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碰撞等离子体的产生及其性质研究

作　者: 欧阳亮
导　师: 刘万东
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 等离子体物理
关键词: 等离子体诊断电子束能量带电粒子中性粒子密度分布线性迭加大气压电磁波双探针电离源
分类号: O531
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

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

全文目录

中文摘要  4-6
英文摘要  6-12
第一章碰撞等离子体概述  12-36
  1.1 碰撞等离子体概念  12-27
    1.1.1 等离子体的定义  12-14
    1.1.2 等离子体的一般性质  14-16
    1.1.3 碰撞等离子体  16-27
  1.2 碰撞等离子体的产生方法  27-31
    1.2.1 束流等离子体  29-30
    1.2.2 射频耦合等离子体  30-31
    1.2.3 其他方法  31
  1.3 碰撞等离子体的应用  31-33
    1.3.1 等离子体加热  32
    1.3.2 材料的表面处理  32
    1.3.3 等离子体光源  32
    1.3.4 等离子体隐身  32-33
  1.4 本章小结  33-36
第二章碰撞等离子体研究现状  36-58
  2.1 束流产生等离子体研究现状  36-44
    2.1.1 电子束等离子体的基本性质  36-37
    2.1.2 电子束的传输  37-39
    2.1.3 能量沉积与电子分布函数  39-41
    2.1.4 作为电磁波反射体和吸收体的电子束等离子体  41-44
  2.2 射频耦合等离子体研究现状  44-50
    2.2.1 感应耦合等离子体的一般性质  45-47
    2.2.2 反常趋肤深度  47-48
    2.2.3 电感耦合等离子体中的非局域现象  48-50
  2.3 碰撞条件下的等离子体诊断  50-58
    2.3.1 微波诊断  51-53
    2.3.2 光谱诊断  53-54
    2.3.3 探针诊断  54-58
第三章电子束产生等离子体的数值模拟  58-104
  3.1 实验装置  59-65
    3.1.1 电子枪  59-61
    3.1.2 真空系统  61
    3.1.3 诊断系统  61-65
  3.2 电子束产生等离子体的蒙特卡罗模拟  65-89
    3.2.1 电子与物质的相互作用  66-68
    3.2.2 关于EGS4  68-77
    3.2.3 物理模型及模拟方法  77-78
    3.2.4 束电子密度和能量分布  78-82
    3.2.5 等离子体密度分布  82-87
    3.2.6 不同截止能量对模拟结果的影响  87-89
    3.2.7 结论与讨论  89
  3.3 电子束产生等离子体的流体模拟  89-101
    3.3.1 引言  89-90
    3.3.2 基本模型  90-93
    3.3.3 数值计算结果及分析  93-101
    3.3.4 结论  101
  3.4 本章小结  101-104
第四章中等气压条件下电感耦合等离子体的实验研究  104-134
  4.1 导言  104-106
  4.2 实验装置  106-107
  4.3 射频耦合等离子体的放电独立性研究  107-120
    4.3.1 实验安排  107-110
    4.3.2 ICP单元放电性质  110-113
    4.3.3 ICP放电单元的组合性质  113-119
    4.3.4 基于线性迭加性质的大面积密度均匀等离子体构造  119-120
  4.4 射频耦合等离子体的电离相干性研究  120-131
    4.4.1 实验安排  120
    4.4.2 实验现象  120-125
    4.4.3 理论模型  125-130
    4.4.4 基于相干增强性质的大面积、密度均匀等离子体的构造  130-131
  4.5 本章小结  131-134
第五章碰撞条件下的等离子体探针诊断方法  134-150
  5.1 理论模型  134-141
    5.1.1 理论模型  134-137
    5.1.2 球状探针解  137-139
    5.1.3 柱状探针解  139-141
  5.2 诊断方法及实验结果  141-147
    5.2.1 双探针曲线的获得  141-142
    5.2.2 实验探针曲线的拟合  142-144
    5.2.3 稳定性问题  144
    5.2.4 拟合区域的选择对密度的影响  144-146
    5.2.5 误差分析  146-147
  5.3 本章小结  147-150
第六章结束语  150-154
参考文献  154-164
致谢  164-166
攻读学位期间的主要研究工作和论文发表情况  166

碰撞等离子体的产生及其性质研究

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