 我们用基于蒙特卡罗(Monte-carlo)方法的EGS4软件对近大气压条件下电子束产生等离子体的密度、分布参数进行了细致研究，并将结果与基于流体模型方法得到的结果进行了比较。研究表明电子束产生等离子体的区域只与电子束的射程有关，并且在一定工作条件下这个射程与气压之间具有良好的线性反比关系。由于强碰撞条件下的等离子体局域性质，我们可以仅依据空间分辨的束电子能量分布给出等离子体密度的空间分布。尽管空间负电荷的堆积将会使得空间电场迅速增大，从而影响等离子体的行为。然而等离子体在宏观上仍表现出具有稳定性和可预测性。 对于中等气压下射频耦合放电的研究表明，在射频耦合等离子趋肤层以外的无