脉冲源激发射频容性放电非线性振荡的PIC模拟

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:durrenchen
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负氢离子源因具有高中性化效率,低表面充电等特性,在磁约束核聚变、高能物理、半导体刻蚀、材料改性和纳米材料制备等领域获得了重要的应用。在核聚变方面,基于负氢离子源的中性束注入是下一代托卡马克装置,如国际热核聚变实验堆(ITER)必不可少的辅助加热手段。负氢离子源有表面和体积两种生成机制,基于体积产生机制的负氢离子源具有不需要运行维护,可长时间运转,且结构简单造价低廉等优点,因此是以发电为目的的磁约束核聚变堆的理想选择。但目前负氢离子体积源产生的负氢离子浓度还很低,距离要求相差甚远。从体积机制出发,负氢离子的产生首先需要大量的高能电子将氢分子激发到高振动态,而在射频放电中高能电子的浓度通常都较低,但如果在射频源维持放电的基础上,额外叠加高短脉冲源可提高电子的能量以及高振动态氢分子的产生率,特别是脉冲源刚关闭一段时间内,电子平均能量出现明显的振荡。本论文应用一维静电PIC-MCC方法模拟低气压下射频和脉冲双源联合驱动的容性耦合氢气放电,探究这种振荡的物理机制,即额外的脉冲源促使放电空间中带电粒子重新分布,形成很强的空间电场来平衡外加强电场,脉冲源关闭时,强的空间电场作为恢复力和空间电荷相互作用,使得电子呈现类似于简谐运动的振荡,且这种振荡在鞘层附近的等离子体区域最强,由于电子往返运动过程中伴随着非弹性碰撞,等离子体中储存的能量转化为化学能,电子的振荡被阻尼,随着时间推移越来越弱直到消失,此振荡的实质是等离子体振荡,电子集体振荡频率约等于等离子体频率。此外,改变脉冲源的上升沿、坪区和下降沿时间,等离子体密度和大于电离能电子所占的百分比均会发生变化。我们可以通过调节外加脉冲源的位形来提高高能电子的比例,从而提高负氢离子的反应物—高振动态氢分子的产生率,为研制负氢离子源提供理论指导。此外,本论文还初步讨论了接地电极表面覆盖介质层时对射频脉冲双源联合驱动的容性耦合氢气放电的影响。
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